UNIVERSIDAD DE MATANZAS CAMILO CIENFUEGOS. FACULTAD DE INGENIERÍAS QUÍMICA Y MECANICA. INTRODUCCION A LOS MICROPROCESADORES

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1 UNIVERSIDAD DE MATANZAS CAMILO CIENFUEGOS. FACULTAD DE INGENIERÍAS QUÍMICA Y MECANICA. INTRODUCCION A LOS MICROPROCESADORES Dr. C.T. Ing. Evaristo González Milanés. DICIEMBRE, 2003

2 INTRODUCCION A LOS MICROPROCESADORES Autor: Dr. Evaristo González Milanés Dpto. Física Universidad de Matanzas. INTRODUCCIÓN. Los microprocesadores han venido a ser el resultado del desarrollo en el camino emprendido por la Electrónica Digital hacia la miniaturización, primeramente implementando una unidad de procesos completa en una sola pastilla o chip de circuito integrado, y posteriormente, mediante el aumento de la rapidez, capacidad de trabajo y potencia de dicha unidad. La aparición de los microprocesadores (MP) representa el siguiente punto de salto en la electrónica después del ocurrido con la invención del transistor, y la tecnología de su construcción avanza tan rápidamente que prácticamente ha revolucionado en corto tiempo el desarrollo de múltiples campos de la ciencia y la técnica, a la vez que se introduce de manera convincente en nuestra vida doméstica, siendo difícil mencionar una rama o campo de la ciencia en la cual no exista una aplicación de los microprocesadores. De hecho, cada día aumenta el número de instrumentos, sistemas de control de procesos, medios y equipos para las telecomunicaciones, medicina, servicios públicos e incluso juguetes, que emplean dentro de su estructura algún tipo de MP, sin entrar a considerar el hecho real de la introducción, divulgación y aceptación que han tenido las nuevas generaciones de computadoras digitales basadas en este componente y que son conocidas por nosotros como microcomputadoras. Es difícil predecir qué pasará en la electrónica en los próximos años, pero de acuerdo con la opinión de personalidades de esta rama, la influencia de los MP en el futuro será cada vez mayor y de ahí la importancia de preparar a los profesionales encargados de su aplicación y desarrollo, y de que a su vez, los graduados de nivel superior posean conocimientos elementales que les permitan ganar en la cultura general necesaria que sirva de base a un conocimiento mayor de la aplicación específica en el campo en que desarrollarán su vida profesional. Este material no es más que un primer intento para cubrir la limitación de información que sobre este tema presenta el texto que se emplea en la asignatura Electrónica, que se imparte a las carreras de Ciencias Técnicas, permitiendo a los estudiantes disponer de forma condensada de los contenidos relacionados con esta temática previstos en dicha asignatura. 1

3 1-)Computadora Digital. Una computadora digital puede entenderse como un sistema que explora secuencialmente una información almacenada llamada programa, interpreta este programa y lo ejecuta. Para ello el sistema dispone de un HARDWARE, o sea, de una constitución física conformada por circuitos integrados interconectados sobre tarjetas de circuito impreso agrupadas en elementos funcionales de características definidas que conforman la MEMORIA, la UNIDAD de CONTROL, la UNIDAD LOGICO-ARITMETICA y las UNIDADES de ENTRADA-SALIDA. Simultáneamente dispone de un soporte no físico sino operativo, de un método de diálogo y por tanto de aceptación de órdenes, y de generación de mensajes. Ello lo constituye el conjunto de instrucciones al cual responde directamente, y es un elemento que caracteriza a cada computadora, y que recibe el nombre de SOFTWARE básico. El SOFTWARE no se limita al conjunto de instrucciones, sino que incluye también programas inteligibles por el computador, por tanto escritos de acuerdo con el SOFTWARE básico y que permiten interpretar programas escritos con lenguajes más evolucionados. El programa lo constituye un listado detallado de operaciones a desarrollar por la computadora en un orden consecutivo y lógico y es escrito en un lenguaje que sea comprensible para la máquina y que por tanto permita alcanzar ciertos resultados. El programador, atendiendo al lenguaje de la máquina que lo ocupa, al problema específico y a las operaciones simples que la máquina puede realizar, confecciona el listado de instrucciones (órdenes), a través de las cuales especifica la operación que debe ejecutar y la ubicación del o de los operandos sobre los que ejecutará la acción indicada. Este programa se carga (almacena) en la memoria en el orden secuencial previsto, constituyendo cada instrucción un grupo de 1 y de 0 que caracteriza o define una operación y no a otra. A esta representación binaria de las instrucciones de una computadora se le llama lenguaje de máquina o código de máquina. Los programas que pueden ser directamente ejecutados por una computadora digital están pues almacenados en lenguaje de máquina, no obstante, confeccionar programas en lenguaje de máquina resulta una tarea laboriosa y compleja, por lo que surgió el interés de crear lenguajes más asequibles para el ser humano y que tuviesen una cierta relación con la manera con que aquél especifica las operaciones de un proceso de información. De esta forma nació el lenguaje simbólico (assembler), que sustituye las combinaciones binarias del lenguaje de máquina por nombres simbólicos que hacen referencia a la operación que realiza la computadora cuando ejecuta la instrucción correspondiente. Cada instrucción del lenguaje simbólico es equivalente a una instrucción del lenguaje de máquina. Aunque el lenguaje simbólico es más fácil de manejar que el de máquina, todavía dista bastante del utilizado por el ser humano para expresar los procesos de información, en especial las operaciones complejas que implican la ejecución de un número elevado de operaciones elementales en secuencia. Por ello se crearon lenguajes 2

4 de alto nivel que permiten especificar más fácilmente los procesos de información, donde cada instrucción se convierte posteriormente en un conjunto de instrucciones en lenguaje de máquina. Tanto el lenguaje simbólico como los de alto nivel, hicieron necesario el desarrollo de programas que al ser ejecutados por un computador tradujeran los programas escritos en aquellos al lenguaje de máquina. Estos programas traductores se conocen con el nombre de compiladores y realizan la traducción al lenguaje de máquina para la totalidad del programa de una sola vez. Esta versión traducida del programa escrito en un lenguaje de alto nivel (llamado programa fuente), se denomina programa objeto, y puede transferirse a la memoria y ejecutarse directamente. Los programas intérpretes utilizan otros principios de funcionamiento. Cada instrucción escrita en el programa fuente le indica al intérprete un conjunto de acciones que debe cumplir sin que medie un programa objeto en código de máquina. La principal ventaja de un intérprete es que permite fácilmente probar y poner a punto el programa. Tanto el programa intérprete como el programa fuente permanecen en la memoria durante la ejecución del programa, lo cual generalmente ocupa una mayor capacidad de memoria, y no se posee un programa objeto en código de máquina para su posterior concatenación con cualquier programa. Posteriormente surgió la combinación de intérprete y compilador en un solo paquete de programas, pudiendo aprovecharse las ventajas de ambos sistemas, como es el caso del TURBOBASIC, TURBOPASCAL, etc. 1.1-Generaciones de computadoras digitales. Desde la creación de las primeras computadoras digitales en el año 1947, se han sucedido diferentes generaciones o estadios de desarrollo tanto a nivel de HARDWARE como a nivel de SOFTWARE. En las llamadas primeras generaciones se utilizaron tubos de vacío como elementos lógicos y como memorias se utilizaron tambores magnéticos, el SOFTWARE aún no se llamaba así y era muy primario, a nivel de lenguaje-máquina y de tímidos ensayos simbólicos. En la 2da generación, hacia 1956, se utilizaron ya transistores de germanio y, posteriormente de silicio (el transistor se había inventado en 1947 y se había industrializado pocos años después.) por la parte lógica, la memoria ya fue de ferritas y se continuó usando memoria exterior de tambor, discos y cintas magnéticas; el SOFTWARE era el mismo de la anterior generación, pero incluía ya compiladores fortran aún bastante primarios, aunque fueron mejorando con el tiempo. El primer gran cambio de los lenguajes se produjo pues, en esta generación. Mientras hasta entonces los programas en lenguaje-máquina o en lenguaje simbólico debían ser escritos para una máquina concreta puesto que eran orientados a las máquinas, a partir de entonces fueron orientados al problema, por lo que el programa era aplicable a cualquier máquina siempre que existiera el traductor (compilador) adecuado a aquella máquina. La tercera generación apareció hacia 1964 simultáneamente con la aparición de las MINICOMPUTADORAS. El hardware era realizado con circuitos integrados RTL y ECL que evolucionaron hasta los TTL en La MEMORIA continuaba siendo de ferritas y el software llego a su mayoría de edad con lenguajes de alto nivel FORTRAN, COBOL y sobre todo con la aparición de SISTEMAS OPERATIVOS. Fue el momento de la incorporación de las computadoras al control del procesos. 3

5 La cuarta generación apareció hacia 1971 simultáneamente con la aparición de las MICROCOMPUTADORAS, de las terminales de TELEPROCESOS y solapándose con los lenguajes de más alto nivel (PL1, ALGOL68, BASIC, etc.). 4

6 1.2) Estructura de una Computadora Digital. La estructura típica de una computadora digital ha sido en las primeras generaciones la que se muestra en la figura. Memoria Entradas Unidad de Procesos Salidas Unidad de Control Esta estructura ha sido la primitiva y ha ido evolucionando variando, no en esencia, sino en forma, hasta llegar a una estructura más moderna, la cual se muestra a continuación: Bus de direcciones A Unidad Unidad de Unidad de Unidad de Unidad de Unidad de Entradas Memoria Procesos Control Salidas Bus de datos Bus de Control D C Puede verse que tanto en una como en otra figura las unidades funcionales son prácticamente las mismas; lo que ha sufrido modificaciones han sido las interconexiones de estas unidades, que modernamente se realizan por BUSES y antes no se realizaban así. Un bus está formado por un grupo de líneas por donde se trasmiten los datos, códigos de instrucción, señales de sincronización y códigos de dirección entre las diferentes unidades funcionales de la computadora de forma paralela lo que permite una alta velocidad de transmisión. La interconexión por buses ha representado un gran ahorro de interconexiones y una simplificación desde el punto de vista estructural. Esta evolución ha sido debida al desarrollo tecnológico que ha permitido obtener sistemas con tres estados lógicos posibles (TRI-STATE): 1 lógico, 0 lógico y 3er estado también denominado estado de alta impedancia, permitiendo que el dispositivo que no esté tomando parte del intercambio de información en un momento dado pueda aislarse. En realidad las líneas del bus se agrupan en tres, de acuerdo con la información que transportan: bus de dirección, bus de datos y bus de control. 5

7 El bus de datos es bidireccional y por él circulan los datos que llegan o salen de la computadora por las unidades de entrada y salida, así como los datos intermedios que son leídos o almacenados en la memoria.de acuerdo con la longitud de la palabra que es capaz de manejar el bus de datos, se designa la longitud de palabra de la microcomputadora. El bus de direcciones es unidireccional, y con el código binario que aparece en ese bus se selecciona la unidad o dispositivo que trabajará en cada instante. El bus de control está formado por varias líneas donde cada una posee una función muy específica e indica a cada una de las unidades y dispositivos externos la función que debe realizar. Así se logra la sincronización de todos los elementos de la computadora, lo cual queda a cargo de la unidad de control. También sirve para que la CPU reciba ciertas indicaciones de las unidades periféricas. En la figura se distinguen además los siguientes elementos funcionales: unidad de entradas, memorias, unidad de proceso, unidad de control y unidad de salidas. La unidad de entradas no es más que un multiplexor con el que se escoge por el bus de direcciones y el de control cuál de las informaciones presentes se desea traspasar al bus de datos. La unidad de memoria es el almacén tanto de instrucciones como de datos. La unidad de proceso realiza las operaciones aritméticas y lógicas con las informaciones que entran en ella a partir del bus de datos y el de direcciones. Tiene para ello una unidad aritmética lógica (ALU), uno o varios acumuladores, unos registros de indicadores o banderas, así como unos registros rápidos de trabajo (RRT) en los que se almacenan temporalmente los datos que no interesa guardar indefinidamente en memoria La unidad de control es el verdadero cerebro del sistema pues es capaz de tomar decisiones lógicas en el curso de la ejecución de un algoritmo. Es decir, según informaciones, normalmente suministradas por la unidad de procesos sobre el valor de algún resultado, se puede ejecutar una parte u otra del programa, sólo con ir a buscar las nuevas instrucciones a un sitio diferente de la memoria central. En ella se encuentra el contador de programas con su sistema de aritmética de direcciones y el puntero del stack. También se encuentra el registro de instrucciones, decodificador de instrucciones, registros auxiliares, etc. La unidad de salidas recibe por el bus de datos la información a sacar al exterior y por el bus de direcciones la dirección por la cual debe sacar los datos anteriormente mencionados. Generalmente la Unidad de Control y la Unidad de Procesos se agrupan en un solo bloque denominado UNIDAD CENTRAL de PROCESAMIENTO (CPU) Elementos básicos de una microcomputadora. Una microcomputadora consta de tres elementos fundamentales: Unidad Central de Procesamiento, la Memoria y las Unidades o Puertos de Entrada/Salida todo ello debidamente interconectado mediante un sistema de buses. Su esquema será entonces el mismo que aparece en la figura anteriormente mostrada, con la unión de las unidades de control y de proceso en un solo bloque llamado CPU. La CPU unifica el sistema controlando las funciones realizadas por los otros componentes. Se conoce bajo el nombre de microprocesador la CPU de la microcomputadora construida en una sola pastilla de circuito integrado (CI).Al igual que los procesadores de todas las computadoras, el microprocesador puede manejar tanto datos aritméticos como lógicos de forma paralela bajo el control de un programa. Sin embargo lo que los 6

8 fabricantes ofrecen bajo el nombre de microprocesador varía mucho de uno a otro modelo. En el 8080 por ejemplo, están integrados los bloques de procesos y la mayor parte del control, en el 6800 está completo proceso y control; en el 2650 se incluye además parte de las entradas/salidas, el 8048 es un ejemplo de los microcomputadores en una sola pastilla, pues incluye casi todo lo necesario para constituir un pequeño sistema, y en general, en la medida que se desarrollan los microprocesadores, estos abarcan cada vez estructuras mas complejas. A continuación haremos una descripción más detallada de cada uno de estos elementos de la microcomputadora Unidad de Memoria. En la memoria se almacenan los datos, los resultados y el programa de trabajo en el cual se basará la CPU para regir las actividades a realizar en el sistema. La memoria posee un conjunto de N posiciones numerados desde 0 hasta N-1, direccionables con n bits tal que 2 n = N. Por ejemplo con n=16 bits, se direccionan 2 16 = posiciones. Si cada una de estas posiciones permite guardar un byte (palabra de 8 bits), podemos decir abreviadamente que con n=16 bits se direccionan 64 Kbytes de memoria siendo 1Kbyte=1024 bytes. La longitud de la palabra que se almacena en la memoria coincide con la longitud de la palabra que es capaz de manejar el bus de datos, puesto que la memoria recibe y entrega información a dicho bus mediante los procesos llamados lectura y escritura. Con ayuda de un esquema pasaremos a describir como se llevan a efecto estos procesos: MEMR MEMW 0 1 N- N-1. MAR MDR n 2 = N AB DB CB Cuando la CPU desea hacer una lectura en la memoria, coloca en el bus de direcciones (AB) la dirección de la memoria que se desea leer, y coloca un 1 en MEMR (memory read) del bus de control (CB). La dirección se transfiere al registro de direcciones de memoria (MAR - memory adresss register) y desencadena el proceso de lectura como resultado del cual al cabo de cierto tiempo de acceso al contenido del registro direccionado, aparece en MDR (registro de datos de memoria - memory data register) y de ahí pasa al bus de datos (DB - data bus). La escritura se realiza de forma similar solo que se coloca un 1 en MEMW (memory write) y en MDR entra el contenido de DB que pasa a escribirse en la memoria 7

9 En la figura siguiente se muestra un segmento de 8 localizaciones de memoria cuyas direcciones están numeradas desde la 83F2H (el sufijo H significa que el número está escrito en notación hexadecimal) hasta la 83F9H: Dcion. CONTENIDO (Hex.) 83F (3E) 83F (41) 83F (FC) 83F (D5) 83F (7A) 83F (22) 83F (40) 83F (E8) Cada localización de memoria tiene su propio contenido. Por ejemplo, la localización con dirección 83F6H tiene como contenido , el cual expresado en hexadecimal corresponde a 7AH. Este contenido es el que se entrega al bus de datos en el caso de que sea direccionada esta localización y se diese la orden de lectura. Como se apuntó anteriormente una secuencia de instrucciones que persiguen un propósito determinado constituye un programa. Este programa se almacena en la memoria para ser ejecutado. La CPU lee cada instrucción de dicha secuencia y la utiliza para iniciar acciones de trabajo. La memoria también se usa para almacenar los datos que son manipulados. La CPU puede rápidamente tener acceso a cualquier dato almacenado en la memoria. La capacidad de la memoria que se mide en octetos (bytes), está dada por el número de localizaciones de memoria existentes. En muchas ocasiones se expresa en kilooctetos (Kbyte) y en otras indicando el producto del número de las localizaciones por el número de bits de cada una de ellas. Por ejemplo, una capacidad de 4K x 8 bits indica que la memoria contiene 4096 localizaciones de 8 bits cada una. El tiempo de acceso se define como la demora en tiempo desde el instante que se fija una dirección de memoria hasta que se tiene acceso a la información almacenada (tiempo de lectura), o se completa la modificación de la información almacenada (tiempo de escritura). El acceso aleatorio significa que el tiempo de acceso a una localización de memoria particular es independiente de su dirección. Por último debemos recordar que las memorias en las computadoras se clasifican en general en dos grupos: memorias de acceso aleatorio (RAM) con las cuales se conforma la memoria operativa y memoria de solo lectura (ROM) que integran la memoria permanente (con sus variantes PROM, EPROM, EEPROM, etc.) Interfaces, puertos o unidades de entrada-salida. Las interfaces de entrada y salida son toda una colección de hardware y de software que permite la comunicación entre la CPU y los dispositivos de entrada y de salida y de hecho con el mundo exterior. La parte correspondiente al software en la interface es llamada protocolo, y formalmente especifica las convenciones que gobierna el formato y la forma de control de las entradas y salidas entre dos sistemas de comunicaciones. Se necesita de la existencia de una interface de entrada debido a que los dispositivos de entrada generalmente no son compatibles con la CPU y por tanto es 8

10 necesario convertir las señales eléctricas de entrada en un tipo que sea aceptable a esta. Esto también se aplica aunque de forma invertida para el caso de los dispositivos de salida. Físicamente las interfaces de entrada y salida son C.I. extremadamente versátiles en sus funciones los cuales pueden ajustarse mediante la variación de sus software correspondientes. Las tareas más simples son realizadas por los puertos de entrada y salida (PIO). Los PIO pueden ser incluidos como parte integrante del C.I. junto a la CPU o pueden aparecer de forma independiente. En este último caso es un MSI chip (circuito integrado de escala de integración media), que contiene un buffer de registro de direcciones multimodo con salida de tres estados. A través de los puertos de entrada la microcomputadora puede recibir información de cualquier dispositivo externo, como por ejemplo, un teclado de caracteres alfanuméricos, un disco magnético, o las señales provenientes de un proceso industrial o un instrumento médico. A su vez la microcomputadora también requiere uno o más puertos que permitan a la CPU comunicar el resultado de su actividad al mundo exterior. La salida puede ir a un visualizador de televisión, para ser usada por un operador o un impresor para producir una copia legible en papel, también puede estar constituida por señales para el control de procesos que dirijan las operaciones de otro sistema. Tanto los puertos de entrada como los de salida son direccionables, es decir; para trasmitir información hacia el puerto, o recibirla donde esté, es necesario que la CPU envíe previamente un número que lo identifica y que constituye a su vez la dirección del puerto. Dos tipos de entrada-salida se hallan en la computadora en una tarjeta: los puertos de entrada-salida en paralelo y los puertos de entrada-salida en serie. Los PIO paralelos permiten la entrada-salida de datos en forma paralela, es decir, todas las líneas del bus de datos entran o salen a la vez de la microcomputadora, lo que posibilita una transferencia de datos entre la CPU y cualquier equipo periférico a alta velocidad. Los PIO en paralelo más usados son los de tipo programable, es decir, que puede la misma pastilla ser usada como entrada o como salida de acuerdo con el programa de instrucciones que realice el usuario. Ejemplo: El circuito integrado 8255 constituye un PIO programable con E/S Paralelo Tiene 8 terminales de datos que se conectan al bus de datos y 24 terminales de salida que pueden agruparse en tres grupos de 8 bits, ó 4 grupos (2 de 8 bits y 2 de 4 bits). Bus de Datos D0-D7 A0 A1 Rd Wr 8255 PA PB PB Cs 9

11 A1 A0 Rd Wr Cs x x x x 1 D0-D7 en 3er estado x x D0-D7 en 3er estado D0-D7 Puerto A D0-D7 Puerto A D0-D7 Puerto B D0-D7 Puerto B D0-D7 Puerto C D0-D7 Puerto C D0-D7 Palabra de Control De acuerdo con la tabla que se muestra, puede conocerse la combinación que se necesita aplicar a las entradas para producir el traspaso de la información en cualquier sentido entre el bus de datos y las salidas Pa, Pb y Pc. Los PIO serie se emplean cuando se requiere que la transferencia de datos entre los periféricos y la computadora, se realice en forma serie, es decir, bit a bit de cada octeto de dato. Por ejemplo, cuando se trasmiten datos entre dos computadoras a través de una línea telefónica, el formato que se utiliza es el de la transmisión en serie. Como la microcomputadora trabaja con los datos en paralelo, para trasmitir o recibir datos en serie es necesario un PIO que conecte datos de paralelo a serie y viceversa La gran ventaja de la transmisión en serie es que necesita solamente dos alambres para trasmitir todas las señales necesarias entre módulos o sistemas. Por otra parte, la desventaja radica en que el intercambio de datos se realiza a menor velocidad que si fuera en paralelo. Ej.: El circuito integrado Bus de Datos D0-D7 TxD Salida de Datos Serie Rd RxD Entrada de Datos Serie Wr Clock 8251 Cs Unidad Central de Procesamiento (CPU). Es el corazón de la microcomputadora, siendo la encargada de unificar el sistema a la vez que controla las funciones realizadas por las otras unidades. 10

12 Esta unidad es capaz de buscar instrucciones en la memoria, decodificar su contenido y ejecutarlas. Es la encargada de comunicarse con la memoria y con los PID tantas veces como sea necesario durante la ejecución de un programa. La CPU deberá también reconocer y responder a ciertas señales de control externo, tales como solicitudes de interrupción u otras a fines. Lleva en su interior la base de tiempo que genera los ritmos o impulsos de reloj de las diferentes partes del sistema. Todas las instrucciones tienen dos tiempos fundamentales, llamados busca (fetch) y ejecución (execute). El tiempo de ejecución empieza por un subtiempo de decodificación de la instrucción y prosigue con la parte de ejecución que puede tener varios subtiempos, dependiendo del tipo de instrucción. La suma del tiempo de busca y el de ejecución, da lo que se conoce como ciclo de instrucción y el mismo depende no solo del tipo de instrucción sino también de las características de velocidad de la CPU. La CPU realiza también las operaciones aritméticas y lógicas, así como la transferencia entre acumulador, registros de trabajo, etc. Cuando la CPU se fabrica en un solo chip, a dicha estructura como señalamos anteriormente, se le da el nombre de microprocesador. Por la importancia que tienen estos dispositivos, en los epígrafes siguientes de este material se realizará un estudio más detallado del mismo. 2-Microprocesadores. Pocas áreas de la electrónica han experimentado un progreso tan acelerado como el ocurrido en el caso de los microprocesadores, las microcomputadoras y sus circuitos asociados correspondientes. La complejidad de los circuitos integrados prácticamente se ha ido duplicando en cada año a partir de los inicios de la década de los 60. Como consecuencia de este desarrollo, a finales de la década aparecieron los circuitos integrados de gran nivel de integración (LSI) los cuales realizaban funciones de un alto grado de complejidad. Ejemplo de ello fue el desarrollo de unidades lógicoaritméticos (ALU) en un chip, que podían ejecutar muchas de las funciones de las microcomputadoras actuales como son la suma, la resta, rotación y desplazamiento. Sin embargo, no fue hasta 1971 en que fue posible combinar esta unidad (ALU) con circuitos secuenciales tales como flip-flops, registros de desplazamientos y otros elementos, todo dentro de un chip, para dar lugar a un rudimentario microprocesador. La técnica de los microprocesadores implica una unión indisoluble entre el HARDWARE y el SOFTWARE. No será posible la construcción de un sistema completo si no se trabaja en ambos sentidos. Una microcomputadora está compuesta por un microprocesador, circuitos de entrada-salida y las memorias, todo ello unido a los equipos periféricos, estando íntimamente ligada la cantidad de estos elementos con las características de la aplicación particular. El microprocesador es el puesto de mando donde se dirige el proceso de la computadora y en el que ocurre una buena parte de él. De este componente depende la velocidad del proceso, el sistema operativo que se correrá e incluso una importante porción del consumo energético del equipo y del costo del sistema. Está constituido por un chip de silicio cuya área aproximada en dependencia del modelo es de apenas 1.5 cm 2 y en este reducido espacio se encuentran dispuestos varios millones de transistores que son los verdaderos actores de procesamiento lógico de la información. Desde el más humilde Intel 4004 que en 1971 trabajaba a 0.2 MHz., hasta el impresionante Pentium 4 de Intel con 3 GHz., todos los MP en esencia hacen lo mismo: 11

13 reciben la información binaria y la procesan sobre la base de instrucciones predefinidas que generan una nueva información también binaria. El MP reacciona constantemente a las instrucciones, pero no puede hacerlo con todas a la vez, porque estas se atascarían. Ello se resuelve mediante una espera del procesador hasta que se aprueba la recepción de la señal. El reloj del sistema determina el tiempo de espera. A espacios definidos de tiempo, el reloj envía impulsos eléctricos que marcan al sistema el rango de estas esperas. Si una instrucción se halla en espera y el procesador no está ocupado con instrucciones previas, le da entrada y trabaja con ellas. El número de instrucciones que el MP puede procesar por cada una de estas pulsaciones de reloj (ciclos) dependerá del diseño o arquitectura del mismo. En sus inicios las CPU podían manejar una sola instrucción por ciclo, pero en la actualidad esa cifra se ha incrementado notablemente a partir de dos concepciones aplicadas a la construcción de esos sistemas: la canalización y la ejecución superescalar. La canalización permite que el procesador lea una nueva instrucción de la memoria antes de terminar la fase de la instrucción en curso. Algunos de los modernos MP pueden trabajar simultáneamente con varias instrucciones. La profundidad del canal será la medida del flujo de datos que puede aceptar el sistema. Digamos por ejemplo que el tiene una profundidad de canal de 4, o sea, que hasta 4 instrucciones pueden encontrarse en distintas etapas de canalización, ya en el pentium esa cifra es de 5 y crece en el diseño de CPU con tecnología MMX y otros equivalentes como el K6 y en superiores como el pentium II. La ejecución superescalar significa que el sistema posee más de un canal, lo que significa que puede procesar más de un grupo de instrucciones a la vez. Si bien técnicamente esto debería multiplicar el desempeño, en la práctica no es exactamente así, pues ocurre que un canal espera a que termine el otro. No obstante, en términos prácticos optimiza el funcionamiento del procesador. En la historia de los MP han existido dos filosofías de diseño: la CISC y la RISC. CISC (Complex Instruction Set Computing), creada por IBM como un software sencillo almacenado en el chip y que contenía las instrucciones para el procesador, permitió salvar el escollo que representó la complejidad sucesiva de las aplicaciones de software que en otras circunstancias habría llevado al cambio constante del hardware en función de los programas. Al ejecutarse, los programas CISC ocupaban menos espacio en memoria y esta última valía en los años 60 y 70 más que el oro. CISC se incluye en los procesadores Mainframe de IBM, los Motorola 680X0 y es emblemático de los procesadores Intel, principalmente de los X86 y todavía se utiliza en los pentium actuales. En el diseño RISC (Reduced Instruction-Set Computing), existen menos instrucciones, cada una tiene una longitud de 32 bits y se ejecuta en un solo ciclo de reloj. Con esta arquitectura, los procesadores incorporan una caché de memoria de alta velocidad en la que se almacenan la secuencia de instrucciones a ejecutar. El uso eficaz de tales datos depende en gran medida de la canalización, que en esta arquitectura adquiere un protagonismo indiscutible. Bajo esta concepción se desarrollaron algunas de las CPU más poderosas en la actualidad tales como los Power PC de Macintosh, incluido el célebre 750, más conocido como G3, los alpha de las estaciones Silicon Graphics y los SPARC de Sun Microsystem. Incluso hasta unidades tan sencillas como las máquinas de juego Nintendo, poseen en su interior uno de estos dispositivos. Por sus innumerables aplicaciones los microprocesadores han invadido los más diversos campos de la ciencia y la técnica, abarcando desde complejos sistemas de control o de computo hasta sencillos equipos electrodomésticos o de juguetería, 12

14 incluyendo sistemas de comunicación de datos, diagnóstico médico, control numérico de máquinas herramientas y otros. Dentro de las ventajas de los sistemas con los microprocesadores podemos señalar las siguientes: a-) Pueden realizar muchas operaciones por software, en lugar de usar componentes electrónicos. b-) Reducción del tamaño, no sólo del microprocesador, sino del resto de los circuitos que lo complementan. c-) Aumento de la fiabilidad, ya que disminuye el número de componentes. d-) Flexibilidad en el diseño. e-) Disminución de los costos tanto en diseño, como de la producción y reparaciones. En cuanto a las desventajas mencionaremos: a-) El aprendizaje del software, pues cada microprocesador posee un juego de instrucciones a las cuales responde. b-) Los métodos difíciles de prueba que deben hacerse a la velocidad de trabajo del microprocesador. 2.1) Estructura típica de un microprocesador de 8 bits. ( ver esquema anexo). Aún el microprocesador más simple presenta una estructura compleja, pues en ella se encuentran un gran número de nudos y unidades tales como sumadores, decodificadores, registros de todo tipo, flip-flops, esquemas lógicos, etc. Por otra parte, la rapidez, potencia y complejidad de estos dispositivos se perfeccionan más cada día, por lo cual no es posible en un material de este tipo efectuar un estudio profundo de este aspecto, además de irse fuera de los objetivos que no hemos trazado con su escritura. Es por ello que para brindar una idea general de la estructura y lograr una comprensión más simple, analizaremos como se conforman los MP de 8 bits y para ello consideraremos la existencia de dos bloques funcionales dentro del microprocesador, a los cuales denominaremos como bloque, subsistema o unidad de procesamiento, y bloque, subsistema o unidad de control. 2.2) Bloque de Procesamiento. El núcleo fundamental del bloque de procesamiento lo constituye la unidad aritmética y lógica (ALU), la cual está conformada por un circuito combinacional capaz de realizar las operaciones aritméticas (suma y resta) y lógicas (and, or, not, etc) indicadas en el código de la operación. Para poder realizar su función la ALU cuenta con la ayuda de varios registros. La ALU puede operar con los datos provenientes de uno o a lo sumo dos de los registros a la misma vez. Uno de estos registros es más versátil que los restantes y recibe el nombre de acumulador, mientras que los otros registros se denominan de propósito general. Estos registros se utilizan para: -almacenamiento temporal de datos y direcciones -su contenido se puede transferir entre ellos y con la memoria -sumar su contenido con el que existe en el acumulador -comparar su contenido con el que existe en el acumulador -incrementar o decrementar su contenido, etc. 13

15 El acumulador además de las funciones antes mencionadas podrá: -rotar su contenido -complementar su contenido -aceptar o enviar datos a los PIO -realizar operaciones aritméticas y lógicas con el contenido de cualquiera de los registros de propósito general -en general el acumulador siempre es el origen de uno de los operandos y el destino del resultado. Los dispositivos encargados de transferir el contenido del registro seleccionado hacia la entrada de la ALU son los llamados multiplexores. Igualmente otros multiplexores serán los que muevan la información desde la salida de la ALU hacia un registro de destino, donde se mantiene la información hasta que sea requerida por algún circuito externo. Todas estas operaciones son controladas por un circuito secuencial el cual se acopla a todos los registros y multiplexores. Por ejemplo, para un microprocesador de 8 bits, el acumulador y los multiplexores son dispositivos capaces de manejar una longitud de palabra de 8 bits, aunque en el caso de los registros de propósitos generales pueden en ocasiones utilizarse por parejas y conformar una estructura de 16 bits ) Registro de Indicadores. Existe aquí además un registro sumamente importante denominado registro de indicadores o banderas, el cual trabaja muy vinculado a la ALU, ya que le va indicando a ésta el estado de las operaciones aritméticas o de rotación que va realizando. Por ejemplo en el MP 8080 el registro de indicadores posee 8 bits, pero sólo 5 de ellos son significativos de acuerdo a la estructura que se muestra a continuación: SIGNO ACARREO PARIDAD ACARREO S D7 Z D6 X D5 A C D4 X D3 P D2 X D1 C D0 CERO DO (ACARREO)-Se activa en 1 cuando al realizar una operación aritmética el resultado no cabe en el acumulador. Ejemplo: Binario Decimal Acarreo Al realizar una operación de dos bytes se obtuvo como resultado un número de 9 bits, haciéndose necesario entonces un 1 en el indicador de acarreo. D2 (PARIDAD) - Si al efectuar una operación, el número de bits presente con el estado lógico 1 es par (2, 4, 6 u 8), se fija un 0 lógico en el bit de paridad. De la misma forma 14

16 si el número de 1 lógicos en el acumulador es impar (1, 3, 5 ó 7), se fija un 1 lógico en dicho bit de paridad. Ejemplo: Si en el acumulador hay entonces D2 es cero, pero si el contenido del acumulador es entonces D2 es 1. D6 (INDICADOR DE CERO). - Se activa con 1 lógico cuando el resultado de la operación en el acumulador da , y presenta un 0 lógico en caso contrario. D7 (INDICADOR DE SIGNO). Si está en 1 lógico indica que el contenido del acumulador es negativo y el 0 lógico indica que es positivo. D4 (ACARREO AUXILIAR).- El programador no tiene acceso a él. Se utiliza para convertir un número de binario a BCD. En otros microprocesadores pueden emplearse otros tipos de indicadores. Algunos de ellos los relacionamos a continuación: E - se activa con la existencia de dos palabras de entrada iguales. GT-indica una palabra de entrada mayor que la existente en la otra entrada. GE- indica una palabra de entrada mayor o igual que la existente en la otra entrada. LT- indica una palabra de entrada menor que la existente en la otra entrada. LE - indica una palabra de entrada menor o igual que la existente en la otra entrada. 2.3) Bloque de Control. El bloque o unidad de control constituye el cerebro rector de todas las actividades dentro del microprocesador. Entre sus funciones fundamentales se encuentra el decodificar (interpretar) los códigos de operación de las instrucciones del programa, y el generar las señales que viajan por el bus de control, las cuales deben estar sincronizadas para su correcta manipulación por el resto de las unidades. Dentro de las secciones que constituyen esta unidad se encuentra el registro de instrucciones, el decodificador de instrucciones y el contador de programa. Un contador de programa típico para un microprocesador de 8 bits, almacena una palabra de 16 bits. El contenido de este contador se corresponde con la localización de memoria externa donde se encuentra la instrucción que se ejecuta por el microprocesador; o lo que es lo mismo, la dirección de la memoria que se encuentra activada. Este contador se incrementa automáticamente en una unidad durante cada ciclo de máquina. Cuando se inicia el proceso de ejecución de un programa, un circuito externo fija el contenido del contador de programa el cual será la dirección específica de la memoria en la cual se encuentra almacenada la primera instrucción del programa. Esta instrucción se lee en la memoria, y mediante el bus de datos se traslada al registro de instrucciones. El registro de instrucciones es el encargado de almacenar temporalmente la instrucción extraída de la memoria para que el decodificador de instrucciones determine cuál es la operación que se debe hacer. De acuerdo con ello este decodificador producirá las señales necesarias para encaminar los datos en un sentido o el otro, indicará que operación deberá hacer la ALU y si hay que producir algún cambio en el contador de 15

17 programa, a la vez que emitirá las señales para entrelazar todos los diversos registros del microprocesador que son necesarios para la ejecución del una instrucción en particular. La unidad de control cuenta además con una sección de tiempo o sincronización que realiza una función muy importante, pues el MP como ya hemos señalado a partir de la salida del decodificador de instrucciones tiene que especificar los ciclos apropiados de máquina que son necesarios para la ejecución correcta de dicha instrucción. Todo esto es posible lograrlo mediante la generación de la señal de control y de tiempo internas apropiadas y su envío a los diferentes elementos y componentes dentro y fuera de MP. Para sincronizar todo este proceso los MP disponen de un generador interno de pulsos llamados pulsos de reloj, cuya frecuencia se controla exteriormente mediante una red RC o modernamente mediante un CRISTAL conectado a sus terminales. En el microprocesador se encuentran también presentes algunos registros adicionales que se utilizan para el almacenamiento temporal de datos. Por ejemplo, usualmente se coloca un registro entre el contador de programa y la memoria, que se denomina registro de direcciones de memoria (MAR); y entre la memoria y el registro de instrucciones en ocasiones se emplea un registro denominado registro de datos de memoria (MDR). Cada instrucción programada por un usuario requiere de la realización de un determinado número de operaciones internas denominadas microinstrucciones, y de aquí surge la necesidad de almacenar un cierto número de resultados intermedios. El conjunto particular de microinstrucciones de un microprocesador se almacena en una ROM llamada ROM de control o microrom, la cual generalmente se encuentra dentro del propio C.I. del microprocesador. 2.4) Temporización y Sincronización. En cada microprocesador, el tiempo de duración de los eventos, o sea, la velocidad a la cual se procesa, está determinado por los pulsos de reloj. Estos pulsos difieren de un MP a otro, utilizándose en algunos de los casos un sólo tren de pulsos, mientras que en otros se emplean dos. En el ejemplo representado en la figura se emplean dos trenes o grupos de sucesión de pulsos Q1 y Q2, suministrando por un generador de reloj, llamado comúnmente sólo como reloj. 1 2 Período de reloj Cada tren de pulsos está compuesto de pulsos cuadrados idénticos en amplitud, duración y frecuencia de repetición, pero la fase Q1 está desplazada de la fase Q2 por medio período, o sea, la salida de Q2 está demorada T/2 en relación con la salida de Q1. El cambio de un estado a otro del MP se produce en sincronización con estos pulsos de reloj. La secuencia de estados a través de los cuáles se desplaza el control 16

18 durante el procesamiento de una instrucción, es a lo que se le denomina ciclo de instrucción. La sucesión de estados (generalmente entre 3 y 5) en los cuales se efectúa una comunicación con la memoria y se procesa el dato por este comunicado, constituye lo que se conoce con el nombre de ciclo de máquina. En general un ciclo de instrucción está compuesto de uno o varios ciclos de máquina en dependencia de su complejidad. 2.5) Instrucciones que alteran el contador de programa. Existen instrucciones que conllevan a una alteración del contenido del contador de programas. Dentro de ellas se encuentran la realización de las siguientes operaciones: a) salto incondicional (JMP) b) salto condicional (JNZ, JP) c) salto a subrutinas (CALL, CNC, CC) d) instrucciones de retorno (RET, RPU, RM) e) instrucciones de carga (PCHL) d) interrupción. Siempre que se realice un salto a subrutina debe, después de haberla ejecutado, aparecer una instrucción de retorno, y el contador de programa debe retornar a su valor original desde donde saltó para continuar la ejecución del programa. Para garantizar esto se crea una zona en memoria (RAM) llamada STACK (pila), llamada así por la estructura que tiene de almacenar los datos en forma de pila, donde el último dato que entra es el primero que sale (LIFO - last in first out). Cuando se realiza un salto a subrutina, el contenido del contador de programa (PC) se guarda en la pila; si dentro de esa subrutina salta a otra, se vuelve a guardar en la pila el contenido que tenia el contador de programa y así sucesivamente; esto permite que al ir terminando la ejecución de cada subrutina se vaya retornando hacia el programa principal con sólo llevar con cada instrucción de retorno el último dato que entró a la pila al PC. Pero existe un detalle muy importante. Es necesario saber en que localización de memoria se encuentra el último dato que queda en la pila. Es por ello que existe el puntero del stack. 17

19 2.5.1)Puntero del STACK (SP). Es un registro de 16 bits que se encuentra dentro del MP, encargado de indicar la próxima localización posible de memoria a ser ocupada dentro del stack. Este registro se carga inicialmente con el código que representa la primera capacidad de memoria vacía que será utilizada como pila y se irá decrementando en una unidad cada vez que se introduzca un dato de 8 bits. Por cada dato extraído se produce un incremento. Veamos cómo trabaja el puntero del stack mediante un esquema: PROGRAMA PRINCIPAL SP PILA SUBRUTINA A PILA SUBRUTINA B SP DR1 DR2 DR1 DR1 1 DR PILA PILA SP SP DR1 Si la salida del programa en lugar de ser por un salto a subrutina es por una interrupción, además de la dirección en que se estaba, en la pila se guardan los datos necesarios para poder continuar la ejecución del programa ) Interrupciones. Formalmente el tratamiento de interrupciones es bastante semejante al de salto a subrutina, pues en realidad es un salto a subrutina. Sin embargo, este es un nuevo mecanismo con una función diferente y, por cierto, muy utilizado en las aplicaciones con microprocesadores. En principio cuando un procesador ejecuta un programa no existe forma de alterar la frecuencia predeterminada (y que incluye, claro está, saltos y subrutinas). En estas condiciones la CPU sólo se entera de acontecimientos externos (por ejemplo llegada de datos o petición de resultados por parte de algún periférico), si se realiza por iniciativa del programa una verificación de dichos posibles acontecimientos. Ello obligaría al programador a incluir periódicamente subrutinas de comprobación de periféricos y llevar en todo momento control de los tiempos de ejecución. Las interrupciones son solicitudes de servicio que llegan por líneas especiales (en un mecanismo de hardware), y que pueden recabar la atención de la CPU en 18

20 cualquier momento. Después será cuestión del procesador el decidir si dicho servicio es prioritario o no sobre lo que estaba haciendo, y romper la secuencia en curso. Como ya se ha dicho, formalmente una interrupción es muy parecida a un salto a subrutina, pero la llamada no se realiza por una instrucción especial sino activando asíncronamente una línea especial (puede haber varias). La CPU termina la instrucción en curso y después o sale hacia donde debe saltar o lo pregunta. Los detalles deben ser estudiados en relación a cada máquina en concreto. Existe sin embargo una diferencia muy importante entre el salto a subrutina dentro de un programa y el salto a la subrutina de atención a una interrupción. Cuando el procesador la recibe, está ejecutando una tarea que en cada momento está representada por un conjunto de informaciones de las cuales depende la evolución posterior de su trabajo, y que deben de ser preservadas si la tarea que está realizando ahora, más adelante ha de reemprenderse en el mismo punto en que se abandonó para atender la interrupción. Estas informaciones pueden ser resultados parciales o datos en memoria, datos presentados por el medio exterior, etc. que en principio no se pierden ni se alteran por el cambio de tarea pero también se necesita guardar todo el estado de la CPU, es decir, el contenido de sus registros, pues estos van a sufrir alteraciones. Por tanto en el salto a interrupción no basta con guardar el contenido de PC (dirección de retorno) sino que es necesario guardar en principio los contenidos del acumulador, registro de estado, registros generales de trabajo, etc. Para ello se utiliza también el stack. Según el microprocesador que se trate, la salvaguarda del estado se realiza automáticamente al aceptar la interrupción, o bien el mismo programador lo incluye como primeras instrucciones en la subrutina del servicio. De la misma forma la recuperación de estos datos puede ser automática con la instrucción RTI (retorno desde interrupción), o bien por instrucciones especiales antes de RET. Las instrucciones especiales son PUSH, guardar un dato en el STACK (al mismo tiempo que se decrementa el SP), o POP, recuperar un dato del STACK (incrementando previamente SP). Las operaciones de entrada-salida controladas por interrupción se deben utilizar cuando el tiempo de respuesta a la solicitud de atención por parte de un periférico ha de ser lo más rápido posible. La secuencia de operaciones es la siguiente: - el periférico solicita señal de servicio a través de una señal que activa una de sus líneas de interrupción - la CPU completa la ejecución de la instrucción en curso, guarda el contenido del contador de programa (para asegurar la dirección de retorno) y salta a ejecutar la subrutina de interrupción, emitiendo una señal de reconocimiento a esta interrupción - la subrutina de interrupción deberá, a veces, determinar el circuito que ha solicitado servicio, y en consecuencia, la dirección del programa que realmente se debe ejecutar. También deberá guardar el contenido de los registros de trabajo, en el caso que no se haga en forma automática - se ejecuta el programa de atención al periférico - el contenido del contador de programa de los registros es restaurado y la ejecución del programa que se había interrumpido se reanuda. 19

21 2.6) Acceso directo a memoria. El acceso directo a memoria es un procedimiento hardware que permite la transferencia de datos entre un periférico y memoria, solo limitado por la velocidad de acceso a memoria y sin intervención de la CPU. Este procedimiento se utiliza en la transferencia de datos y tiene que ser muy rápido, por lo que no puede ser controlado por el microprocesador. Tal es el caso de los visualizadores con tubos de rayos catódicos, los cuales las velocidades de transferencia de datos que requieren son tan altas, que no las permite ningún tipo de PIO bajo el control directo del microprocesador y su programa asociado. La secuencia de operaciones que se utiliza es la siguiente: - el periférico provoca una interrupción en un circuito especial denominado controlador de DMA. - el controlador solicita la suspensión de la ejecución de trabajo al CPU mediante la señal de HOLD - la CPU completa la instrucción que está ejecutando en el momento de recibir la señal HOLD y entonces pone en tri-state (tercer estado) sus buses, y envía una señal de reconocimiento al controlador (HLDA) - el controlador utiliza los buses para iniciar la transferencia, llevando el control de la dirección de arranque y el número de bytes a trasmitir - terminada la transferencia, el controlador desactiva la señal de HOLD, permitiendo a la CPU reanudar su tarea. Existen circuitos integrados controladores de DMA que pueden gestionar varios canales de acceso a memoria. Algunos microprocesadores (8080, Z80, etc.) tienen independizado el acceso a la memoria y a las PIO mediante instrucciones diferentes (MOV A,M ; IN XX ; etc. ), esto implica la existencia de señales de control especializadas para cada tipo de acceso, de tal forma que se pueden diferenciar claramente los direccionamientos de memoria y de PIO. Por el contrario, existen otros (6800, etc.) que no tienen esta diferenciación y las PIO ocupan posiciones reales en el direccionamiento de memoria y son tratados como tales con el mismo tipo de instrucciones. El primer procedimiento tiene la ventaja fundamental de independizar los procesos de memoria y I/O y tiene el inconveniente de la falta de flexibilidad en el tratamiento de la información, ya que todos los intercambios se realizan a través del acumulador; el segundo procedimiento tiene las ventajas de flexibilidad que se derivan de considerar los PIO como verdaderas posiciones de memoria en funciones de entrada-salida. Los circuitos de I/O operan normalmente de una forma asíncrona respecto al modo de operación del microcomputador, y resulta necesario sincronizar la ejecución del programa con la operación de los circuitos I/O. El método adoptado depende del tiempo máximo de retraso que se permite en la atención a los acontecimientos que reflejan las I/O y de la posibilidad de intercalar las actividades de proceso con la de adquisición y emisión de datos. Las transferencias de datos de I/O se pueden organizar de las siguientes formas: 1) Operaciones de I/O por acceso directo a memoria (DMA). 2) Operaciones de I/O controladas por interrupción. 20