PDF de programación - Tema 1 - Introducción a los Microprocesadores

Hardware ‘a medida’

SISTEMAS ELECTRÓNICOS PARA EL
TRATAMIENTO DE LA INFORMACIÓN



Tema 1
Introducción a los Microprocesadores



1.1. Introducción


Ante la necesidad de realizar un programa, podemos conectar los componentes
(sumadores, desplazadores, memorias, etc.) de forma que realicen determinadas funciones. Esto
es conocido como 'hardwired program' o lógica cableada. No obstante, podemos diseñar una
configuración hardware de propósito general que realizara funciones aritméticas y lógicas. Con
la primera aproximación, el sistema acepta datos y produce resultados. Con la segunda, el
sistema acepta datos y señales de control y produce resultados, por lo que para cambiar el
programa sólo se necesita proporcionar al sistema un nuevo conjunto de señales de control.



Datos



Datos



FIGURA 1.1. Aproximaciones hardware y software.


La forma de generar estas señales de control, que serían distintas en cada paso de
programa, puede hacerse mediante un código único para cada posible conjunto de señales, y
añadir entonces al hardware de propósito general un segmento que acepte estos códigos y genere
las señales de control adecuadas. Estos códigos son básicamente las instrucciones que acepta el
hardware, y el conjunto de estas instrucciones sería el software del sistema.



El módulo que implementa las funciones aritmético-lógicas junto con el intérprete de las

Funciones aritmético-lógicas
De propósito general

Secuencia de funciones
Aritméticas y Lógicas


Señales de Control

Intérprete de Instrucciones

Códigos de Instrucción

Resultados

Resultados



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JOSÉ V. FRANCÉS VILLORA
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instrucciones constituyen la CPU del sistema. La necesidad de introducir los datos y almacenar o
visualizar los resultados nos llevan a la necesidad de un sistema de E/S. Por último, debido a que
los programas necesitan acceder a datos, se necesita una memoria que almacene la información y
a la que se pueda acceder en cualquier posición.

Así pues, desde un punto de vista de máxima abstracción, un computador consiste en una

CPU, memoria y componentes de E/S, con uno o más módulos de cada tipo. Estos componentes
se interconectan de alguna forma para obtener la función básica del computador, que es ejecutar
programas.


Un microprocesador es básicamente una ALU y una unidad de control integrada en el
mismo chip. Un microcomputador combina un microprocesador con memoria y unidades de
entrada/salida de datos. En la figura se muestra la evolución de los µP.



• µP DE 4 BITS: Construidos con tecnología PMOS debido a su bajo coste. Estos µP se

siguen utilizando para aplicaciones de bajo coste industriales y de consumo.


• BIT-SLICES: utilizados para aplicaciones que requieran gran potencia de computación. Se
trata de módulos idénticos que contienen CPUs con datos de pocos bits (típicamente 4). Su
disposición en paralelo permite conseguir CPU de longitudes de palabra múltiplos de la
básica, con la ventaja de estar realizados con tecnologías rápidas (TTL, ECL), aprovechando
la estructura simplificada de cada módulo que no requiere un alto grado de integración. Su
uso ha disminuido con la aparición de µP de longitudes de palabra mayores.


• µP DE 8 BITS: La segunda generación de µP comenzó en 1972 con el 8008 de Intel. La
tecnología NMOS fue adoptada en 1974, permitiendo incrementar sus funciones y velocidad.



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Posteriormente fueron desarrollándose procesadores de periféricos para estos dispositivos
que soportaban otras funciones de control tales como CRT y unidades de disco. Los µP
actuales de 8 bits utilizan generalmente palabras internas de longitud 16 o 32 bits (por
ejemplo, el Intel 8088 y el Motorola 6809). Básicamente representan versiones de µP de 16 o
32 bits para aplicaciones de bajo coste.


• µP DE 16 BITS: El PACE de National Semiconductor fue el primer µP de 16 bits (1974)
con el. El Intel 8086 aparece en 1978, el Zilog Z8000 en 1979 y el Motorola 68000 en 1980.
Utilizan tecnología NMOS mejorada (XMOS, HMOS, etc). Las principales novedades que
introducen son:



• Modos de operación protegidos (modo de sistema y modo normal, lo que permite que
un programa supervisor, como un sistema operativo, pueda realizar funciones
prohibidas generalmente a aplicaciones del usuario).

• Segmentación y protección de memoria.



• µP DE 32 BITS: El primer µP de 32 bits, el Intel APX 432, aparece en 1981. Existen otros
procesadores posteriores que son básicamente versiones de 32 bits de modelos anteriores o
que mantienen cierta compatibilidad con aquéllos (68020, 80386, etc.). Como características
podemos destacar:

• Mayores densidades de integración y velocidades de reloj → Incremento de la

velocidad de proceso.

• Optimización de arquitecturas: pipe-lines de 3 o más etapas, unidades de control de
memoria integradas en el mismo chip, coprocesadores de coma flotante integrados,
etc.

• Nuevas técnicas de manejo de memoria virtual: paginación y técnicas mixtas

paginación-segmentación.



• DSP (Procesadores Digitales de Señal): microprocesadores de uso específico optimizados

para realizar procesado digital de señal en tiempo real. El primer DSP fue el Intel 2920.



1.2. Estructuras de Interconexión


El conjunto de caminos de interconexión entre los distintos módulos del computador se
denomina 'estructura de interconexión'. De los diferentes tipos de estructuras de interconexión, la
más usual es la interconexión de bus, que es la única que comentaremos en esta introducción, ya
que básicamente es la misma que se implementa a nivel interno de la CPU para interconexión de
sus elementos constituyentes.



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ESTRUCTURA DE BUS


Se denomina 'bus del sistema' al bus que conecta los componentes principales del
computador (CPU, Memoria e E/S). Un bus del sistema consiste generalmente de 50 a 200 líneas
independientes. Estas líneas están clasificadas en tres grupos funcionales: datos, direcciones y
control. Además se dispone del bus de alimentación para cada módulo.


El bus de datos transmite datos entre módulos. Consta de 8, 16 o 32 líneas (bits)
generalmente, lo que se denomina anchura del bus. Este factor es clave para el rendimiento del
sistema. Por ejemplo, si la anchura del bus es 8, deberá acceder 2 veces a memoria para obtener
una instrucción, por una sola vez en el caso de un bus de 16.

El bus de direcciones determina la fuente o destino de los datos del bus de datos. La

anchura del bus de direcciones determina la capacidad máxima de memoria del sistema.
Además, las líneas de este bus se utilizan también para direccionar los módulos E/S.
Generalmente, los bits más significativos se utilizan para seleccionar un módulo particular del
bus y los menos significativos seleccionan una posición concreta de memoria o un puerto dentro
del módulo seleccionado.

El bus de control se utiliza para controlar el acceso a y el uso de los buses de datos y

direcciones, ya que éstos son compartidos por todos los módulos, por lo que es necesario
establecer un control de los mismos. Las señales de control transmiten información de comando
y sincronización entre módulos. Las señales más importantes son:

• Escritura en Memoria: el dato presente en el bus de datos se copia en la dirección de

memoria seleccionada.

datos.

• Lectura de memoria: el contenido de la dirección seleccionada se transfiere al bus de

• Escritura E/S: Se saca un dato por un puerto E/S.
• Lectura E/S: Un dato de un puerto E/S seleccionado se transfiere al bus de datos.
• Reconocimiento de transferencia: Indica que se ha aceptado un dato desde el puerto o

escrito en el mismo.

controlador del bus.

• Petición de Bus: Indica que un módulo solicita el control del bus.
• Reconocimiento de Bus: Indica que el módulo peticionario ha sido habilitado como

• Petición de interrupción: Indica que existe una interrupción pendiente de servicio.
• Reconocimiento de interrupción: Indica que la interrupción pendiente ha sido

aceptada.

• Reloj: Usado para sincronizar las operaciones del bus.
• Reset: inicialización de los módulos.



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CPU



MEMORIA



E/S



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BUS DIRECCIONES


BUS DATOS


BUS CONTROL



FIGURA 1.2. Estructura de interconexión de bus.

El bus opera de la siguiente forma:

• Un módulo desea enviar datos a otro: 1) obtiene el uso del bus; 2) transfiere los datos

a través del bus.

• Un módulo desea obtener datos de otro módulo: 1) Obtiene el uso del bus; 2) solicita
la transferencia al otro módulo mediante las líneas de dirección y control apropiadas, y
esperar hasta el envío de los datos desde el otro módulo.



Físicamente, el bus del sistema consiste en conductores eléctricos paralelos, dispuestos en
la placa de c.i., y que se extiende a todos los componentes del sistema, cada uno de los cuales se
conecta a