Fundamentos de Arquitectura de Procesadores: IDT, Excepciones, RAID y Representación Numérica

Conceptos Fundamentales de Tiempo y Frecuencia

Unidades de Tiempo

• 10^-3 s (segundo) $\rightarrow$ Milisegundo (ms)
• 10^-6 s (segundo) $\rightarrow$ Microsegundo ($\mu$s)
• 10^-9 s (segundo) $\rightarrow$ Nanosegundo (ns)
• 10^-12 s (segundo) $\rightarrow$ Picosegundo (ps)

Frecuencia y Periodo

• $1 \text{ Hz} = 1/T$ (donde T es el periodo)
• 10³ Hz $\rightarrow$ 1 KHz (KiloHertz)
• 10⁶ Hz $\rightarrow$ 1 MHz (MegaHertz)
• 10⁹ Hz $\rightarrow$ 1 GHz (GigaHertz)

Latencia y Representación Numérica en Sistemas

La latencia promedio se calcula como: (60 segundos) / (2 * nRPM)

Límites de Representación Numérica (n bits)

Los límites de representación para un sistema de n bits son:

• Naturales (No Signados): $[0, 2^n - 1]$
• Complemento a Uno (C1): $[-(2^{n-1} - 1), 2^{n-1} - 1]$
• Complemento a Dos (C2) (Signados): $[-2^{n-1}, 2^{n-1} - 1]$

Conceptos de Memoria y Arquitectura de CPU

Al conjunto de bits que se acceden por vez se lo denomina palabra de memoria.

Registros de Segmento (Campo Selector)

Los registros que determinan el campo selector son:

• CS (Code Segment)
• DS (Data Segment)
• ES (Extra Segment)
• FS (Extra Segment)
• GS (Extra Segment)
• SS (Stack Segment)

Arquitecturas y Componentes Clave

EPIC (Explicitly Parallel Instruction Computing)

Arquitectura desarrollada para el procesador Itanium, que consta de quince unidades de ejecución, permitiendo ejecutar hasta veinte instrucciones por ciclo de reloj.

TLB (Translation Lookaside Buffer)

Dispositivo de memoria ultrarrápida que guarda la dirección lineal y la dirección física de las últimas 32 páginas de código accedidas.

Manejo de Interrupciones y Excepciones

Las interrupciones y excepciones son acontecimientos que provocan la desviación del flujo de control de la CPU.

• Las interrupciones son acontecimientos externos (hardware).
• Las excepciones son provocadas automáticamente como consecuencia de alguna anomalía en la CPU (software o errores internos).

Tabla de Descriptores de Interrupciones (IDT)

Para manejar las interrupciones y las excepciones existe una Tabla de Interrupciones (IDT) de 256 entradas. Esta ocupa un segmento cuya base y límite están contenidos en el Registro de Tablas de Descriptores de Interrupciones (IDTR).

Interrupciones Externas (Hardware)

Se trata de señales eléctricas provenientes de componentes hardware externos, que provocan la activación de una de las patillas del Pentium. Esta activación es detectada por el Controlador de Interrupciones Programables Avanzado Local (APIC).

Las patillas del Pentium que soportan interrupciones externas son la INTR y la NMI:

• NMI (Non-Maskable Interrupt): Es una interrupción no enmascarable (no puede ser ignorada).
• INTR (Interrupt Request): Es una interrupción enmascarable (puede ser atendida o ignorada por la CPU). Su aceptación y ejecución depende del valor del flag IF (Interrupt Flag).

Interrupciones Internas (Software)

Son interrupciones que se provocan a través de software.

Las instrucciones que pueden provocar este tipo de interrupciones son INT n e INTO:

• INT n: Permite que se genere una interrupción no enmascarable, suministrando el número del vector de interrupciones de la IDT como un operando.
• INTO: Comprueba el valor del señalizador OF (Overflow Flag). Si vale 1, se producirá una interrupción que es atendida por la entrada cuatro de la IDT.

Tipos de Excepciones

Las excepciones se clasifican según su manejo y retorno:

1. Faltas o Errores: Se encargan de corregir la anomalía producida al intentar ejecutar una instrucción. El programa retorna a la instrucción que provocó la excepción.
2. Trampa (Trap): Se generan tras la finalización de la instrucción. Permite continuar con la ejecución del programa y retorna a la siguiente instrucción a la que provocó la excepción.
3. Aborto: Son aquellas excepciones generadas por la CPU en las que no se sabe la localización exacta de la instrucción que la originó.

Detalles de la IDT

• En modo real, cada entrada o puerta tiene 4 bytes, y en modo protegido, 8 bytes.
• Las 20 primeras entradas de la IDT están reservadas para situaciones concretas, las próximas 10 para operaciones del procesador, y el resto están a disposición del usuario.
• Para localizar la IDT se utiliza el registro IDTR (32 bits - base y límite).
• El contenido de IDTR es manipulado por el procesador mediante la instrucción LIDT y la SIDT (hace una copia en la memoria de los valores de la base y del límite almacenados en el IDTR).

Doble Falla (Double Fault)

Se produce una doble falla cuando la primera excepción es contribuyente y la segunda excepción también lo es. También ocurre si la primera excepción es una falta de página y la segunda es contribuyente o falta de página.

Una doble falla puede ocurrir si se produce una excepción durante la vectorización de otra excepción.

Tecnología RAID

RAID (Redundant Array of Inexpensive Disks): Consiste en una serie de sistemas para organizar varios discos como si de uno solo se tratara, pero haciendo que trabajen en paralelo para aumentar la velocidad de acceso o la seguridad frente a fallos del hardware, o ambas cosas.