PDF de programación - Unidad I: Introducción a los Microprocesadores y Microcontroladores

Universidad Nacional de Ingeniería

Arquitectura de Maquinas I

Unidad I: Introducción a los Microprocesadores

y Microcontroladores.

Tema: Microprocesadores

Arq. de Computadora I Ing. Carlos Ortega H.

1

Contenidos

Estructura de un Computador.
Memoria Principal.
Unidad Central de Procesos (CPU)
Unidad de Entrada/Salida
Dispositivos de Memoria Secundaria
Buses

Componentes Basicos de un Microprocesador
Unidad de Tratamientos
Unidad de Control
Coprocesador Matematico
Memoria Cache

¿Que es un Microcontrolador?
Arquitectura Interna
μP vs μC

Arq. de Computadora I Ing. Carlos Ortega H.

2

Estructura de un Computador

Microprocesador

Memoria Principal

Dispositivo de

Memoria Secundaria

Bus de Datos

Bus de Direcciones

Bus de Control

Perifericos de

Entrada

Perifericos de

Salida

Perifericos de
Entrada/Salida

Arq. de Computadora I Ing. Carlos Ortega H.

3

Memoria Principal

Microprocesador

Memoria Principal

Dispositivo de

Memoria Secundaria

Bus de Datos
Bus de Direcciones
Bus de Control

Perifericos de

Entrada

Perifericos de

Salida

Perifericos de
Entrada/Salida

Memoria Principal:
En ella se almacenan los datos e instrucciones necesarios para ejecutar los programas.

Memoria principal = Datos + Instrucciones.
Cada posición de memoria tiene asociada una dirección.

Arquitectura Von Neumann:
Una única memoria.

Arquitectura Harvard:
Dos memorias separadas: Datos, Instrucciones

Arq. de Computadora I Ing. Carlos Ortega H.

4

Unidad Central de Procesos (CPU)

Microprocesador

Memoria Principal

Dispositivo de

Memoria Secundaria

Bus de Datos
Bus de Direcciones
Bus de Control

Perifericos de

Entrada

Perifericos de

Salida

Perifericos de
Entrada/Salida

Unidad Central de Proceso

En ella se ejecutan las instrucciones que se leen de la memoria. En el caso de un
computador, normalmente se trata de un Microprocesador.

Microprocesador:

Unidad central de proceso implementada sobre un circuito integrado formado por
millones de transistores, encargado de realizar toda operación aritmético-lógica,
de control y de comunicación con el resto de los componentes integrados que
conforman un PC

Arq. de Computadora I Ing. Carlos Ortega H.

5

Unidad de Entrada/Salida

Microprocesador

Memoria Principal

Dispositivo de

Memoria Secundaria

Bus de Datos
Bus de Direcciones
Bus de Control

Perifericos de

Entrada

Perifericos de

Salida

Perifericos de
Entrada/Salida

Unidad de Entrada/Salida:

Permite la comunicación entre el microprocesador y los periféricos.
Periféricos de entrada: ratón, teclado, …
Periféricos de salida: monitor, impresora, …
Periféricos de entrada/salida: tarjeta de red, tarjeta de sonido, …

Arq. de Computadora I Ing. Carlos Ortega H.

6

Dispositivos de Memoria Secundaria

Microprocesador

Memoria Principal

Dispositivo de

Memoria Secundaria

Bus de Datos
Bus de Direcciones
Bus de Control

Perifericos de

Entrada

Perifericos de

Salida

Perifericos de
Entrada/Salida

Dispositivos de Memoria Secundaria:

Son periféricos de entrada/salida.
Permiten almacenar cantidades masivas de datos.
Almacenan los datos que no se están utilizando en ese momento.
Diferentes niveles en función de su capacidad/velocidad.
Ejemplos: disco duro, DVD, CD, pendrive, tarjeta SD, …

Arq. de Computadora I Ing. Carlos Ortega H.

7

Buses

Microprocesador

Memoria Principal

Dispositivo de

Memoria Secundaria

Bus de Datos
Bus de Direcciones
Bus de Control

Perifericos de

Entrada

Perifericos de

Salida

Perifericos de
Entrada/Salida

Bus de Sistema:
Mecanismo de comunicación entre los componentes del computador.

Bus de Datos
Circulan los datos que se transfieren entre dos componentes.

Bus de Direcciones
Localiza la ubicación de los datos dentro de una memoria o un periférico.

Bus de Control
Transmite las señales de control para coordinar las comunicaciones.

Arq. de Computadora I Ing. Carlos Ortega H.

8

Componentes Básicos de un

Microprocesador

Componentes de la arquitectura básica de un microprocesador:

Unidad de Tratamiento (ALU + registros).
Unidad de Control (Lógica de control + IR + PC).
Componentes incorporados a la arquitectura del microprocesador:
Coprocesador matemático
Memoria cache.

Arq. de Computadora I Ing. Carlos Ortega H.

9

Unidad de Tratamientos

No toma decisiones, sino que
simplemente hace lo que la UC le ordene.

El cometido de la Unidad de Tratamiento
es realizar las operaciones (procesar los
datos).

•Una Unidad Aritmético-Lógica (ALU: Arithmetic-Logic Unit) es un
circuito combinacional relativamente simple capaz de realizar
operaciones sencillas:

Operaciones Aritméticas (sumar, restar, multiplicar y dividir, …).
Operaciones Lógicas (and, or y not, …).
Otras operaciones (desplazamiento de bits, …).

Arq. de Computadora I Ing. Carlos Ortega H.

10

Unidad de Tratamientos

• Un registro es una pequeña memoria de unos pocos bits (según la arquitectura
puede ser de 8, 16, 32, 64, 128 bits…).

• El Banco de Registros (RF: Register File) es un conjunto de registros, cuya
función principal es servir de almacén temporal para los operandos y para los
resultados de las operaciones que realice la ALU.

Un registro es la memoria más rápida que posee el computador por lo que, si los
datos más utilizados están en los registros del procesador, nuestro programa se
ejecutará a mayor velocidad.

Arq. de Computadora I Ing. Carlos Ortega H.

11

Unidad de Control

Trabaja en un ciclo constante, controlado por un
reloj:
1. Lee las instrucciones.
2. Decodifica las instrucciones.
3. Manda órdenes (señales de control) al resto
de componentes para ejecutar la instrucción.

Sabe qué instrucción debe leer gracias al Contador de Programa (PC: Program
Counter). Es un registro que contiene la dirección de la próxima instrucción a ejecutar.

• La instrucción leída la almacena en el Registro de Instrucción (IR: Instruction Register).

• La Lógica de Control es un circuito que, recibiendo como entrada una instrucción,
devuelve como salida todas señales de control para cada componente del computador.
Para una única instrucción normalmente hay que dar varias órdenes a
diferentes componentes, y muchas veces estas órdenes deben ejecutarse en un orden
determinado.

Arq. de Computadora I Ing. Carlos Ortega H.

12

Unidad de Control

•La Unidad de Control además:

• Resuelve situaciones anómalas o de conflicto.
• Atiende las interrupciones.
• Controla la comunicación con los periféricos.

•Entradas de la UC:

• Código de operación (del registro IR).
• Período (del reloj).
• Registro de estado (en algunos casos).

•Salidas de la UC:

• Señales de control (especificadas en el cronograma). El diseño de la unidad de
control exige haber definido previamente las señales que hay que activar en cada
una de las instrucciones máquina que es capaz de interpretar.
• El registro de estado contiene información sobre determinadas condiciones de los
resultados de las operaciones (resultado 0, signo del resultado,…), así como
posibles situaciones anómalas o especiales (desbordamientos aritméticos, errores
de paridad,…).

Arq. de Computadora I Ing. Carlos Ortega H.

13

Coprocesador Matemático

• Un coprocesador matemático (FPU: Floating Point Unit) era un
circuito integrado que se añadía, opcionalmente, a un procesador para
poder realizar por hardware operaciones con números en coma flotante
(IEEE 754). Esto incrementaba el número de instrucciones disponibles.

• Los Intel 80386 y 80486SX podían utilizar respectivamente las FPUs
387 y 487.

• Los Intel a partir del 80486DX tienen su propio coprocesador
matemático integrado.

• En realidad, se puede llamar coprocesador matemático a otros
componentes que no son FPUs, pero igualmente descargan a la CPU
de realizar cálculos pesados:

GPUs
Tarjetas de sonido.

Arq. de Computadora I Ing. Carlos Ortega H.

14

Memoria Caché

• Memoria ultrarrápida de pequeña capacidad (8 KB a 16 MB) y muy cara. Está entre la
memoria principal y la CPU, mediante una conexión en serie o en paralelo.

• Es una memoria inteligente que lee de memoria bloques enteros que predice que
podrán ser necesitados por la CPU, antes de que ésta los solicite.

• Fue necesario incorporarla a partir de que los procesadores alcanzaron frecuencias
superiores a 20MHz (386). Con el tiempo se ha ido incrementando su capacidad, su
velocidad y su arquitectura.

• Las arquitecturas actuales incluyen hasta 3 niveles de cache:

Nivel 1: La más rápida pero más pequeña (64KB). La primera que se consulta.
Nivel 2: Compromiso entre velocidad y capacidad (hasta 512KB…).
Nivel 3: Más lenta pero gran capacidad (hasta 16MB). Físicamente externa.

Transferencia de Palabras

Transferencia deBloques

CPU

L1 L2 L3

Memoria Principal

Arq. de Computadora I Ing. Carlos Ortega H.

15

¿Qué es un Microcontrolador?

Un microcontrolador es un circuito integrado que incluye en su interior las tres
unidades funcionales de una computadora: unidad central de procesamiento,
memoria y periféricos de entrada y salida.

Software

I/O

Clk

Perifericos 2

Perifericos 1

μP

Memoria 1

Memoria 2

Vcc

Control

Ground

Arq. de Computadora I Ing. Carlos Ortega H.

16

Arquitectura Interna

 El procesador
 Memoria no volátil para el programa de control.
 Memoria de escritura y lectura para los datos.
 Líneas de E/S para el control de periféricos

a) Comunicación paralelo
b) Comunicación serie
c) Puertos diversos configurables como entrada o salida

 Recursos auxiliares
a) Circuito de reloj
b) Temporizadores
c) Perro guardián (watchdog)
d) Convertidores ADC y DAC
e) Comparadores analógicos
f) Protección ante fallos d