PDF de programación - Microprocesadores y Periféricos - Arquitectura de Computadoras

Arquitectura de Computadoras

Dr. Andrés David García García
Escuela de Diseño, Ingeniería y
Arquitectura

Departamento de Mecatrónica

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EDIA/Mecatrónica/ADGG/2014

Microprocesadores y Periféricos

Objetivos:

 Analizar la arquitectura interna y comprender el
de

una Unidad Central

de

funcionamiento
Procesamiento.

 Entender el funcionamiento de la arquitectura de

una computadora.

Comprender

la función de

los
dispositivos periféricos asociados a una Unidad
Central de Procesamiento.

cada uno de

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Introducción a los microprocesadores y
microcontroladores

 Definiciones

 Microprocesador

 CPU

 Microcontrolador

 Elementos periféricos

 Evolución de las familias

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Microprocesador

 Es el corazón de toda computadora, así como de
otros equipos electrónicos que requieren de una
central de procesamiento de datos.

 Al microprocesador se le conoce también como

CPU (Central Processing Unit).

 La CPU es un elemento capaz de realizar

operaciones lógicas y aritméticas además de poder
auxiliar en la toma de decisiones.

 También permite el intercambio de datos entre

localidades de memorias y/o periféricos.

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Microprocesador

 Un Microprocesador, como su nombre lo indica es un

elemento muy pequeño que puede procesar información.

 Este elemento se construye mediante procesos de alta

integración o VLSI.

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¿Dónde podemos encontrarlos?

 Existen una gran variedad de aplicaciones a base

de procesadores:

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ALU

 Una ALU (Unidad Aritmética-Lógica) es un circuito que
permite, como su nombre lo indica, realizar operaciones
lógicas y aritméticas.

 Además de los operadores lógicos y aritméticos, la ALU

cuenta con una serie de registros para almacenar los datos, y
bits de información sobre los resultados, también llamados
banderas.

 Las banderas más comunes son: Carry, Auxiliary Carry, Borrow,

Overflow, Parity, Zero.

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ALU

 El símbolo de una ALU:

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ALUABCBanderasALU

 El circuito ALU es simplemente un operador, es decir,

sólo realiza operaciones.

 La ALU no toma decisiones.

 Las entradas deben contener tanto la magnitud como

el signo que corresponda a la operación.

 La ALU requiere de un mecanismo de control que le

permita saber el tipo de operación a realizar.

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Diseño de una ALU

 Una forma de construir

una unidad aritmética
lógica simple es
mediante una célula de
tipo “bit-slice”.

 Esta célula permite

realizar la suma ó alguna
operación lógica entre 2
bits.

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Diseño de una ALU

 Varias células bit-slice permiten construir una ALU más

compleja:

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ALU

 La interfaz entre la ALU y el resto de la CPU:

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ALU

 Otro tipo de célula que se puede emplear es a

base de multiplexores:

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ALU

 Otro tipo de célula que se puede emplear es a

base de multiplexores:

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ALU

 Partes de la ALU:

 Sumador/restador rápido

 Operadores lógicos (AND, OR, XOR, NOT)

 Un acumulador y un registro auxiliar

 Un registro de salida

 Señales de control que indiquen la operación a realizar

 Registro de banderas de estatus

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Arquitectura de una CPU

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Funcionamiento de una CPU

 Ejecuta una colección de instrucciones en lenguaje

máquina, las cuales le indican al microprocesador de
forma secuencial las tareas que debe tomar.

 Usar su ALU para realizar operaciones lógicas y aritméticas.

 Mover datos de una localidad de memoria a otra.

 Tomar decisiones y cambiar de una rutina de instrucciones a

otra (interrupciones).

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Sistema a base de un microprocesador

 Como hemos visto un CPU cuenta con 2 tipos de

buses:

 Bus de datos: por el cual se realiza el intercambio de

palabras de información.

 Bus de direcciones: que permite direccionar el mapa de

memoria.

 Por medio de estos buses se controlan los elementos

de memoria y los sistemas de entrada/salida o
periféricos.

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Sistema a base de un microprocesador

 Arquitectura:

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MemoriaROMMemoriaRAMTecladoPantalla/MWTC/MRTC/IOWC/IORCBus de direccionesBus de datosCPULenguaje Ensamblador

 Un microprocesador ejecuta una serie de instrucciones de

forma secuencial, estas instrucciones se escriben en lenguaje
ensamblador, el cual mediante un programa llamado
propiamente “ensamblador” se traduce a un lenguaje máquina
que el CPU decodifica.

LOAD A mem ; carga el valor contenido en el registro A en la

; dirección de memoria mem.
; carga el valor de la constante const en el registro B.

CON B const
ADD A,B ; Suma el valor del registro A con el valor del registro B

; y almacena ese valor en otro registro.

SUB A,B ; Efectua la resta entre los valores contenidos en los registros

; A y B.

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Dispositivos de memoria

 Memorias volátiles : Son aquellas que al dejar de

suministrar la alimentación eléctrica al sistema pierden
toda la información contenida en ella.

 Memorias no volátiles : Son aquellas que no pierden su

información cuando no se suministra la alimentación
eléctrica.

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Tecnologías de fabricación de memorias
semiconductor

 EPROM, no volatil.

 SRAM, volatil.

 DRAM, volatil.

 Anti-Fusible, no volatil.

 Flash, no volatil.

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Dispositivos de entrada y salida

 Teclado

 Mouse

 Monitor

 Disco duro

 Lector de disco flexible y CD-ROM

 Puertos

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Microcontroladores

 Pequeño microprocesador con memoria interna y

puertos de entrada y salida.

 Circuito de uso específico, es decir, está diseñado para
realizar una sola tarea, la cual es la de controlar algún
proceso de forma digital.

 Cámaras, electrodomésticos, computadoras de viaje, bolsas

de aire, video cámaras, etc.

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Arquitectura interna

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Partes de un microcontrolador

 CPU (que contiene una ALU)
 Control de interrupciones internas y externas
 Control de bus
 Memoria RAM para registros temporales de datos

y banderas

 Memoria ROM para programa
 Control de temporizadores y contadores
 Puertos serie y paralelo de entrada y salida
 Convertidor de Analógico a Digital

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Diferencias entre un microprocesador y
un microcontrolador

 Un microcontrolador es de uso específico.

 Un microprocesador o CPU es de uso general.

 El microcontrolador contiene un CPU con

memoria y puertos.

 Originalmente un microprocesador no tiene

memoria integrada.

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Arquitectura Von Neuman

 La mayoría de los microprocesadores actuales son

basados en esta arquitectura.

 La memoria de programa tiene datos e instrucciones

mezclados.

 Sólo hay un bus para transmitir datos e instrucciones.

 Las instrucciones están codificadas en palabras en

base hexadecimal.

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Arquitectura Von Neumann

CPU

Datos/instrucciones

ROM

RAM

EPROM

Registros

De

Status

Direcciones

Puertos E/S

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Arquitectura Harvard

 Datos e instrucciones están claramente diferenciados.

 Emplean buses y dispositivos de memoria diferentes.

 Es mas rápido que la máquina de Von Neumann

 Las instrucciones siguen codificadas.

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Arquitectura Harvard

EPROM

Puertos E/S

Instrucciones

Deco de

Instrucciones

Direcciones

CPU

Datos

ROM

RAM

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RISC y CISC

 RISC : Reduced Instruction Set Computer.
 Juego de instrucciones reducido o simplificado

 Estructura pipeline (Ejecuta una instrucción mientras

decodifica la siguiente).

 Un ciclo máquina por instrucción.

 CISC : Complex Instruction Set Computer.

 Juego de instrucciones complejo.

 Estructura tipo pipeline y paralela (ejectura en una sola

instrucción CISC varias RISC).

 Dos o mas instrucciones por ciclo máquina

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Arquitectura de una PC

 Un sistema a base de una CPU se compone de 2 tipos de

memoria: Memoria de programa (ROM) y memoria de
datos (RAM).

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Arquitectura de una PC

 La distribución de la memoria dentro de la computadora se

suele denominar mapa de memoria y en el es posible observar
en que zona se encuentran ubicados los registros y programas
del sistema operativo.

 Independientemente de la disponibilidad de memoria, el limite

real de direccionamiento va a estar dado por el sistema
operativo que se esta usando, por ejemplo el sistema
operativo D.O.S. independientemente de la memoria instalada
puede direccionar como área de trabajo 640 Kb.

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Arquitectura de una PC

 Cuatro clases principales de técnicas se aplican

comúnmente en forma individual o combinada para
controlar la transferencia de datos de Entrada -
Salida:

 1.- Entrada – Salida controlada por programa

 2.- Entrada – Salida por interrupciones

 3.- Acceso directo a memoria (DMA)

 4.- Entrada – Salida mapeada por direcciones

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