Introducción de ALU y ruta de datos – Part 1

Representar y almacenar números era la operación básica de las computadoras de épocas anteriores. La verdadera oportunidad llegó cuando el cálculo, la manipulación de números como sumar, multiplicar, entró en escena. Estas operaciones son manejadas por la unidad lógica aritmética (ALU) de la computadora . La ALU es el cerebro matemático de una computadora. La primera ALU fue INTEL 74181 implementada como una serie 7400 es un circuito integrado TTL que se lanzó en 1970. 

La ALU es un circuito digital que proporciona operaciones aritméticas y lógicas. Es el bloque de construcción fundamental de la unidad central de procesamiento de una computadora. Una CPU moderna tiene una ALU muy potente y tiene un diseño complejo. Además de ALU, la CPU moderna contiene una unidad de control y un conjunto de registros. La mayoría de las operaciones son realizadas por una o más ALU, que cargan datos desde el registro de entrada. Los registros son una pequeña cantidad de almacenamiento disponible para la CPU. Se puede acceder a estos registros muy rápido. La unidad de control le dice a ALU qué operación realizar con los datos disponibles. Después del cálculo/manipulación, la ALU almacena la salida en un registro de salida. 

La CPU se puede dividir en dos secciones: la sección de datos y la sección de control. La sección DATA también se conoce como la ruta de datos. AUTOBÚS: En las primeras computadoras, «BUS» eran cables eléctricos paralelos con múltiples conexiones de hardware. Por lo tanto, un bus es un sistema de comunicación que transfiere datos entre componentes dentro de una computadora o entre computadoras. Incluye componentes de hardware como cables, fibras ópticas, etc. y software, incluidos los protocolos de comunicación. Los registros, la ALU y el BUS de interconexión se denominan colectivamente rutas de datos. 

Los tipos de autobús son: 
 

1. Bus de dirección: Los buses que se utilizan para llevar la dirección. 
    
2. Bus de datos: Los buses que se utilizan para transportar datos. 
    
3. Bus de control: si el bus lleva señales de control. 
    
4. Bus de alimentación: si lleva impulsos de reloj, las señales de alimentación se conocen como bus de alimentación, y así sucesivamente. 
    

El bus puede ser dedicado, es decir, puede usarse para un solo propósito o puede multiplexarse, es decir, puede usarse para múltiples propósitos. Cuando tengamos diferentes tipos de autobuses, se llevarán a cabo diferentes tipos de organizaciones de autobuses. 
 

• Contador de programa: 
  un contador de programa (PC) es un registro de la CPU en el procesador de la computadora que tiene la dirección de la próxima instrucción que se ejecutará desde la memoria. A medida que se recupera cada instrucción, el contador del programa aumenta su valor almacenado en 1. Es un contador digital necesario para una ejecución más rápida de las tareas, así como para rastrear el punto de ejecución actual. 

   

• Registro de instrucciones: 
  en informática, un registro de instrucciones (IR) es la parte de la unidad de control de una CPU que contiene la instrucción que se está ejecutando o decodificando actualmente. Un registro de instrucción es la parte de la unidad de control de la CPU que contiene la instrucción que se está ejecutando o decodificando actualmente. El registro de instrucciones contiene específicamente la instrucción y la proporciona al circuito decodificador de instrucción. 

   

• Registro de direcciones de memoria: 
  el registro de direcciones de memoria (MAR) es el registro de la CPU que almacena la dirección de memoria desde la que se obtendrán los datos de la CPU o la dirección a la que se enviarán y almacenarán los datos. Es un componente de almacenamiento temporal en la CPU (unidad central de procesamiento) que almacena temporalmente la dirección (ubicación) de los datos enviados por la unidad de memoria hasta que se ejecuta la instrucción para los datos en particular. 

   

• Registro de datos de 
  memoria: el registro de datos de memoria (MDR) es el registro en el procesador de una computadora, o unidad central de procesamiento, CPU, que almacena los datos que se transfieren hacia y desde el almacenamiento de acceso inmediato. El registro de datos de memoria (MDR) también se conoce como registro de búfer de memoria (MBR). 

   

• Registro de propósito 
  general: los registros de propósito general se utilizan para almacenar datos temporales dentro del microprocesador. Es un registro polivalente. Pueden ser utilizados por un programador o por un usuario.

Organización de un solo autobús: 

En una organización de bus, un solo bus se utiliza para múltiples propósitos. Un conjunto de registros de propósito general, contadores de programas, registros de instrucciones, registros de direcciones de memoria (MAR), registros de datos de memoria (MDR) están conectados con el bus único. La lectura/escritura de memoria se puede realizar con MAR y MDR. El programa hace un contrapunto a la ubicación de la memoria desde donde se va a buscar la siguiente instrucción. El registro de instrucción es ese mismo registro que contendrá la copia de la instrucción actual. En el caso de una organización de bus, a la vez solo se puede leer un operando del bus. 

Como resultado, si el requisito es leer dos operandos para la operación, entonces la operación de lectura debe realizarse dos veces. Es por eso que está haciendo que el proceso sea un poco más largo. Una de las ventajas de la organización de un autobús es que es una de las más sencillas y además es muy económica de implementar. Al mismo tiempo, una desventaja radica en que solo tiene un bus y a este «un bus» acceden todos los registros de uso general, contador de programa, registro de instrucciones, MAR, MDR, lo que hace que todas y cada una de las operaciones sean secuenciales. Nadie recomienda esta arquitectura hoy en día. Dos organizaciones de autobuses: 
Para superar la desventaja de la organización de un bus, se desarrolló otra arquitectura conocida como organización de dos buses. En dos organizaciones de autobuses, hay dos autobuses. El registro de propósito general puede leer/escribir desde ambos buses. En este caso, se pueden obtener dos operandos al mismo tiempo debido a los dos buses. Un operando de búsqueda de bus para ALU y otro de búsqueda de bus para registro. La situación surge cuando ambos buses están ocupados obteniendo operandos, la salida se puede almacenar en un registro temporal y cuando los buses están libres, la salida particular se puede volcar en los buses. 

Hay dos versiones de dos organizaciones de autobuses, es decir, en el autobús y fuera del autobús. Desde el bus de entrada, el registro de uso general puede leer datos y hacia el bus de salida, los registros de uso general pueden escribir datos. Aquí los autobuses se dedican. 

Organización de 
tres buses: en las organizaciones de tres buses, tenemos tres buses, OUT bus1, OUT bus2 y IN bus. Desde los buses de salida, podemos obtener el operando que puede provenir del registro de propósito general y evaluarse en ALU y la salida se coloca en el bus de entrada para que pueda enviarse a los registros respectivos. Esta implementación es un poco compleja pero de naturaleza más rápida porque en paralelo dos operandos pueden entrar y salir de ALU. Fue desarrollado para superar el problema de «espera ocupada» de dos organizaciones de autobuses. En esta estructura, después de la ejecución, la salida se puede colocar en el bus sin esperar debido a la presencia de un bus adicional. La estructura se muestra a continuación en la figura. 

Las principales ventajas de las organizaciones de autobuses múltiples sobre el autobús único se detallan a continuación. 
 

1. Aumento del tamaño de los registros. 
    
2. Reducción del número de ciclos de ejecución. 
    
3. Aumenta la velocidad de ejecución o podemos decir ejecución más rápida.