PDF de programación - Capítulo 5 - Arquitectura de computadoras personales

CAPÍTULO 5



ARQUITECTURA DE COMPUTADORAS PERSONALES

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5.1 INTRODUCCION

La primera PC desarrollada en torno a los microprocesadores de Intel 80X86 fue la IBM
PC. Nacida en 1981, IBM adoptó para la PC el microprocesador 8088 como unidad central de
proceso. La característica más destacable de estos equipos fue su concepción “abierta” que
permitía ampliar o agregar nuevas prestaciones con gran facilidad. Esta característica se conserva
aún hoy en los nuevos modelos, generándose una norma no escrita, conocida como
“compatibilidad IBM”.

A la IBM PC sucedió en 1983 la XT, que conserva el microprocesador 8088, pero con el

agregado de algunas mejoras, como la aparición del disco rígido.

El fenómeno de la “compatibilidad“ no solo se hizo visible en la aparición de una gran

cantidad de adaptadores y una variedad de software de aplicación, sino también en la aparición
de réplicas semejantes a los modelos de IBM denominadas “compatibles”, fabricadas por otras
empresas como NEC, Compaq, Dell, Samsung, etc. y las PC sin marca o “clones“.


5.2 COMPONENTES DEL SISTEMA

Si observamos el diagrama en bloque de la PC XT, identificaremos varios de los

componentes vistos a lo largo del curso. Podemos ver el microprocesador 8088, el coprocesador
matemático 8087, el controlador de interrupciones 8259, el de DMA 8237, etc.

También se pueden observar los conectores de expansión del BUS, que le dan a la PC la

característica de arquitectura “abierta”, ya que permite el diseño de cualquier tipo de módulo de
entrada salida, conectable al mencionado BUS.

A continuación describiremos cómo se interconectan los mencionados componentes y las

funciones principales de cada uno de ellos.


5.2.1 Microprocesador 8088
Este uP contiene el mismo set de instrucciones que el 8086 solo que posee un BUS de

datos de 8 bits que lo hacía compatible con los dispositivos diseñados para el anterior
microprocesador de Intel 8085. Por este motivo el Bus de datos de la PC XT es de solo 8 bits,
aunque el funcionamiento interno del microprocesador es de 16 bits.

En la primera versión de la PC XT, el microprocesador funcionaba a una frecuencia de
reloj de 4,77 MHz, motivo por el cual se utilizaba un oscilador de frecuencia triple de 14,318
MHz. Versiones posteriores de PC incorporaron chips de mayor velocidad, como el caso del
NEC-V20 que posee las mismas características que el 8088 pero funciona a 8 MHz.


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5.2.2 Coprocesador matemático 8087
Junto al microprocesador es común encontrar un zócalo de 40 pines para la instalación del

circuito integrado 8087, que es la unidad de punto flotante (FPU) diseñada para el 8086/8088
(también llamada unidad de procesamiento numérico NPU). Este coprocesador agrega
instrucciones numéricas y registros de punto flotante, lo que incrementa notablemente la
velocidad de procesamiento, en especial cuando los programas requieren operaciones numéricas
de alta precisión.

El agregado de ésta opción sólo requiere la instalación del coprocesador en el zócalo y la

habilitación de un switch en la placa madre, que indica la existencia del coprocesador. Este
switch permite que el microprocesador reciba la interrupción de excepción del coprocesador.


5.2.3 Controlador de interrupciones 8259
Otro de los chips de la familia Intel que integran la PC es el controlador programable de

interrupciones (PIC) 8259. Este chip permite ampliar a ocho las entradas de interrupción,
generándose las señales llamadas IRQ0 a IRQ7. El diseño de la placa madre de la PC prevé la
asignación de algunas de éstas para funciones específicas, tal es el caso de las IRQ0 e IRQ1. La
primera de ellas se conecta a la salida del contador del timer y sirve para proveer una base de
tiempo confiable. En la programación inicial del 8259 se le asigna a esta entrada el vector de
interrupción 8, por los que las restantes poseen los vectores siguientes (9 a 15). La IRQ1 (vector
9) se emplea para la lectura del teclado.

Las restantes interrupciones se encuentran en el slot de expansión del BUS, lo que permite

que sean usadas por cualquier dispositivo conectado en dicho lugar. Sin embargo la
estandarización del hardware y software mencionada con anterioridad hizo que los controladores
más comunes conserven una interrupción como predeterminada. Esto implica que las mismas no
deben ser utilizadas por otros dispositivos cuando se encuentre instalado alguno de esos
controladores. A continuación se proporciona una lista de las interrupciones y se mencionan los
controladores más comunes que hacen uso de ellas.


Interrupción

Aplicación

IRQ2

IRQ3

IRQ4

IRQ5

IRQ6

IRQ7



RESERVADA

COM/SDLC

COM/SDLC

DISCO DURO

DISCO FLEXIBLE

LPT

Tabla 5.2.1 – Interrupciones de la PC



La IRQ2 que figura como reservada permite que se la utilice para agregar un segundo chip

8259 en cascada, lo que implica un aumento de 7 interrupciones. Esto se incorporó a la placa
madre de la PC-AT que sucedió a la PC, e incorporaba el microprocesador 80286 como unidad
central de proceso.

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5.2.4 Controlador de DMA 8237
También podemos observar el controlador 8237, que proporciona cuatro canales de DMA

para dispositivos de entrada salida que requieran de este servicio. Estos canales de denominan
con las siglas DMA0 a DMA3, y al igual que las interrupciones se encuentran preasignados para
cumplir con las funciones básicas. El canal 0 se emplea para realizar el refresco de la memoria
RAM dinámica, por lo que se conecta directamente al timer del sistema. Esto permite que se
realice periódicamente cada intervalo de tiempo definido para evitar que el contenido de la
memoria se desvanezca por completo.

Los restantes canales se encuentran disponibles en el conector de expansión con sus

señales DRQ y DACK para que puedan ser usados por los dispositivos de entrada salida que lo
requieran. A continuación se proporciona una lista de la asignación de los canales en la PC.


Canal de DMA

Aplicación

CANAL 0

REFRESCO DE MEMORIA

CANAL 1

CANAL 2

CANAL 3

SDLC

DISCO FLEXIBLE

NO ASIGNADO

Tabla 5.2.2 – Canales de DMA de la PC



5.2.5 Timer 8253
Este chip es un contador/timer que provee a la PC de 3 timers programables utilizados para

todas las mediciones de tiempo. Algunas de las aplicaciones ya fueron mencionadas cuando se
describieron los controladores 8259 y 8237, aunque no fueron completamente analizadas.

El 8253 provee tres canales independientes, cada uno de ellos programable de 6 modos

diferentes. Las entradas de reloj pueden ser distintas para cada canal, aunque en la PC es única y
de 1,19 MHz.


5.2.6 Diagrama en bloques
En la PC los canales se encuentran asignados como se muestra en la figura.
Como se puede ver el canal 0 se encuentra siempre habilitado y se utiliza como contador

del sistema para proveer una base de tiempo confiable. La salida del timer proporciona una
interrupción, comúnmente llamada timer tic, que se conecta a la IRQ0. La misma es utilizada por
el BIOS para incrementar un contador de 4 bytes en 0040:006C que se utiliza para el cómputo de
la fecha y la hora. El canal 1 está también siempre habilitado y programado para una cuenta de
15uS, pero su salida se conecta al canal 0 de DMA. El final de cuenta de este timer dispara un
ciclo de lectura de memoria (“dummy”) que permite que no transcurra demasiado tiempo sin que
ésta sea leída. Este ciclo conocido como refresco de memoria es imprescindible para que el
contenido no se desvanezca. Por último el canal 2 se encuentra disponible, aunque como se
pueda ver se encuentra conectado al altavoz. Si se quisiera usar con otros fines, se debe

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deshabilitar el parlante a través de la salida B1 del 8255, y se podrá habilitar el timer a través de
B0. El final de cuenta puede detectarse por la misma 8255, a través de la entrada C5.


OSCILADOR

CONTROL

CANAL 0

compuerta

CONTADOR 0

CANAL 1

compuerta

CONTADOR 1

CANAL 2

CONTADOR 2

"1"

"1"

0
1
2
3
4
5
6
7
0
1
2
3
4
5
6
7

8255

Figura 5.2.1 – Diagrama en bloques de la PC



8259
IRQ0

8237

DREQ0



5.2.1 Rom BIOS
Se mencionó que existe un hardware estándar que compone la base de la PC. Asimismo,
con la primera PC, IBM proveyó también un programa estándar de control para muchos de los
componentes de este hardware. Este programa reside en la ROM del sistema y se lo llama
comúnmente ROM BIOS (Basic Input/Output System).

Esta interfaz permite que los diseñadores de software de aplicación puedan realizar

programas que funcionen en sistemas de configuración variada, sin tener que realizar
modificaciones para cada caso. De esta forma también los fabricantes pueden realizar
modificaciones en el hardware, pero manteniendo esta interfaz tal cual es, no se necesitan
modificar los programas. Igualmente versiones posteriores de BIOS incorporan nuevas
funciones, sin perjuicio de las anteriores. Esto posibilita que los programas viejos puedan
ejecutarse correctamente, aunque por supuesto no harán uso de estas nuevas funciones.

La ROM BIOS posee tres funciones específicas:
La primera de ellas se denomina POST (Power On Self Test). El POST consiste en una

rutina que se ejecuta cuando se enciende la computadora o cada vez que se realice un Reset. La
función principal de esta rutina es testear el hardware e inicializar los dispositivos programables.
Otra de las funciones es contener los drivers de los dispositivos de I/O. Tanto la versión de

IBM como las posteriores proveen una gran variedad de rutinas para el hardware usado más
comúnmente.

La tercer función del BIOS es contener un