Apuntes Final PDF - Arquitectura de Computadoras

Eje temático Nº1 B-Introducción a la arquitectura de computadoras. Fundamentos de Arquitecturas de Computadoras Computadoras Digitales: Conceptos Introductorios Las computadoras digit...

Eje temático Nº1 B-Introducción a la arquitectura de computadoras. Fundamentos de Arquitecturas de Computadoras Computadoras Digitales: Conceptos Introductorios Las computadoras digitales son dispositivos electrónicos que procesan información utilizando valores discretos (dígitos) en lugar de continuos. Estos valores son generalmente representados en formato binario (0s y 1s). Las computadoras digitales se componen de varios componentes básicos que trabajan en conjunto para realizar tareas complejas. Arquitectura Von Neumann Sin teoría no hay alegría | Gamificando a Von Neumann (educarex.es) ¿Qué se entiende por concepto de von Neumann? El concepto de von Neumann, también conocido como el modelo de von Neumann o la arquitectura de Princeton, es una arquitectura informática que describe una forma particular de diseñar ordenadores. En este modelo, el ordenador se compone de cuatro partes principales: la unidad de control, la memoria, la unidad aritmética y lógica y la unidad de entrada/salida. Estas cuatro partes están interconectadas por un bus, que es un conjunto de conductores eléctricos que transportan los datos y las instrucciones entre las diferentes partes del ordenador. Los elementos fundamentales de la arquitectura Von Neumann son los siguientes: Unidad central de procesamiento (CPU): la CPU es el "cerebro" de la computadora, responsable de realizar la mayoría de las operaciones aritméticas y lógicas. Contiene a su vez: la unidad de control y la unidad aritmético-lógica. Memoria principal: la memoria principal es donde se almacenan los programas y los datos que se están utilizando actualmente. Es una memoria de acceso aleatorio (lo que comúnmente se conoce como RAM) Puede leer y escribir datos rápidamente... pero se borran cuando se apaga el ordenador. Dispositivos de entrada/salida: estos dispositivos permiten a los usuarios interactuar con la computadora, así como transferir datos dentro y fuera de la misma. Ejemplos de dispositivos de entrada/salida son tanto los periféricos (el teclado, el ratón, la pantalla, la impresora...) como los sistemas de almacenamiento secundario (disco duro, unidades flash...) La arquitectura Von Neumann se basa en el concepto de tener un solo bus de sistema que conecta todos los componentes de la computadora. Un bus es un "conjunto de cables" que conectan todos los componentes de la computadora. Permite la transferencia de datos y señales entre los diferentes componentes. Esta arquitectura ha demostrado ser muy efectiva y sigue siendo la base de la mayoría de las computadoras que usamos hoy en día. La unidad de control se encarga de obtener las instrucciones de la memoria y de ejecutarlas. La memoria almacena las instrucciones y los datos a los que el ordenador necesita acceder. La unidad aritmética y lógica realiza operaciones aritméticas y lógicas sobre los datos. La unidad de entrada/salida se encarga de enviar y recibir datos de dispositivos externos, como teclados, ratones, impresoras y pantallas. Clasificación Las computadoras pueden clasificarse de diversas maneras: Por tamaño: microcomputadoras, minicomputadoras, mainframes, supercomputadoras. Por propósito: de propósito general, de propósito específico. Por capacidad de procesamiento: paralelas, vectoriales, de propósito especial. Las características de la CPU son los atributos y especificaciones técnicas que describen el rendimiento y las capacidades de un procesador de computadora. La evolución desde los tiempos de Von Neumann ha sido descomunal El concepto de von Neumann debe su nombre a John von Neumann, que lo describió por primera vez en 1945. Hardware El hardware es la parte física de la computadora, es decir, todo aquello que se puede tocar, que es tangible: CPU, monitor, teclado, cables y demás elementos que se encuentran dentro de la computadora (circuitos). Desde un punto de vista más técnico, es una serie de dispositivos electrónicos relacionados entre sí, cuya función es controlar las operaciones a realizar, la entrada y la salida de datos de la información. Software Programas y aplicaciones que se ejecutan en la computadora. Firmware Software específico almacenado en hardware, generalmente en memoria ROM, que proporciona control básico para el hardware de la computadora. Parámetros Característicos de las Computadoras Digitales Algunos parámetros importantes incluyen Velocidad del procesador: Medida en ciclos por segundo (Hz). Ancho de banda de memoria: Cantidad de datos que puede ser transferida desde o hacia la memoria en un tiempo determinado. Capacidad de almacenamiento: Cantidad de datos que pueden ser almacenados en los dispositivos de memoria. Número de núcleos: Cantidad de unidades de procesamiento independientes en un procesador. Organización y Arquitectura de un Computador Componentes de un Sistema Computacional Cuando nos referimos a un sistema de cómputo debemos considerar cuatro elementos básicos que lo integran. Un sistema de cómputo es… Tanto el hardware como el software son indispensables para trabajar. Se puede tener la parte física, pero sin las aplicaciones no se haría nada, y viceversa; por eso, ambos se entrelazan. Los datos son unidades o elementos que por sí solos no cumplen función alguna; sólo al ser introducidos por un usuario a la computadora son procesados en un archivo. Hardware El hardware es la parte física de la computadora, es decir, todo aquello que se puede tocar, que es tangible: CPU, monitor, teclado, cables y demás elementos que se encuentran dentro de la computadora (circuitos). Desde un punto de vista más técnico, es una serie de dispositivos electrónicos relacionados entre sí, cuya función es controlar las operaciones a realizar, la entrada y la salida de datos de la información. Procesador (CPU): Realiza operaciones aritméticas y lógicas, ejecuta instrucciones de programas.  Memoria RAM: Almacena temporalmente datos y programas en ejecución. Almacenamiento: Disco duro, SSD, u otros dispositivos para almacenar datos a largo plazo. Tarjeta madre: Conecta y comunica los diferentes componentes del hardware. Tarjeta de video: Procesa gráficos y vídeos. Dispositivos de entrada/salida (E/S): Teclado, ratón, impresoras, pantallas, etc. Software El software es la parte “inteligente” de la computadora; no es tangible, pero indica al hardware lo que debe hacerse, de acuerdo a las instrucciones establecidas. Dicho de otro modo, el software se integra de las aplicaciones (programas) que usamos en la computadora. Hay diferentes tipos de software, desde una clasificación elemental hasta una avanzada. Para propósitos prácticos, se presenta a continuación una en tres grupos. Software de sistema Está integrado por un conjunto de programas y rutinas que controlan la operación y funcionamiento del hardware y otras aplicaciones. Para cada tipo de computadora o CPU existe un tipo de software de sistema. A la integración del hardware con el software de sistema se le conoce como plataforma de sistema de cómputo. Ej: windows,linux. El software de sistema permite a los usuarios controlar, entre otros componentes, los siguientes: 1. Dispositivos de almacenamiento secundario. 2. Dispositivos periféricos de entrada y salida. 3. Gestión y organización de archivos. 4. Sistemas de diagnóstico y protección. 5. Utilerías de recuperación y mantenimiento. Software de Aplicación: Programas diseñados para realizar tareas específicas. Ejemplos: Microsoft Office, navegadores web, editores de imágenes. Datos: Información utilizada y procesada por el sistema: Puede incluir documentos, bases de datos, archivos multimedia, etc. Usuarios: Personas que interactúan con el sistema: A través de interfaces de usuario, comandos, o programas. Estos componentes trabajan en conjunto para permitir que un sistema computacional funcione de manera efectiva y realice diversas tareas. Es importante destacar que la composición exacta puede variar según el propósito y la configuración específica de cada sistema. Definiciones y Terminología Ciclo de Instrucción: Secuencia de pasos que realiza la CPU para ejecutar una instrucción. Pipeline: Técnica que permite que múltiples instrucciones sean superpuestas en ejecución. Overclocking: Incremento de la frecuencia de reloj de la CPU más allá de sus especificaciones oficiales. Interfaz Hardware/Software La interfaz entre hardware y software se realiza mediante el uso de sistemas operativos y controladores que permiten que el software controle el hardware de manera eficiente. Historia y Evolución de los Computadores La evolución de los computadores ha pasado por varias generaciones: Primera Generación (1940-1956): Utilizaban tubos de vacío y eran grandes y costosas. Segunda Generación (1956-1963): Basadas en transistores, más pequeñas y eficientes. Tercera Generación (1964-1971): Uso de circuitos integrados, mejor rendimiento y menor tamaño. Cuarta Generación (1971-presente): Microprocesadores, computadoras personales y el desarrollo de las computadoras en red. Quinta Generación (futuro): Computación cuántica e inteligencia artificial avanzada. Ley de Moore La Ley de Moore, formulada por Gordon Moore en 1965, postula que el número de transistores en un chip de silicio se duplica aproximadamente cada dos años, lo que implica un aumento exponencial en la capacidad de procesamiento y una reducción en el costo por transistor. Esta observación ha sido una fuerza impulsora en la industria de los semiconductores, aunque en los últimos años, se ha observado una ralentización debido a limitaciones físicas y económicas. Estructura y Funcionamiento del Computador La estructura de un computador se basa en la interacción de sus componentes principales: CPU: Realiza operaciones aritméticas y lógicas, y controla el flujo de datos. Memoria: Almacena datos e instrucciones necesarias para la ejecución de programas.  Bus: Sistema de comunicación que transfiere datos entre los componentes del computador. Dispositivos de I/O: Permiten la entrada y salida de datos. El funcionamiento del computador se puede desglosar en los siguientes pasos: Fetch: La CPU obtiene una instrucción de la memoria. Decode: La instrucción se decodifica para entender qué acción realizar. Execute: La CPU ejecuta la instrucción. Store: El resultado se almacena en la memoria o en un registro. Historia de Computadores La historia de las computadoras es rica y variada, comenzando con dispositivos mecánicos simples como el ábaco y evolucionando hasta las sofisticadas máquinas electrónicas de hoy. Algunos hitos importantes incluyen: Máquina de Diferencias de Charles Babbage: Considerada una de las primeras formas de un computador. ENIAC: Uno de los primeros computadores electrónicos de propósito general. IBM PC: Lanzado en 1981, popularizó el uso de computadoras personales. Diseño para Conseguir Mejores Prestaciones El diseño de computadoras para mejorar sus prestaciones incluye varias estrategias: Paralelismo: Uso de múltiples procesadores o núcleos para ejecutar tareas simultáneamente. Optimización del Pipeline: Mejora en la técnica de pipeline para aumentar la eficiencia del procesamiento de instrucciones. Cache Memory: Utilización de memoria cache para reducir el tiempo de acceso a datos frecuentemente usados. Arquitectura de Conjunto de Instrucciones (ISA): Diseño de conjuntos de instrucciones eficientes para optimizar el rendimiento del hardware. Tecnologías de Interconexión: Mejora de los buses y otros medios de comunicación dentro del sistema computacional. Eje Temático Nº2 - A Componentes del computador Funcionamiento del computador Sobre la estructura descrita, el computador ejecuta operaciones complejas mediante un encadenamiento lógico (programa) de un repertorio finito de operaciones simples, denominadas instrucciones. Una instrucción es un código binario que se interpreta por parte del procesador y da lugar a una serie predeterminada de operaciones elementales o microoperaciones. A su vez, una microoperación es una transferencia entre registros o entre registros y memoria, u operación aritmética, lógica o de desplazamiento efectuada sobre los datos en la ALU, y que tiene la particularidad de efectuarse en un solo ciclo de reloj. Las microoperaciones se describen mediante la notación de Nivel de Transferencia de Registro (RTL, Register Transfer Level), que utiliza un conjunto de expresiones y sentencias particulares. Así, por ejemplo, la transferencia de datos de un registro a otro será: B←A y significa que el contenido del registro A (fuente) se copia en el B (destino). El contenido del registro fuente no cambia A nivel circuital, la transferencia implica la activación de la señal de lectura de A y de escritura de B durante un pulso de reloj. Registros del Procesador La función de los registros de uso específico es: Contador de Programa (PC, Program Counter): contiene la dirección de memoria de la instrucción en curso y se incrementa o modifica apuntando a la dirección de la próxima. Registro de Instrucción (IR, Instruction Register): contiene el valor binario de la instrucción en curso, para ser decodificado y secuenciado por la UC. Puntero de pila (SP, Stack pointer): apunta a la dirección tope de la pila en memoria (utilizada en la ejecución de subrutinas e interrupciones). Registro Índice (IX, Index Register): utilizado en operaciones que requieren indexación, como el uso de tablas. Además de estos, existen otros registros no visibles al programador: Registro de Direcciones (MAR, Memory Adress Register), que contiene la dirección actual de memoria; Registro de Datos (MBR, Memory Buffer Register) que almacena el dato a ser escrito en la memoria o el leído de ésta), Registros temporales (T1 y T2), que almacenan los datos a operar en la ALU. Tipos de Interrupciones Un programa consiste en la ejecución secuencial de sus instrucciones. Sin embargo, existe un mecanismo que permite alterar el procesamiento normal de la CPU, denominado interrupción. Las interrupciones pueden originarse en varias fuentes: Como resultado de una ejecución de una instrucción Ejemplo: desbordamiento aritmético (“overflow”), división por cero Por un temporizador interno del procesador. Ejemplo: funciones regulares realizadas por el Sistema Operativo. Por una operación de E/S. Ejemplo: para indicar la finalización normal de una operación. Por un fallo de hardware. Ejemplo: error de paridad en la memoria, pérdida de energía Estructura de Interconexión Un computador está constituido por un conjunto de unidades o módulos de tres tipos elementales(procesador, memoria, E/S) que se comunican entre sí. En efecto, un computador es una red de módulos elementales. Por consiguiente, deben existir líneas para interconectar estos módulos. El conjunto de líneas que conectan los diversos módulos se denomina estructura de interconexión. El diseño de dicha estructura dependerá de los intercambios que deban producirse entre los módulos. Memoria a procesador: el procesador lee una instrucción o un dato desde la memoria. Procesador a memoria: el procesador escribe un dato en memoria E/S a procesador: Este lee datos de un dispositivo de E/S a través de un módulo de E/S. Procesador a E/S: el procesador envía datos a un módulo de E/S. Memoria a E/S y viceversa: Un módulo de E/S puede intercambiar datos directamente con la memoria, sin tener que pasar a través del procesador, utilizando acceso directo a memoria(DMA, Direct Memory Access). Interconexion con buses Un bus es un camino de comunicación entre dos o más dispositivos. Se trata de un medio de transmisión compartido. Al bus se conectan varios dispositivos, y cualquier señal transmitida por uno de estos dispositivos está disponible para que los otros dispositivos conectados al bus puedan acceder a ella. Los computadores poseen diferentes tipos de buses que proporcionan comunicación entre sus componentes a distintos niveles dentro de la jerarquía del sistema. El bus que conecta los componentes a distintos niveles dentro de la jerarquía del sistema. El bus que conecta los componentes principales del computador (procesador, memoria, E/S) se denomina bus del sistema. El bus del sistema está constituido por entre cincuenta y cien líneas. A cada línea se le asigna un significado o una función particular. Las líneas se pueden clasificar en tres grupos: Direcciones: Identifica la fuente o destino de un dato en la memoria o en los puertos de E/S. El ancho del bus de direcciones determina la máxima capacidad de memoria posible en el sistema. Por ejemplo, un bus de 16 bits define un espacio para direcciones de 216 = 64K posiciones. Datos: Transmite datos propiamente dichos o instrucciones. El ancho del bus de datos determina las prestaciones del sistema. Por ejemplo, si se utiliza un bus de 8 bits y se debe operar un dato de 16 bits, serán necesarios dos accesos a la memoria. Control: Transmite información de control y temporización. Señal de escritura/lectura en memoria y en dispositivos de E/S Petición y reconocimiento de interrupción; petición y cesión de bus. Señales de reloj. Eje temático Nº4 - A Unidad Aritmetico Logica La ALU es la parte del computador que realiza realmente las operaciones aritméticas y lógicas con los datos. El resto de los elementos del computador(unidad de control, registros, memoria, E/S) están principalmente para suministrar datos a la ALU, a fin de que esta los procese y para recuperar los resultados. Con la ALU llegamos al estudio de lo que puede considerarse el núcleo o esencia del computador. Eje temático Nº4 B Una instrucción es la unidad mínima de un programa informático. Indica a la CPU qué operación debe realizar con los datos. Las instrucciones se codifican en un lenguaje de máquina, que es un conjunto de códigos binarios que la CPU puede entender. Programa Ensamblador El programa llamado Ensamblador toma el código fuente y lo traduce a un código máquina. Para esto, realiza los siguientes pasos: Resuelve las directivas dirigidas al Ensamblador. Calcula el tamaño de cada una de las instrucciones, y en base a ello resuelve los valores de las etiquetas. Traduce todas las instrucciones a ceros y unos de acuerdo al formato de la instrucción. Elementos de una instrucción Código de operación (CodOp) Especifica la operación a realizar (suma, E/S, etc.) Dirección de la siguiente instrucción Indica a la CPU de donde captar la siguiente instrucción tras completarse la ejecución de la instrucción actual. Referencia a operandos fuente La operación puede implicar uno o más operandos fuente, que son entradas para la instrucción. Referencia al operando resultado: La operación puede producir un resultado, salida de la instrucción Los operandos pueden ser un registro, una posición de memoria, o un dispositivo de E/S. Las referencias a cualquiera de ellos se denomina dirección. ¿Cuántas direcciones por instrucción? Menos direcciones CPU menos compleja Instrucciones más cortas y simples Más instrucciones por programa Rápidas instrucciones de captación/ejecución de instrucciones Más direcciones Instrucciones más complejas y largas Permite disponer de un mayor número de registros de uso general Las operaciones realizadas Inter registros son más rápidas Menos instrucciones por programa Por razones de flexibilidad y facilidad para utilizar varios registros, las máquinas contemporáneas emplean una combinación de dos y de tres direcciones. Existen 4 instrucciones, las cuales son: -Procesamiento de datos: instrucciones aritméticas y lógicas -Almacenamiento de datos: instrucciones de memoria -Transferencia de datos: instrucciones de E/S -De control: instrucciones de comprobación y bifurcación. La CPU realiza una secuencia regular, que se repite hasta finalizar el programa, denominada ciclo de instrucción: Trae la instrucción desde la memoria Realiza el procesamiento correspondiente a la instrucción específica. Esto permite subdividir cada instrucción en al menos dos partes básicas: 1. Un ciclo de búsqueda o captación (fetch). 2. Un ciclo de ejecución. El ciclo de instrucción generalmente consta de tres etapas principales: A) Búsqueda (Fetch) 1. Descripción: La CPU recupera la instrucción desde la memoria principal (RAM). 2. Pasos clave: ○ El contador de programa (PC, Program Counter) contiene la dirección de memoria de la próxima instrucción a ejecutar. ○ Esa dirección se envía al bus de direcciones y la memoria devuelve el contenido de esa ubicación al procesador. ○ La instrucción recuperada se guarda en el registro de instrucciones (IR, Instruction Register). 3. Resultado: Ahora la CPU tiene la instrucción lista para ser procesada. B) Decodificación (Decode) 1. Descripción: La instrucción recuperada se analiza para determinar qué operación debe realizarse y qué operandos se necesitan. 2. Pasos clave: ○ La unidad de control (CU, Control Unit) interpreta los bits de la instrucción almacenada en el IR. ○ Si la instrucción requiere operandos adicionales (por ejemplo, direcciones o valores específicos), se determinan en esta etapa. ○ Se configuran los circuitos internos para ejecutar la operación. 3. Resultado: La CPU comprende qué debe hacer y cómo hacerlo. C) Ejecución (Execute) 1. Descripción: La CPU lleva a cabo la operación indicada por la instrucción. 2. Pasos clave: ○ Si es una operación aritmética o lógica, se realiza en la Unidad Aritmético-Lógica (ALU). ○ Si es una operación de memoria, como leer o escribir, se realiza el acceso a la memoria. ○ Si es una operación de control, como un salto, se actualiza el contador de programa (PC). 3. Resultado: La operación se completa, y la CPU está lista para proceder con la siguiente instrucción. Secuencia General 1. Inicio: El procesador comienza con el ciclo de búsqueda.  2. Capta la instrucción: Lee desde memoria. 3. Ejecuta la instrucción: Procesa y completa la tarea asignada. 4. Repite: Vuelve al paso 1 hasta que no haya más instrucciones o se encuentre una orden de parada. Repertorio de instrucciones y modos de direccionamiento El repertorio de instrucciones determina el conjunto de operaciones que la CPU puede realizar y la forma en que se pueden realizar. Los modos de direccionamiento son distintas formas en que una misma operación puede ejecutarse para reducir el número de bits de la instrucción o hacer un manejo más eficiente de los datos. Por lo tanto, una misma operación puede dar lugar a varias instrucciones, con un modo de direccionamiento diferente: Inmediato Directo Indirecto Registro Indirecto con registro Con desplazamiento (Indexado) Pila Direccionamiento Inmediato Este modo puede utilizarse para definir y utilizar constantes, o para fijar valores iniciales de variables. Normalmente el número se almacena en complemento a dos; el bit más a la izquierda del campo operando se utiliza como bit de signo. El operando está presente en la propia instrucción: ‒ Operando = A ‒ E.j. ADD 5 ‒ Suma 5 al contenido del acumulador Rápido / muy sencillo Ventaja: Una vez captada la instrucción, no se requiere una referencia a memoria para obtener el operando; se ahorra un ciclo de memoria en el ciclo de instrucción. Desventaja: Rango limitado. Tamaño del número limitado a la longitud del campo de direcciones, que es pequeño comparado con la longitud de la palabra. Direccionamiento directo El campo de direcciones contiene la dirección efectiva del operando EA = A P.ej., ADD A Busca en memoria la dirección A para el operando Sólo requiere una referencia a memoria No necesita ningún cálculo especial Espacio de direcciones restringido Direccionamiento indirecto Espacio de direccionamiento grande. Si longitud de la palabra = N bits, se dispone de un espacio de 2N direcciones. Desventajas: La ejecución de la instrucción requiere dos referencias a memoria para captar el operando: una para captar su dirección y otra para obtener su valor. Lento. Direccionamiento registro El campo de direcciones referencia un registro, en lugar de una dirección de memoria principal. EA = R Un campo de direcciones que referencia a registros consta de 3 o 4 bits, à pueden referenciarse un total de 8 o 16 registros de uso general Es necesario un campo pequeño de direcciones en la instrucción No se requieren referencias a memoria Ejecución muy rápida Desventaja: Espacio de direcciones muy limitado Las CPU modernas emplean múltiples registros de uso general. Direccionamiento indirecto con registro Es análogo al indirecto EA = (R) El operando está en una celda de memoria referenciada mediante el contenido del Registro R La limitación del espacio se supera haciendo que R se refiere a una posición de palabra completa (un registro), que contenga la dirección. Emplea una referencia menos a memoria que el direccionamiento indirecto. Direccionamiento con desplazamiento Modo muy potente: combina direccionamiento directo e indirecto con registro. EA = A + (R) Requiere que las instrucciones tengan dos campos de direcciones, al menos uno de ellos es explícito. A = valor base, se utiliza directamente R = registro que contiene el desplazamiento, cuyo contenido se suma a A para obtener la dirección efectiva. Viceversa Tiene tres versiones:  Relativo Con registro base indexado Direccionamiento de pila Pila: Matriz lineal de posiciones Los elementos se añaden en la cabecera. La pila tiene asociado un puntero, cuyo valor es la dirección de la cabecera o tope de la pila. El puntero de pila se mantiene en un registro. El operando está (implícitamente) en el tope de la pila. Son de hecho, direcciones de acceso indirecto con registro. Las instrucciones máquina no necesitan incluir una referencia a memoria, operan implícitamente con la cabecera de la pila. Bastante comunes en microprocesadores. Unidad Central de Procesamiento (CPU) Una CPU está compuesta por: Un conjunto de Registros de uso general, en el que se almacenan temporalmente los datos que están siendo procesados, y otros de uso específico, con información utilizada para la interrelación entre los componentes); Una Unidad Aritmético Lógica (ALU), en la que se realizan las operaciones entre los datos; Una Unidad de Control, que decodifica las instrucciones del programa y en combinación con un circuito generador de señales temporales, genera las señales de control para los componentes anteriores Eje temático Nº4 - C ¿Qué es la arquitectura RISC? RISC es un acrónimo de Reduced Instruction Set Computing (conjunto reducido de instrucciones). Es un tipo de arquitectura de microprocesador que utiliza un conjunto de instrucciones pequeño y altamente optimizado, en lugar de un conjunto de instrucciones más complejo y versátil. Este enfoque puede suponer una serie de ventajas, como un mayor rendimiento, un menor consumo de energía y una reducción de costes. ¿Qué concepto representa la base de la arquitectura von Neumann? Este concepto es la base de la arquitectura de von Neumann. Es la idea de que los datos y el código pueden almacenarse en la misma memoria. También conocido como programa almacenado, este concepto puede ser descrito. c-Arquitectura Avanzada El pipeline es una técnica que divide la ejecución de instrucciones en varias etapas independientes, permitiendo que múltiples instrucciones se procesan de manera simultánea. Microinstrucción: Cada ciclo de instrucción se puede dividir en unidades más pequeñas. Una división común de estos ciclos incluye subciclos como la captación (fetch), el ciclo indirecto, la ejecución (execute) y la interrupción (interrupt). Sin embargo, en la mayoría de los casos solo se ejecutan los subciclos de captación y ejecución en un ciclo de instrucción típico. La captación es el proceso en el que el procesador lee la instrucción desde la memoria, y la ejecución es donde se realiza la operación indicada por la instrucción, como una suma o una carga de datos. Para diseñar una unidad de control eficaz, es necesario profundizar más en estos ciclos. Cómo se aborda en la segmentación de procesadores, cada uno de estos ciclos principales puede descomponerse aún más en pasos más pequeños que involucran registros y otras operaciones del procesador. Estos pasos pequeños, que son operaciones de bajo nivel que afectan a los registros y realizan tareas simples, se conocen como microoperaciones. El prefijo "micro" denota que cada operación es muy simple y realiza una acción pequeña dentro de un ciclo o subciclo mayor. Por ejemplo, en el subciclo de captación, una microoperación podría ser leer una instrucción de la memoria, y en el subciclo de ejecución, una microoperación podría ser realizar una suma en la ALU. Una unidad de control microprogramada es un componente dentro de un procesador o unidad central de procesamiento (CPU) que gestiona la ejecución de las instrucciones de un programa mediante un conjunto de microinstrucciones. Su función es coordinar y controlar el flujo de datos y las operaciones que realiza la computadora, decodificando las instrucciones de alto nivel y convirtiéndolas en señales de control de bajo nivel que afectan a las unidades funcionales del sistema (como el ALU, registros, memoria, etc.). En lugar de usar circuitos lógicos fijos como en las unidades de control tradicionales, una unidad de control microprogramada utiliza una memoria especial llamada memoria de control para almacenar las microinstrucciones. Estas microinstrucciones controlan el comportamiento de la CPU y se ejecutan secuencialmente, permitiendo una mayor flexibilidad y facilidad de modificación en el diseño. La memoria de control contiene un conjunto de microinstrucciones que definen el comportamiento de la unidad de control del procesador. Estas microinstrucciones son instrucciones de bajo nivel que controlan cómo interactúan las diferentes partes del procesador, como los registros, la ALU (unidad aritmético-lógica) y la memoria. El registro de dirección de control es el encargado de almacenar la dirección de la siguiente microinstrucción a leer de la memoria de control. Cuando el procesador ejecuta una instrucción, este registro indica cuál es la microinstrucción que debe leer a continuación. Una vez que se lee una microinstrucción desde la memoria de control, esta se transfiere a un registro intermedio de control, que es el responsable de generar las señales de control necesarias para la ejecución de la instrucción. Estas señales de control son las que permiten a las diferentes unidades del procesador realizar las acciones correspondientes. La parte izquierda del registro intermedio de control se conecta a las líneas de control que salen de la unidad de control, lo que significa que, al leer una microinstrucción, se ejecuta de inmediato. La unidad lógica de secuenciamiento es otro componente importante que se encarga de cargar el registro de dirección de control con la nueva dirección de la microinstrucción siguiente y de emitir una orden de lectura para que la memoria de control lea la próxima microinstrucción. El proceso de ejecución se lleva a cabo en un ciclo de reloj, lo que asegura que todas las acciones se realicen de manera sincronizada.