PDF de programación - Sistemas Digitales Programables

Sistemas Digitales Programables.

Microprocesadores,
Microcontroladores y

Procesadores Avanzados

Indice

1. Introducción

 Conceptos básicos.

2. Computadores

 Estructura y evolución.

3. Sistemas Empotrados

4. Elementos de un sistema digital programable

 Memorias.

5. Microprocesadores y Microcontroladores

6. Mejora de los SSDD programables

 Evolución Tecnológica

 Jerarquías: de memoria y de buses

 Segmentación: arqs. Von-Neumann y Harvard

 Ejemplos finales

Procesadores digitales programables - 2

1.Introduction: What is a system?

3

1. Introduction

A system is characterized because it …

 Interacts with the environment

 Is divided into three stages:

 Input

 Processing

 Output

4

1.Introduction. Digital Electronic Systems

 The processing is based on:

• Combinational logic and sequential circuits
• Microprocessors
• Microcontrollers
• Digital Signal Processors (DSP)
• Programmable logic circuits
• Programmable Logic Controllers (PLC’s)

 Used for automation of electromechanical

processes

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1. Processing systems classification



O
N

D
E
D
D
E
B
M
E

D
E
D
D
E
B
M
E

DO NOT CONTROL

DO CONTROL / REAL TIME

Supercomputers
Servers
Workstations
Personal computers
Calculator

Specific computers
Personal Computers+ I/O boards
PLCs
Digital regulators

Scientific calculation
Management (accounting, etc.)
Databases

Industrial Control
Fly simulators
Robotics

Microprocessors-based boards
+ I/O boards + VME bus
PC's + I/O boards + ISA bus
Microcontrollers

Appliances
Aeronautics
Mobile robotics
Mobile phone

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1. Processing systems classification



O
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DO NOT CONTROL

DO CONTROL / REAL TIME

Supercomputers
Servers
Workstations
Personal computers
Calculator

Specific computers
Personal Computers+ I/O boards
PLCs
Digital regulators

Scientific calculation
Management (accounting, etc.)
Databases

Industrial Control
Fly simulators
Robotics

Microprocessors-based boards
+ I/O boards + VME bus
PC's + I/O boards + ISA bus
Microcontrollers

Appliances
Aeronautics
Mobile robotics
Mobile phone

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2.-Computadores: Arquitectura y Organización

 La Arquitectura de un procesador alude a aquellos atributos

visibles a los programadores:

 Repertorio de instrucciones, número de bits, mecanismos de

E/S, modos de direccionamiento.

• Ejemplo: ¿existen instrucciones de multiplicación?

 Organización se refiere a cómo se han realizado tales

características.

 Señales de control, interfaces, tecnología de memorias, etc.

• Ejemplo: ¿Existe una unidad de multiplicación, o ésta se realiza

repitiendo adiciones?

 Todos los Intel x86 comparten la misma arquitectura básica.

• De esta manera se tiene ‘compatibilidad de código’

(al menos hacia atrás – backwards)

 Sin embargo, la organización difiere entre las distintas

versiones.

Procesadores digitales programables - 8

2.-Estructura y Función

 Estructura es la forma en la cual los componentes del

procesador se relacionan entre si.

 Función es la operación de los componentes individuales,

como parte de la estructura anterior.

 Las funciones que realizan todos los computadores son:

 Proceso de datos.

 Almacenamiento de datos.

 Movimiento de Datos.

 Control.

Procesadores digitales programables - 9

2.-Enfoque funcional de un procesador

Movimiento

Procesado y
almacenaje

Almacenaje

Procesado,

movimiento y E/S

Procesadores digitales programables - 10

2.-Evolución de los computadores

 Primer ordenador electrónico ENIAC:

• Electronic Numerical Integrator And Computer

 Diseñado por el equipo de

Eckert and Mauchly,

• University of Pennsylvania.

 Objetivo:

• elaborar tablas de trayectorias

para artillería (II Guerra M.).

 Inicio en 1943,

 Finalización en 1946

• ¡demasiado tarde para el objetivo

planteado!

Procesadores digitales programables - 11

2.-Evolución de los computadores (II)

 Primer ordenador electrónico ENIAC:

• Electronic Numerical Integrator And Computer

 En uso entre 1946 y 1955

 Otros datos:

• 18.000 tubos de vacío, 70.000 resistores,

10.000 condensadores.

• 6.000 conmutadores mecánicos (switches).
• Dimensiones aproximadas: 10 x 16 metros.

Peso de 30 Toneladas

• 140kW de consumo de potencia.
• Formato de números: en decimal.
• 30 acumuladores de 10 dígitos. Capaz de

hacer 5.000 sumas por segundo.

• Programación manual mediante los switches.

Procesadores digitales programables - 12

2.-IAS: von Neumann y Goldstine

 IAS: Princeton Institute for Advanced Studies

 A partir de ENIAC, se desarrolla la idea del programa

almacenado en memoria, junto con los datos.

 Esta arquitectura recibe el nombre de ‘Von Neumann’

 Sirve de base al resto de generaciones de procesadores.

 Características de IAS:

 Instrucciones y datos en la misma memoria Rd/Wr.

 Ejecución secuencial del programa

 ALU operando sobre datos binarios

 La unidad de control interpreta las instrucciones de la memoria

y las ejecuta

 Unidades de Entrada/Salida, operadas por la Unidad de Control

 Finalizada en 1952

Procesadores digitales programables - 13

2.-Estructura de la máquina de von Neumann

 IAS: Elementos básicos  CPU, Memoria, unidades E/S

 1000 words de 40 bit

 Números binarios

 Registros de la CPU

 Memory Buffer Register

 Memory Address Register

 Instruction Register

 Instruction Buffer Register

 Program Counter

 Acumulador

 Coeficiente multiplicador

Procesadores digitales programables - 14

2.-Generaciones de ordenadores (mainframes)

Generación

Ejemplos

Hardware

Software

Prestaciones

1

1943-1964

2

1958-1964

ENIAC,

UNIVAC I,
IBM-700

Tubos de vacío,
tambores magnéticos

Código máquina,
programas almacenados.

Memoria: 2kB

10 KIPS

IBM-7094

Transistores, memorias
de ferrita.

Lenguajes de alto nivel.

Memoria: 32kB

200 KIPS

3

1964-1974

IBM-360/370

PDP-11

IC’s, memorias de
semiconductor,
microprocesadores.

Tiempo compartido,
gráficos, programación
estructurada.

Memoria: 2kB

5 MIPS

4

1974-1990

IBM-3090

Cray XMP

IBM PC

Circuitos VLSI, redes,
discos ópticos.

Lenguajes orientados a
objetos; programas
empaquetados. Sistemas
expertos.

Memoria: 2MB

30 MIPS

5

1990-??

Sun SPARC,

etc.

Circuitos ULSI,
semiconductores de
GaAs, paralelismo.

Procesamiento simbólico;
lenguajes paralelos.
Inteligencia Artificial.

Memoria: 64MB

10 GFLOPS

Procesadores digitales programables - 15

2.-De los mainframes a los microprocesadores

 La evolución tecnológica permite la integración de una CPU

(ALU + registros) en un solo chip: el uP.

 Intel 4004 (año 1971)

• CPU de 4 bits, arquitectura Von Neumann, 2.300 transistores.
• Contador de programa.
• Decodificador y secuenciador de instrucciones.
• ALU, decimal y binaria.
• 16 registros de propósito general.
• Control y direccionamiento de memoria externa (4k * 4bit)

Procesadores digitales programables - 16

2.-Evolución divergente, necesidades comunes

 Mayores prestaciones  mayor capacidad de cómputo:

 Computadores centrales

• Proceso masivo de gran cantidad de datos con grandes necesidades

de Entradas/Salidas.

• Múltiples terminales o puestos de trabajo: elaboración de

estadísticas, cuentas bancarias, etc.

 Supercomputadores

• Proceso de gran cantidad de datos a gran velocidad.
• Problemas complejos con múltiples datos interrelacionados:

simulaciones de modelos del clima, procesos físico/químicos, etc.

 Computadores personales

• Elementos de cómputo de tamaño para usuarios individuales.
• Popularización de servicios, aplicaciones y redes.

 Sistemas empotrados (¡la mayoría!)

• Aplicaciones específicas: industria, hogar, multimedia, espacio...
• Sistemas en Tiempo Real: autonomía, interacción con el entorno.

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1. Processing systems classification



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DO NOT CONTROL

DO CONTROL / REAL TIME

Supercomputers
Servers
Workstations
Personal computers
Calculator

Specific computers
Personal Computers+ I/O boards
PLCs
Digital regulators

Scientific calculation
Management (accounting, etc.)
Databases

Industrial Control
Fly simulators
Robotics

Microprocessors-based boards
+ I/O boards + VME bus
PC's + I/O boards + ISA bus
Microcontrollers

Appliances
Aeronautics
Mobile robotics
Mobile phone

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3. Breve revisión histórica.

 La evolución de los sistemas empotrados (SSEE), como

sistemas automáticos de control, corre pareja con la de las
necesidades sociales y las diversas tecnologías disponibles:

 El ascensor: 1852. El primer ascensor dotado de elementos de
seguridad, y por lo tanto válido para personas, fue diseñado por
Elisha Graves Otis.

• 1857: El primer ascensor de pasajeros fue instalado por Otis en

Nueva York en 1857. El primer ascensor eléctrico se instaló en 1889.

• 1925: Primer sistema de control con "memoria" para grupos de

ascensores, lo que permitió su automatización y prescindir de los
clásicos ascensoristas.

• 1945: Fallan todos los sistemas de seguridad en el Empire State

Building, al incurstarse un avión B25 en el edificio.

• 1950: Primer sistema protector de pasajeros y puertas en los

ascensores.

• 1956: Se instala el primer ascensor totalmente automático en la

sede de la Atlantic Refining Company, en Dallas (EEUU).

• 1979: Primer sistema de control con microprocesador integrado

para grupos de ascensores.

SSEE: recursos hard - 19

3. Breve revisión histórica (ii)

 El teléfono: 1876. Primer prototipo viable de Alexander

Graham Bell, profesor en la Universidad de Boston.

• La primera central telefónica (manual) es de 1878, en New Haven.
• La primera central telefónica automática es de 1892, por Almon B.

Strowger en Kansas City

• 1924: Primera transmisión de imagen por hilo telefónico.
• 1962: Primer satélite artificial de comunicaciones.
• En 1969, la Bell Company desarrolla el sistema Unix para sus

servidores.

• 1979: aparecen los primeros sist