dr. andrés david garcía garcía escuela de diseño...

Arquitectura de Computadoras

Dr. Andrés David García García

Escuela de Diseño, Ingeniería y

Arquitectura

Departamento de Mecatrónica

EDIA/Mecatrónica/ADGG/20141


Microprocesadores y Periféricos

Objetivos:

Analizar la arquitectura interna y comprender el

funcionamiento de una Unidad Central de

Procesamiento.

Entender el funcionamiento de la arquitectura de

una computadora.

Comprender la función de cada uno de los

dispositivos periféricos asociados a una Unidad

Central de Procesamiento.

Introducción a los microprocesadores y

microcontroladores


Definiciones

Microprocesador

CPU

Microcontrolador

Elementos periféricos

Evolución de las familias

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.

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.

¿Dónde podemos encontrarlos?


Existen una gran variedad de aplicaciones a base de procesadores:

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.

ALU


El símbolo de una ALU:

ALU

A B

C

Banderas

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.

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.

Diseño de una ALU


Varias células bit-slice permiten construir una ALU más compleja:

ALU


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

ALU


Otro tipo de célula que se puede emplear es a base de multiplexores:

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

Arquitectura de una CPU


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).

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.

Sistema a base de un microprocesador


Arquitectura:

Memoria

ROM

Memoria

RAMTeclado Pantalla

/MWTC

/MRTC

/IOWC

/IORC

Bus de direcciones

Bus de datos

CPU

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.

CON B const ; carga el valor de la constante const en el registro B.

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.

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.

Tecnologías de fabricación de memorias

semiconductor


EPROM, no volatil.

SRAM, volatil.

DRAM, volatil.

Anti-Fusible, no volatil.

Flash, no volatil.

Dispositivos de entrada y salida


Teclado

Mouse

Monitor

Disco duro

Lector de disco flexible y CD-ROM

Puertos

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.

Arquitectura interna


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

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.

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.

Arquitectura Von Neumann


CPU

Registros

De

Status

ROM

RAM

EPROM

Puertos E/S

Datos/instrucciones

Direcciones

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.

Arquitectura Harvard


EPROM

Deco de

Instrucciones

CPU

Puertos E/S

ROM

RAM

Direcciones

Datos

Instrucciones

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

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).



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.



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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