Fundamentos del procesador

La arquitectura de Von Neumann 冯·诺依曼体系结构 subyace en casi todas las computadoras de propósito general:

• una memoria única — la Memoria de Acceso Inmediato 立即存取存储器 (IAS) — almacena tanto instrucciones del programa como datos (el concepto de programa almacenado 存储程序).
• un procesador 处理器 (CPU) busca instrucciones de la memoria y las ejecuta una a la vez.
• las instrucciones se ejecutan en orden a menos que una ramificación cambie el flujo.

La idea del programa almacenado es lo que hace flexible a una computadora: cambia el programa y cambias lo que hace, sin necesidad de reconfigurar cables.

Todas estas partes están dentro de un solo chip pequeño. El diagrama más adelante en esta sección muestra cómo se conectan; la foto de abajo muestra el dispositivo real.

Unidad Aritmética Lógica (ALU)

La ALU 算术逻辑单元 realiza operaciones aritméticas (suma, resta, ...) y lógicas (AND, OR, comparaciones). Toma operandos de los registros 寄存器 y coloca los resultados de vuelta en un registro.

Unidad de Control (CU)

La unidad de control 控制单元 decodifica cada instrucción y envía las señales de control para llevarla a cabo: abre rutas de datos, indica a la ALU qué hacer y controla las lecturas y escrituras de memoria.

Reloj del sistema

El reloj envía un flujo constante de pulsos que mantienen al CPU sincronizado. Cada instrucción toma un número fijo de ciclos, y la velocidad del reloj 时钟频率 (p. ej., 3.8 GHz) es un factor en el rendimiento.

"Explica cómo trabajan juntos la CU y el reloj del sistema": el reloj emite pulsos a una frecuencia fija; la unidad de control usa cada pulso para avanzar el ciclo de búsqueda-ejecución en un paso, enviando sus señales de control a tiempo con los pulsos, de modo que cada parte del procesador cambia de estado al mismo tiempo. Un reloj más rápido significa más pasos por segundo, hasta el punto en que los circuitos no pueden estabilizarse entre pulsos.

Registros

Los registros son memorias pequeñas y muy rápidas dentro del CPU. Los registros de uso especial 专用寄存器 tienen cada uno una función fija en el ciclo:

• Contador de Programa 程序计数器 (PC) — la dirección de la siguiente instrucción.
• Registro de Dirección de Memoria 内存地址寄存器 (MAR) — la dirección que se está leyendo o escribiendo.
• Registro de Datos de Memoria 内存数据寄存器 (MDR) — los datos que van hacia o vienen de la memoria.
• Registro de Instrucción Actual 当前指令寄存器 (CIR) — la instrucción que se está decodificando.
• Acumulador 累加器 (ACC) — el valor sobre el que trabaja la ALU.
• Registro de Estado 状态寄存器 — mantiene banderas 标志 (acarreo, cero, negativo, desbordamiento) usadas por las ramificaciones. Cada bandera es un bit, establecido o eliminado por la ALU después de una operación: la bandera cero tras una comparación que coincidió, la bandera de acarreo cuando una suma desbordó el registro, la bandera negativa cuando un resultado es negativo. Un salto condicional lee las banderas para decidir si debe ramificar, y una bandera de desbordamiento puede generar una interrupción.
• Registro de Índice 变址寄存器 — un desplazamiento añadido a una dirección en el direccionamiento indexado; incrementarlo permite recorrer un array un elemento a la vez.

La pregunta "completa la tabla que describe el papel de cada registro" pide una oración precisa por registro en estos términos: el PC contiene la dirección de la siguiente instrucción que será buscada; el MAR contiene la dirección de la ubicación que se está leyendo o escribiendo; el MDR contiene los datos o instrucción leídos recientemente de, o a punto de ser escritos en, esa ubicación; el CIR contiene la instrucción que se está decodificando y ejecutando actualmente; el ACC contiene el resultado de la última operación aritmética o lógica.

Los registros de uso general 通用寄存器 son usados por el programador para valores temporales durante un cálculo. Los movimientos de datos entre registros y memoria se escriben en notación de transferencia de registros 寄存器传送 — p. ej. MAR ← [PC] ("copia el contenido del PC en el MAR").

Tres buses internos 总线 (conjuntos de cables paralelos) conectan las partes:

• bus de direcciones 地址总线 — transporta la dirección de memoria. Unidireccional (CPU → memoria).
• bus de datos 数据总线 — transporta los datos. Bidireccional.
• bus de control 控制总线 — transporta señales de control (lectura, escritura, interrupción). Bidireccional.

Un bus de direcciones de $n$ bits puede alcanzar $2^{n}$ ubicaciones de memoria. El ancho del bus de datos determina cuántos bits se mueven por acceso (a menudo el tamaño de palabra).

• velocidad del reloj — más ciclos por segundo.
• número de núcleos 核心 — una CPU multi-núcleo ejecuta varios hilos a la vez.
• tamaño de palabra 字长 — una CPU de 64 bits maneja bloques de 64 bits por ciclo y puede acceder a mucha más memoria que una de 32 bits.
• cantidad de RAM 随机存取存储器 — más RAM almacena más del conjunto de trabajo; poca RAM obliga al SO a paginar 页 en disco.
• tamaño de la memoria caché 高速缓存 — más caché reduce el tiempo promedio de acceso a memoria.
• tipo de almacenamiento secundario 辅助存储器 — un SSD carga programas mucho más rápido que un HDD.
• ancho y velocidad del bus — buses más anchos/rápidos mueven datos más rápidamente.

Asigna las especificaciones a la carga de trabajo: un quad-core supera a un dual-core en tareas paralelas, pero mayor velocidad por núcleo gana en tareas de un solo hilo.

Cada factor es una respuesta de dos puntos con una razón adjunta:

• Más núcleos: cada núcleo puede buscar y ejecutar su propia instrucción al mismo tiempo, así que varios programas, o los hilos de un programa, se ejecutan en paralelo. Pero un programa debe estar escrito para usar más de un núcleo, por lo que duplicar los núcleos no duplica la velocidad.
• Mayor velocidad del reloj: más ciclos de búsqueda-ejecución por segundo, así que más instrucciones por segundo; el límite es el calor producido.
• Bus más ancho: un bus de datos más ancho mueve más bits en cada transferencia, así que se necesitan menos transferencias para los mismos datos; un bus de direcciones más ancho puede acceder a más ubicaciones de memoria.
• Memoria caché: una memoria pequeña y rápida dentro o junto al procesador que guarda las instrucciones y datos usados más recientemente o con mayor frecuencia. Leerlos desde la caché es mucho más rápido que desde la RAM, así que el procesador pasa menos tiempo esperando.

"Explica por qué la nueva computadora tiene mejor rendimiento" se responde comparando las dos especificaciones línea por línea: una mayor velocidad del reloj ejecuta más instrucciones por segundo, más núcleos ejecutan más tareas a la vez, más caché significa menos accesos lentos a RAM, y más RAM significa menos transferencias a disco.

Un puerto 端口 es un conector físico para conectar un periférico 外围设备:

• USB (Universal Serial Bus) — de propósito general (teclados, unidades de almacenamiento, teléfonos).
• HDMI (High Definition Multimedia Interface) — video y audio digitales a una pantalla.
• VGA (Video Graphics Array) — salida de video analógica más antigua a un monitor.
• Ethernet (RJ-45) — red local cableada. Jacks de audio — auriculares/micrófono.

Diferentes puertos utilizan diferentes señales, por lo que un cable HDMI no encajará en un puerto USB. USB-C es inusual al transmitir video, datos y energía simultáneamente.

"Explica cómo la computadora se conecta al monitor a través de HDMI": el puerto HDMI envía el video y el audio como una sola señal digital por un solo cable, por lo que no se necesita conversión a analógico y la imagen no se degrada; el cable transporta resoluciones de alta definición y el propio puerto del monitor decodifica la señal. Un dispositivo USB es plug-and-play: cuando se conecta, la computadora lo detecta, lo identifica, carga o instala el controlador necesario y puede proporcionarle energía, todo sin necesidad de reiniciar.

La CPU repite el ciclo de búsqueda-ejecución 取指-执行周期, una ejecución por instrucción de máquina.

Búsqueda

1. la dirección del PC se copia al MAR.
2. el PC se incrementa para apuntar a la siguiente instrucción.
3. una señal de lectura viaja por el bus de control.
4. la memoria coloca la instrucción en el bus de datos.
5. se copia en el MDR, luego en el CIR.

El examen pide estos pasos en notación de transferencia de registros 寄存器传送记法, donde [X] significa el contenido del registro X y [[MAR]]significa el contenido de la ubicación de memoria cuya dirección está en el MAR:

MAR ← [PC]          the address of the next instruction goes to the MAR
PC  ← [PC] + 1      the PC now points to the following instruction
MDR ← [[MAR]]       the instruction at that address is read into the MDR
CIR ← [MDR]         the instruction is copied into the CIR for decoding

El orden importa: el PC se incrementa inmediatamente después de que su dirección se ha copiado, para que un salto ejecutado más tarde pueda sobrescribirlo. Durante la ejecución, la misma notación describe cada instrucción; por ejemplo, para LDD 200, MAR ← 200, MDR ← [[MAR]], ACC ← [MDR].

Decodificación

La UC decodifica la instrucción en el CIR: qué operación y cuáles son los operandos o direcciones.

Ejecución

La UC la lleva a cabo: las operaciones aritméticas/lógicas van a la ALU (el resultado va al AC); una carga/almacenamiento mueve datos entre la memoria y un registro; un salto cambia el PC. Luego el ciclo se repite.

Una interrupción 中断 es una señal que pausa el ciclo normal para que la CPU pueda manejar un evento urgente (un pulsador de tecla, la llegada de un paquete, un fallo de hardware, división por cero, el temporizador del SO).

Para manejar una:

1. terminar la instrucción actual.
2. guardar el estado (PC y registros).
3. cargar la dirección de la rutina de servicio de interrupción 中断服务程序 (ISR) en el PC y ejecutarla.
4. la ISR maneja el evento.
5. restaurar el estado guardado y continuar.

Las interrupciones permiten que el sistema responda rápidamente sin que la CPU revise constantemente los dispositivos, y son la forma en que el SO gestiona la multitarea.

"Explica cómo se detecta y maneja una interrupción de un dispositivo de entrada en el ciclo B-E" es una respuesta de cuatro puntos con estos elementos: el dispositivo envía una señal de interrupción que activa la bandera de interrupción en el registro de interrupciones 中断寄存器; el procesador revisa ese registro al final de cada ciclo de búsqueda-ejecución, después de que la instrucción actual haya terminado de ejecutarse; si una bandera está activada y la interrupción tiene mayor prioridad que la tarea actual, el contenido del PC y los otros registros se guardan en la pila 栈; la dirección de la rutina de servicio de interrupción se carga en el PC y la rutina se ejecuta; cuando termina, los valores guardados se restauran desde la pila y el programa interrumpido continúa desde donde se detuvo.

Causas dignas de nombrar: una interrupción de hardware de un dispositivo (una tecla presionada, un búfer de impresora vacío, la llegada de un paquete de red), una interrupción de software causada por un fallo (división por cero, una instrucción ilegal, desbordamiento aritmético), una interrupción de temporizador del sistema operativo que marca el final de un intervalo de tiempo, y una advertencia de falla de alimentación.

La CPU realmente ejecuta código máquina 机器码 — patrones de bits, específicos de una arquitectura. El lenguaje ensamblador 汇编语言 es una forma legible, con una instrucción por instrucción de máquina, escrita usando mnemotécnicos 助记符 como LDD, ADD, JMP. Un ensamblador 汇编器 lo traduce a código máquina.

Ensamblador de dos pasadas

Un ensamblador de dos pasadas lee el código fuente dos veces:

• paso 1 construye una tabla de símbolos 符号表: cada vez que aparece una etiqueta 标签 (como LOOP:), se registra su dirección; aún no hay código.
• paso 2 genera el código: traduce cada instrucción y, cuando una hace referencia a una etiqueta (como JMP LOOP), busca su dirección en la tabla de símbolos.

Dos pasadas manejan referencias hacia adelante 前向引用 (un salto a una etiqueta definida más adelante).

Ejemplo resuelto. Aplique el proceso de dos pasadas a este programa, cuya primera instrucción se almacena en la dirección 100.

        LDD  COUNT
LOOP:   DEC  ACC
        CMP  #0
        JPN  LOOP
        END
COUNT:  5

El paso 1 lee cada línea, cuenta la dirección que ocupará y registra cada etiqueta en la tabla de símbolos: LOOP = 101 (la línea DEC) y COUNT = 105 (la línea de datos). No se produce código. El paso 2 lee el programa nuevamente y traduce cada línea a código máquina, reemplazando cada mnemotécnico por su opcode 操作码 y cada dirección simbólica por el número de la tabla de símbolos: LDD COUNT se convierte en el opcode para LDD con operandos 操作数 105, y JPN LOOP se convierte en el opcode para JPN con operandos 101. El salto de regreso a LOOP podría haberse resuelto en una sola pasada, pero un salto hacia adelante a una etiqueta aún no vista no podría, por eso el ensamblador realiza dos.

Conjunto de instrucciones de ejemplo

Cambridge utiliza un conjunto genérico pequeño, impreso en la tabla de referencias del examen, con un registro de propósito general, el acumulador (AC), y un registro índice (IX). Un operandos escrito #n es un número decimal, Bn un número binario y &n un número hexadecimal; <address> es un número de ubicación o una etiqueta.

La pregunta "las instrucciones del lenguaje ensamblador están agrupadas" pide los nombres de los grupos y una instrucción de cada uno: movimiento de datos, entrada y salida, aritmética, saltos incondicionales y condicionales, comparación y manipulación de bits.

El modo de direccionamiento 寻址方式 (los modos de acceso) indica cómo encuentra el operando la CPU:

• direccionamiento inmediato 立即寻址 — el operando es el valor en la instrucción. LDM #10 carga 10.
• direccionamiento directo 直接寻址 — la instrucción contiene una dirección; el operando es el valor allí. LDD 200.
• direccionamiento indirecto 间接寻址 — la instrucción contiene una dirección que contiene otra dirección, que es el dato. LDI 200.
• direccionamiento indexado 变址寻址 — la dirección efectiva es address + index register; usado para arreglos. LDX 100 con IR = 5 lee la dirección 105.

(Direccionamiento relativo 相对寻址 da la dirección como un desplazamiento desde el PC — usado para saltos.)

Ejemplo resuelto. La memoria contiene: dirección 200 = 250, dirección 250 = 99, dirección 105 = 7. El registro índice contiene 5. ¿Qué hay en el acumulador después de cada una de⟩LDM #200, LDD 200, LDI 200 y LDX 100? Siga la distancia que debe recorrer cada modo. LDM #200 es inmediato: el operando es el número escrito en la instrucción, por lo que el acumulador contiene 200. LDD 200 es directo: vaya a la dirección 200 y tome lo que haya allí: 250. LDI 200 es indirecto: la dirección 200 contiene 250, que es otra dirección, así que continúe hasta la dirección 250: 99. LDX 100 es indexado: sume el registro índice a la dirección, $100 + 5 = 105$, y lea la dirección 105: 7. Cuente los saltos para diferenciarlos: inmediato 0, directo 1, indirecto 2, indexado 1 (una vez que se ha añadido el índice).

Para rastrearlo: haga una tabla con columnas para el PC, ACC, registro índice, cada variable y cualquier bandera. Pase por las instrucciones actualizando la tabla después de cada una; siga las ramas cuando cambien el PC; deténgase en END. Un patrón común es un bucle sobre un array utilizando direccionamiento indexado.

Ejemplo resuelto. Rastree este programa. La dirección 200 contiene 5 y la dirección 201 contiene 0.

100   LDD  200
101   CMP  #0
102   JPE  108
103   OUT
104   DEC  ACC
105   STO  200
106   LDD  201
107   JMP  100
108   END

Escriba una fila por cada instrucción ejecutada, rellenando solo las columnas que cambian:

y así sucesivamente, hasta que LDD 200 carga 0, la comparación establece la bandera de igualdad, JPE 108 es tomada y el programa termina. Tres cosas que revisa el examinador: un CMP no cambia ningún registro, solo una bandera; un salto no tomado sigue contando como ejecutado; y OUT emite un carácter, por lo que va en la columna de salida, no en la del ACC. "Indique el efecto de cambiar LDD 10 a LDM #10": el ACC contendría el número 10 en lugar del contenido de la dirección 10.

Un desplazamiento lógico 逻辑移位 mueve todos los bits a la izquierda o a la derecha por algún lugar, rellenando las nuevas posiciones con 0.

• desplazamiento a la izquierda en 1 (LSL #1) — los bits se mueven a la izquierda, entra un 0 por la derecha; para un número sin signo esto es × 2.
• desplazamiento a la derecha en 1 (LSR #1) — los bits se mueven a la derecha, entra un 0 por la izquierda; para un número sin signo esto es división entera ÷ 2.

Desplazar $n$ lugares multiplica o divide por $2^{n}$. Ejemplo: 00001011 (11) LSL #1 → 00010110 (22).

Los bits desplazados fuera del extremo se pierden, por lo que la multiplicación solo es correcta mientras esos bits fueran ceros. LSL #2 en el entero de complemento a dos 11001010 da como resultado 00101000: los dos 1s que cayeron por la izquierda han desaparecido, el bit de signo ha cambiado y el resultado ya no es cuatro veces el valor original.

Un desplazamiento aritmético a la derecha mantiene el bit de signo para que un número con signo negativo permanezca negativo. Un desplazamiento cíclico (rotar) introduce el bit que cae de un extremo de nuevo en el otro extremo, por lo que no se pierden bits.

"Muestra el resultado de un desplazamiento aritmético a la derecha de 3 posiciones sobre 10011110": copia el bit de signo en cada posición vacante, 11110011. El mismo desplazamiento aplicado a 01011100 produce 00001011. Un desplazamiento cíclico a la izquierda de 1 sobre 10000110 da como resultado 00001101: el 1 inicial reaparece a la derecha.

La diferencia entre los dos desplazamientos a la derecha es un solo bit. Toma 11110000, que vale 240 si se lee sin signo y $-16$ si se lee con signo. LSR #1 introduce un 0 y produce 01111000 $= 120$, que es la mitad correcta de 240. En cambio, ASR #1 copia el bit de signo y produce 11111000 $= -8$, que es la mitad correcta de $-16$. Ninguno es incorrecto; cada uno reduce a la mitad el valor bajo una interpretación concreta.

Manipulación de bits para monitoreo/control

Los dispositivos embebidos suelen utilizar un único bit 位 de un registro por señal (p. ej., bit $n$ = LED $n$). Mediante una máscara 掩码 — enmascaramiento de bits—, puedes:

• establecer el bit $n$: R = R OR una máscara con el bit $n$ establecido.
• borrar el bit $n$: R = R AND una máscara con el bit $n$ borrado y el resto establecido.
• invertir el bit $n$: R = R XOR una máscara con el bit $n$ establecido.
• comprobar el bit $n$: R AND la máscara, luego verificar si el resultado es distinto de cero.

La manipulación de bits es rápida, consume poca memoria y permite que un solo byte almacene hasta 8 estados encendido/apagado.

En el conjunto de instrucciones del examen, estas operaciones son AND, OR y XOR con una máscara escrita como operando decimal, binario o hexadecimal. Con el ACC conteniendo 10101100:

"Escriba la instrucción que establece el bit menos significativo en 1 y deja los demás sin cambios": OR #1, o OR B00000001. Para desactivar un bit utilice AND con una máscara que tenga un 0 en esa posición y 1s en las demás; para probar un bit, AND con una máscara que tenga un 1 solo en esa posición, luego compare el resultado con cero. En un dispositivo de monitorización, un bit de registro por sensor permite que una sola AND compruebe si un sensor particular está activo, y una OR activa el bit de control de un actuador sin perturbar los demás.

Una pregunta de definición se califica según un texto fijo. Aprende estas definiciones exactamente, y da solo una respuesta.

• Aprenda el ciclo de búsqueda-ejecución en términos de transferencia de registros (PC, MAR, MDR, CIR, ACC) y qué incrementa el PC.
• Nombre la función de cada registro; el bus de direcciones es de un solo sentido, el bus de datos es de doble sentido.
• Distinga los modos de direccionamiento (inmediato, directo, indirecto, indexado) — una pregunta frecuente.
• Explique cómo la velocidad del reloj, el número de núcleos, el tamaño de la caché y la longitud de palabra afectan el rendimiento.
• Para un desplazamiento binario, indique si es lógico o aritmético; un desplazamiento a la izquierda multiplica por 2, un desplazamiento a la derecha divide por 2.

Errores comunes

• Decir que el PC contiene la instrucción actual, o que el MDR contiene una dirección. El PC contiene la dirección de la siguiente instrucción; el MDR contiene datos o una instrucción, nunca una dirección.
• Dejar fuera el incremento del PC en la búsqueda, o ponerlo después de la ejecución. Ocurre tan pronto como la dirección ha sido copiada al MAR.
• Leer LDD 10 como "cargar 10". LDD 10 carga el contenido de la dirección 10; LDM #10 carga el número 10.
• Poner un valor en la columna ACC para CMP o OUT. Una comparación establece una bandera únicamente; una salida va a la columna de salida.
• Decir que una interrupción se maneja "inmediatamente". El procesador termina la instrucción actual y verifica las interrupciones al final del ciclo.
• Usar un desplazamiento lógico a la derecha en un número complementario a dos negativo. Solo un desplazamiento aritmético mantiene el bit de signo.