Fundamentos de la Arquitectura MIPS: Componentes, Programa Almacenado y Conjunto de Instrucciones

Arquitectura MIPS: Componentes Fundamentales

La arquitectura MIPS se compone de varios elementos esenciales que permiten el procesamiento de instrucciones y datos:

• Contador de Programa (PC): Almacena la dirección de memoria de la próxima instrucción a ejecutar. Consta de 32 bits.
• Unidad de Control: Sirve para dirigir y sincronizar el correcto funcionamiento del camino de datos. Controla la ejecución, la cual indica a la Unidad Aritmético-Lógica (ALU) qué operación se realizará.
• Unidad Aritmético-Lógica (ALU): Se encarga de calcular las operaciones aritmético-lógicas y de acceso a memoria (lectura o escritura). Puede gestionar saltos (branch) y esta unidad aritmético-lógica se encarga de medirlos.
• Registros: Ayudan al procesador a ejecutar las instrucciones. Se guarda la dirección de memoria que se leerá. No se guardan los datos como tal que resultan de los programas, sino algunos datos para optimizar cierto programa. Es una memoria muy rápida.
• Memoria de Datos: Se encarga de guardar los datos de procesamiento, es decir, datos de programas.
• Memoria de Instrucciones: Esta contiene direcciones y líneas de código de nuestro programa. Tiene una única salida.

El Concepto de Programa Almacenado

Según von Neumann, la clave para construir una máquina de propósito general es poder almacenar no solo los datos y los resultados intermedios de una computación, sino también las instrucciones que definen el procedimiento de computación.

En una máquina de propósito específico, el procedimiento puede ser parte de la máquina. Sin embargo, en una máquina de propósito general, cambiar las instrucciones tiene que ser tan fácil como cambiar los datos sobre los que actúan. La solución es codificar las instrucciones de forma numérica y guardarlas junto con los datos en la misma memoria. Este es el concepto de programa almacenado.

Conjunto de Instrucciones

Para darle órdenes al hardware de una computadora, debemos hablar su idioma.

• Las palabras del idioma de las computadoras se denominan instrucciones, y su vocabulario es llamado conjunto de instrucciones.
• Una instrucción, en lenguaje de máquina, es un código formado por voltajes altos y bajos.
• Un conjunto de instrucciones debería:
  • Facilitar (simplicidad) la construcción del hardware y el compilador.
  • Maximizar el rendimiento.
  • Minimizar el costo y el consumo de energía.

El Procesador MIPS

• MIPS: Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages.
• Familia de microprocesadores de arquitectura RISC desarrollados por MIPS Technologies.
• Se estima que uno de cada tres procesadores RISC fabricados en el mundo están basados en el MIPS.
• Los diseños del MIPS son utilizados en la línea de productos informáticos de SGI, en muchos sistemas integrados, en dispositivos para Windows CE, routers Cisco y videoconsolas.

Conjuntos de Instrucciones Populares

Existe el conjunto de instrucciones MIPS, que es la que se usa, también ARM y la Intel x86.

Almacenamiento de Variables en Hardware

• A diferencia de los programas de alto nivel, en el hardware se cuenta con un número limitado de localidades de memoria para ubicar allí los operandos y resultados temporales de operaciones aritméticas.
• La arquitectura MIPS cuenta con 32 de estas localidades de memoria, denominadas registros.
• Cada registro en MIPS tiene un tamaño o capacidad de 32 bits.