PDF de programación - Anexo B: Sobre microprocesadores

Anexo B: Sobre
microprocesadores

l.

INTRODUCCIÓN

Esta introducción es meramente formal, ya que el contenido del anexo sobre mi-
croprocesadores se dirige a aquellos lectores que, teniendo un previo conocimiento
de la arquitectura y funcionamiento de estos circuitos integrados, están interesados
en una visión panorámica y en una idea de sus tendencias. Si no fuera así, deberán
proveerse de un texto de introducción a los microprocesadores, objetivo para el que
muy bien pueden servir como obras generales las referencias (Mundo Electrónico,
1984) y (Wakerly, 1981), o de forma más específica en el campo de los microproce-
sadores de 16 bits (Whitworth, 1986).

1.1. Microprocesadores. y ordenadores

Un microprocesador comprende las principales partes funcionales de un compu-

tador integradas en un 'chip" o pastilla de silicio de tamaño muy reducido.

Un computador digital está compuesto físicamente por una memoria donde se al-
macenan programas y datos, una Unidad Central de Proceso (UCP), en donde se
interpretan y ejecutan las instrucciones almacenadas en memoria, y una serie de
dispositivos que comunican a este ordenador con el mundo exterior (dispositivos de
entrada/salida), En la UCP se encuentra una unidad llamada "Unidad Aritmético-Ló-
gica" (UAL), encargada de realizar operaciones booleanas básicas sobre datos bina-
rios, una pequeña memoria para tener un acceso rápido a datos utilizados frecuente-
mente, y una "Unidad de Control" (UC), que se encarga de sincronizar las operacio-
nes de intercambio de información entre memorias y la UCP, además de ser el nú-
cleo de interpretación de las instrucciones. Todo esto está representado esquemáti-
camente en la figura 1.

En un microprocesador están integrados todos los órganos funcionales de la UCP,
dejando las operaciones de entrada/salida y la función de almacenamiento masivo
de datos para otros circuitos integrados. Los avances en el campo de la microelec-
trónica han permitido que hoy en día quepa en una parte de la palma de la mano el
equivalente a las voluminosas UCPs de años atrás. Como ejemplo, para un empaque-
tamiento de 40 patillas (caso de 8080, Z80 o 8086), las dimensiones son de 1,5x5 cm.,
y el dado interno en el caso del 8086 tiene una superficie de 31,2 mm.2 El 8008 tiene
un encapsulado de 16 patillas con unas dimensiones de 0,8x 1,8 cm., siendo el dado
de 10,83 mm.2

Con lo comentado, la estructura de un computador basado en un microprocesador

quedaría establecida según se ve en la figura 2.

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Computadores personales

El principio de funcionamiento de estos sistemas basados en microprocesadores
es el mismo fundamentalmente que el de los grandes y medianos ordenadores, aun-
que sus prestaciones eran hasta hace poco inferiores: sin embargo, con la nueva ge-
neración de microprocesadores de 32 bits se obtienen sistemas cuyas prestaciones
son comparables e incluso superan en algunos aspectos a la serie IBM370.

1.2. Generaciones de microprocesadores

Desde la aparición en noviembre de 1971 del primer microprocesador -el
4004- fabricado por la empresa norteamericana Intel, hasta el estado actual de la
tecnología, que permite fabricar microprocesadores de 32 bits de altas prestaciones,
han pasado 15 años en los que el progreso experimentado no ha tenido paralelo co-
nocido. Por aquel entonces Intel lanzó su producto con la frase publicitaria "... anun-
ciamos una nueva era en la electrónica integrada..." (Morse et al., 1980): hasta el mo-
mento, la confirmación de tal aseveración es absoluta.

Un primer parámetro a considerar a la hora de intentar clasificar y evaluar los pa-
sos de esta evolución es la longitud del bus de datos (longitud de la unidad básica
de trabajo). Este bus de datos se puede referir al bus de datos del sistema computa-
dor -bus externo-, o al bus de datos que internamente existe en el microprocesa-
dor (ver cuadro 1).

En estos quince años se han sucedido generaciones correspondientes a un valor
de este parámetro de 4, 8, 16 y 32 bits, pero entre estas generaciones hay solapa-
mientos muy fuertes, que hacen que cualquier clasificación sea a la fuerza imprecisa,
debido tanto a razones económicas como de compatibilidad entre productos de dis-
tintas generaciones.

- Razones económicas. Uno de los aspectos que más encarecen el precio final de
una pastilla microprocesadora es el número total de patillas que presenta al ex-
terior (ver figura 3).

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CUADRO 1. DIFERENCIA ENTRE BUSES DE DATOS INTERNO

Y EXTERNO

Anexo B: Sobre microprocesadores

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Computadores personales

Por esta razón, aunque la tecnología permita que internamente el microprocesa-
dor utilice un bus de datos de 32 bits, aparecen externamente 16 patillas para sopor-
tar el bus de datos del sistema. La razón fundamental de tal encarecimiento es la de
no disponer de máquinas empaquetadoras de chips de mayor número de patillas.

- Razones de compatibilidad: En otras ocasiones la confusión proviene del intento
de obtener un microprocesador compatible al máximo con otro ya existente. El
término "compatible" se refiere aquí como "compatibilidad hacia arriba" (up-
ward compatibility), es decir, los programas confeccionados para el micropro-
cesador inferior serán transportables -con mayor o menor dificultad- al mi-
croprocesador recien fabricado.

Tal fue el caso del 8086, que, con un bus de datos externo de 16 bits, es básica-
mente una versión ampliada de su predecesor, el 8080, que tiene un bus de datos
de 8 bits, lo que unido al hecho de que todas las instrucciones del 8080 son un sub-
conjunto de las del 8086, hace que los programas escritos para el 8080 sean modifi-
cables para ejecutarlos en el 8086 (Gupta y Toong, 1981).

El hecho de pasar de una generación a otra no significa que los microprocesado-
res primitivos sean desechados, en parte por razones de compatibilidad existentes y
en parte porque los microprocesadores de 4 y de 8 bits, que hoy en día están a
precios muy bajos, se emplean cada vez más como microcontroladores, en aplica-
ciones tales como el control de pequeños procesos en el hogar, control de máquinas
herramientas, control de periféricos (teclados, pantallas, unidades de disco), etc.

En la figura 4 se presenta el estado actual del mercado de microprocesadores

atendiendo a la longitud del bus de datos.

Probablemente, la evolución a corto plazo será hacia un aumento de las áreas co-
rrespondientes a 16 y 8/16 bits, mientras que a medio plazo la expansión correspon-
derá a los micros de 16/32 y 32 bits.

Figura 4. El reparto de la "microtarta" (Finkler, 1983).

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Anexo B: Sobre microprocesadores

1.3. Las familias de microprocesadores
Ya se ha visto cómo en un microprocesador están integradas las partes fundamen-
tales de la UCP de un ordenador. Evidentemente, un ordenador no sólo es una UCP,
sino que necesita del soporte de otros integrados para realizar funciones de entrada/
salida y de control y gestión de memoria, entre otras. Un microprocesador, junto con
los integrados que le sirven de soporte, forman una familia. Estas familias ven au-
mentado el número de sus miembros a medida que avanzan las generaciones, ya
que cada vez son más complicados los procesos a controlar y mayor la cantidad de
memoria a gestionar.

En la generación de 8 bits, las familias estaban compuestas casi exclusivamente
por el propio microprocesador, un chip de soporte para entrada/salida y, a veces,
por un controlador de acceso directo a memoria: DMA.

En generaciones posteriores aparecen nuevos elementos destinados, como ya se
ha dicho, a gestionar recursos cada vez más complejos de manipular. Además, en
estas generaciones, el diseñador de sistemas puede elegir entre varias UCPs de
acuerdo con el nivel de potencia que quiera dar al producto final o con el grado de
compatibilidad buscado.

A título de ejemplo, en la figura 5 (Valero y Vidal, 1984) se representa el "árbol
genealógico" de la familia NS 16000 de National Semiconductor. Los NS 16016 y
NS 16008 tienen ambos un bus de datos interno de 16 bits, mientras que externamen-
te presentan buses de 16 y 8 bits respectivamente. Más adelante se hablará con ma-

yor profundidad del NS16032

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Computadores personales

2. TECNOLOGÍAS DE FABRICACIóN

2.1. Introducción a las familias lógicas

A la hora de decidirse sobre la realización física de un circuito integrado, los dise-
ñadores se enfrentan con un abanico relativamente amplio de posibilidades, en fun-
ción del grado de integración deseado, consumo o rapidez del producto final. Este
abanico está constituido por las llamadas "familias lógicas", que agrupan a todos los
integrados construidos con las mismas técnicas de fabricación e interconexión.

En la figura 6 se representan en forma de árbol tales familias, acompañadas de
una serie de datos concernientes a sus características más significativas. En este ár-
bol, la lectura de izquierda a derecha de las hojas se corresponde aproximadamente
con la evolución en el tiempo.

En la actualidad, las tecnologías más utilizadas para la fabricación de microproce-
sadores son la CMOS y NMOS, debido a sus especiales características de disipación
y ruido, por lo que serán analizadas más adelante con mayor profundidad. Para las
aplicaciones en las que la velocidad es un requisito prioritario, como por ejemplo
para la fabricación de cierto tipo de memorias, se utiliza preferentemente tecnología
TTL (Ver figura 7): desde el punto de vista de la velocidad, la familia ECL sería la
óptima, pero suele ser desechada por su mayor coste.

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Anexo B. Sobre microprocesadores

TECNOLOGIA

DISPOSITIVO

Bipolar
NMOS
PMOS
Bipolar
PMOS

RAM estática 256x 1
RAM dinámica 4096x 1
RAM dinámica 1024x 1
ROM 32x8
ROM 256 x 4

30ns
200ns
150ns
25ns
lns

Tacceso POTENCIA

1,5mW/bit
0,1mW/bit
0,9mW/bit
1mW/bit
0,15mW/bit

Figura 7. Ejemplos de memorias con distintas tecnologías.

La familia I2L -Integrated Injection Logic-, que nació como variante de la
DCTL, presenta gran interés por su alto nivel de integración (el mayor de to