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Pr. Dr. Xavier Bonnaire


Temario

● Introducción● Registros● Multiplexores● Codificadores y Decodificadores● Archivos de Registros● Unidad Aritmética● Memorias


Introducción

● Componentes Digital Estructurados– Bloques estructurados– Se construyen a partir de componentes simples o atómicos– Proveen mayores funcionalidades que los bloques simples

● Componentes Atómicos– Compuertas Lógicas

● AND, OR, NOT, NAND, NOR, XOR, ...

– Flip-Flops● T, D, J-K, ...


Introducción

● Componentes Estructurados que se usan extensivamente en Arquitectura– Registros– MUX– Archivos de Registros– ALU– Memorias

● Antes de analizar en detalle cada uno de estos bloques, es necesario incorporar una compuerta llamada de Tercer Estado


Modelo de una Compuerta

● Una Compuerta se puede modelar con Switches

EntradaEntrada

Salidaen uno Salida

en cero

+5Volts +5Volts


Discusión

● Una compuerta normal solo puede estar en dos estados: 0 o 1

● No se puede hacer la siguiente conexión:

x


Compuerta de Tercer Estado

● Es necesario agregar un switch adicional

Salida en Tercer Estado

Control de Tercer Estado

+5Volts

Entrada



Salida en Uno


+5Volts

Entrada



Salida en Cero


+5Volts

Entrada



● Representación de una Compuerta de Tercer Estado

Z

● Si Z=0 se comporta como una compuerta normal● Si Z=1 se comporta como si non existiera



● ¿Para que sirve?– Para formar buses o barras de interconexiones



Registros

● Los Registros constituyen el bloque el más importante de un computador

● Conceptualmente un registro– Es una memoria muy rápida que permite almacenar una palabra

(32b o 64b)– En arquitectura rige el principio: más pequeño, más rápido– Existen registros seriales y paralelos.

● La unidad básica de un registro es el Flip-Flop tipo D

D

cp

Q

Q

D Qn+1

0 01 1


Registros Paralelos

D

cp

Q

Q

D

cp

Q

Q

D

cp

Q

Q

Carga

Entradas

Salidas

E0 E1 En-1

S0 S1 Sn-1


Registros Paralelos - Representación

● Las salidas incorporan compuertas de tercer estado para formar buses de interconexión

n

n

Entradas

Salidas

Carga


Interconexión de Registros

● Cada registro tiene una entrada de control que habilita el tercer estado

● Sólo un registro puede tener sus salidas activas

R1 R2 Rn


Registro Serial – Estructura Interna

D

cp

Q

Q

D

cp

Q

Q

D

cp

Q

Q

Entrada Salida

Carga


Registro Serial – Representación

Entrada Salida

1 1

SHIFT

0 1 0 0 1

1 0 1 ? 0

1

1SHIFT


Multiplexores

● Un Multiplexor o MUX es un circuito combinacional que permite seleccionar alguna de sus entradas

● Los MUX son intensamente utilizados en Arquitecturas porque seleccionan flujos de información entre distintos registros

● Un MUX de m entradas, tiene una salida y log2m líneas de control


El Multiplexor

Entradas

Salida

MUX

Control


El Multiplexor - Representación

n

S

Líneas de Control

0

1

2

2n-1


Codificadores - Decodificadores

● Un Decodificador– Es un sistema que convierte un número binario en un número

decimal– La salida decimal consiste en un conjunto de líneas, cada una de

las cuales tiene como rótulo un número decimal

● Un Codificador– Es un sistema que convierte un número decimal en un número

binario



Decodificador

b0b1b2

D0D1D2D7

010

0010



Codificador

b0b1b2

D0D1D2D7

0010

010


Algo inútil

Codificador

Decodificador


Archivo de Registros

● Un Archivo de Registros– Es un una colección de registros paralelos que están organizados

de forma tal que actúan como memoria rápida– Las salidas paralelas convergen a dos MUX paralelos permitiendo

la salida simultánea de dos registros– El número de registros varia entre 16, 32 y 64. – El Archivo de Registro constituye un importante elemento en el

llamado Camino de Datos del Procesador


Archivo de Registros – Estructura Interna

Registro 0

Registro 1

Registro 2

Registro n-1

MUX

MUX

Salida 1

Salida 2

Control / Selección

Control / Selección


Archivo de Registros – Estructura Interna

Decodificadorn a 1

D

cp

Q

Q

D

cp

Q

Q

D

cp

Q

QD

cp

Q

Q

D

cp

Q

Q

D

cp

Q

Q

D

cp

Q

Q

D

cp

Q

Q

D

cp

Q

QDatos de Entrada

EscribirLínea de Control

Registros

Selecciónde registro


Unidades Aritméticas

● ALU – Arithmetic and Logic Unit– junto con el Archivo de registros, constituyen los elementos mas

importantes del llamado camino de datos de un procesador– Es un Circuito Combinacional

● Es decir, no tiene memoria

– Se diseñan para lograr buen desempeño● Es decir, tiempos cortos de sumas


Estructura de una ALU

● Estructura de una ALU de 1 bit

+

0

1

2

A

B 0

1

Not BOperation Select

Result

Carry Out

Carry In

MUX

MUX


ALU de 32 Bits

ALU 0A0B0

Result 0

Cin Operation

Cout

ALU 1A1B1

Result 0

Cout

ALU 31A31B31

Result 0

Overflow

Not B

Zero?


ALU Representación

A

B

Operation

Carry Out

Zero

Result

Overflow

ALU


Memorias

● Los registros y archivos de registros constituyen bloques básicos para memorias pequeñas.

● Las memorias de mayor tamaño se construyen con – SRAM (RAM estática)– DRAM (RAM dinámica)


RAM Estática

● La RAM estática son circuitos integrados formados por arreglos de memoria.

● La RAM estática proporciona un tiempo fijo de acceso a cada Byte almacenado.

● Cada bit se almacena en un Flip-Flop. Mientras tenga energía la información se mantiene

● La siguiente transparencia muestra una SRAM de 32KB


RAM Estática

SRAM32x8B

8Salida

Dirección

Entrada

Chip select

Output enable

Write enable

15

1

1

1

8

FLIP- FLOP


RAM Dinámica

● Cada celda de una RAM estática está formada por un Flip-Flop.

● Un Flip-Flop necesita como mínimo 4 transistores para su construcción.

● La memoria DRAM permite almacenar bits usando la carga de un condensador y un switch para cargar y descargar.

● Como un switch se puede construir con solo un transistor, se logra un ahorro importante que se traduce en menor costo y mayor densidad de bits


Celda de RAM Dinámica

● Como el condensador se descarga por la resistencia, es necesario refrescar periódicamente esta memoria. Este refresco disminuye el tiempo efectivo de acceso

C R

Switch Electrónico

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