TEMA 13. INTRODUCCION A SISTEMAS PROGRAMABLES Y MICROS

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1 TEMA 13. INTRODUCCION A SISTEMAS PROGRAMABLES Y MICROS IEEE 125 Aniversary: 1

2 TEMA 13. LÓGICA PROGRAMADA - Introducción - Programabilidad - PLDs (Programmable Logic Device ) - Microprocesadores. Arquitectura de von Neumann 2

3 INTRODUCCIÓN Los sistemas que hemos estudiado hasta ahora ejecutan, en general, una única función (lógica rígida): LOGICA CABLEADA La economía de hardware es fundamental si se desean realizar determinadas operaciones Los circuitos secuenciales suponen una reducción notable de los costes hardware en comparación con los combinacionales,, a costa de incrementar el tiempo de operación El objetivo es que una misma estructura física sea capaz de efectuar múltiples operaciones: : LOGICA PROGRAMADA Programación: a este nivel, entendemos como tal la determinación,, a priori, del comportamiento de un sistema 3

4 PROGRAMABILIDAD Existen diferentes niveles de programación, según el modo de efectuarla: sistemas secuenciales síncronos programables, cuya expresión final son los microprocesadores El nivel más básico es la programación a nivel hardware: PLD o Programmable Logic Device son conjuntos de puertas lógicas l generadas tecnológicamente iguales que se programan en la etapa final Ventajas PLDs son: Reemplazan a varios componentes discretos (reducción nº Cis, espacio, conexiones, coste aumento de fiabilidad). Pueden ser reprogramados (eliminan errores de grabación y permiten mayor flexibilidad) Diseño sencillo (permiten programar a alto nivel y tienen posibilidad de simulación) 4

5 PROGRAMABILIDAD Los tres tipos de PLD o Programmable Logic Device más simples son: La memoria de solo lectura (ROM): matriz AND fija y OR programable El array lógico programable (PLA): matriz AND programable y matriz OR programable El array de lógica programable (PAL): matriz AND programable y matriz OR fija 5

6 PROGRAMABILIDAD Memoria de solo lectura (ROM( ROM): programada adecuadamente Permiten crear funciones de lógica combinacional arbitrarias con n un nº determinado de entradas: es el dispositivo lógico de mayor propósito general posible Se emplea un decodificador para generar los minterms: (Práctica decodificador) Tipos de programación: Máscara: ROM Fusibles: PROM, EPROM y EEPROM Floyd, T

7 PROGRAMABILIDAD Memoria de solo lectura (ROM( ROM): programada adecuadamente Mano, M. et al Desventajas: Lentas Consumen mucha potencia Sólo se utiliza parte de su capacidad en cada aplicación 7

8 PROGRAMABILIDAD Array Lógico Programable (PLA), año 1973 No decodifica todas las variables y no genera todos los minitérminos El decodificador se sustituye por un plano de puertas AND programable y un plano de puertas OR programable Puede ser programable por máscaras o por campo (por el cliente),, en cuyo caso se habla de FPLA Mano, M. et al F F 1 2 AB AC AC BC ABC 8

9 PROGRAMABILIDAD Arrays de Lógica Programable (PAL), año 1978 Tienen un plano OR fijo y uno AND programable (omite la matriz OR programable) Dispositivos más rápidos y baratos que los PLA Más fácil de programar que el PLA, pero no tan flexible En ocasiones una salida puede realimentar a las AND Pueden incluir flip-flops flops para implementar circuitos secuenciales Floyd, T

10 PROGRAMABILIDAD Arrays de Lógica Programable (PAL), año 1978 Ejemplo: F F 1 2 AB AC ABC AC BC AB C 10 Mano, M. et al. 2005

11 PROGRAMABILIDAD: PLDs 11

12 PROGRAMABILIDAD Posibilidad de programación por señales lógicas A P f B D. Pardo, et al Circuito que efectúa la operación AND si P= 0 y OR si P= 1 12

13 MICROPROCESADORES. ARQUITECTURA DE VON NEUMANN Los sistemas programables hardware son muy útiles, pero no son la mejor solución para tener un alto nivel de programabilidad Son necesarios sistemas mucho más flexibles, donde la programación esté basada en soluciones software Los sistemas microordenadores actuales están basados en la arquitectura de von Neumann La operación del sistema consiste (de manera simplificada): La función a realizar recibe el nombre de programa Cada paso para completar la función recibe el nombre de instrucción (operación fundamental muy simple) Programa: : secuencia (de manera síncrona con la señal de reloj) ordenada de instrucciones La realización de este tipo de estructuras con un sistema secuencial como los vistos hasta ahora sería inviable 13

14 MICROPROCESADORES. ARQUITECTURA DE VON NEUMANN Arquitectura de von Neumann: propone la organización del sistema en un conjunto de unidades con funcionalidades bien definidas y complementarias Memoria CPU: Unidad de control Unidad de proceso: Unidad de E/S ALU + registros Reloj : sincroniza todo el sistema compensando los retardos de los diferentes módulo. El sistema µp es un sistema secuencial, la secuencia que realiza es la ejecución continua de instrucciones. 14

15 MICROPROCESADORES. ARQUITECTURA DE VON NEUMANN Arquitectura de von Neumann: propone la organización del sistema en un conjunto de unidades con funcionalidades bien definidas y complementarias 15

16 MICROPROCESADORES. ARQUITECTURA DE VON NEUMANN Registros Unidad Aritmético-Lógica Memoria Principal Unidad de Entrada- -Salida Periférico Periférico Periférico Puntero Unidad de Control Memoria principal Generador de pulsos (Reloj) Línea de control Línea de datos D. Pardo, et al Está compuesta por un conjunto de celdas de igual tamaño En un instante dado se puede seleccionar una de estas celdas mediante una dirección determinada En la celda se puede leer (recuperar el valor almacenado previamente) o escribir (almacenar un nuevo valor) En la memoria se almacenan los datos y las instrucciones de máquina 16

17 MICROPROCESADORES. ARQUITECTURA DE VON NEUMANN CPU : Unidad de Control + Unidad de Proceso + Registros

18 MICROPROCESADORES. ARQUITECTURA DE VON NEUMANN Unidad de Control Interpreta y ejecuta las instrucciones que le llegan desde la memoria: Lee las instrucciones de máquina: opcode (a través del bus de datos) almacenadas en la memoria principal registro de instrucciones El decodificador de instrucciones selecciona las posiciones de esa instrucción en la ROM interna de la CPU (microinstrucciones). El secuenciador genera las señales de control necesarias para que q todo el computador funcione y ejecute las instrucciones leídas El registro apuntador llamado contador de programa (CP) que indica la posición de memoria en la que está almacenada la instrucción a ejecutar 18

19 MICROPROCESADORES. ARQUITECTURA DE VON NEUMANN Unidad de Control Ejemplo del Microprocesdor 8085 de Intel 19

20 MICROPROCESADORES. UNIDAD DE CONTROL La unidad de control se puede implementar de varias maneras Mediante lógica cableada : se basa en su construcción mediante puertas lógicas, por lo que es un diseño muy costoso y difícil de d modificar, aunque es muy rápido Mediante microprogramación: : la idea básica consiste en emplear una memoria para almacenar el estado de las señales de control en cada periodo de cada instrucción Cada palabra, que define un periodo de una instrucción, se llama microinstrucción, conteniendo las señales de control propias de cada caso Hoy en día, en la mayor parte de los procesadores se emplea una combinación entre ambas soluciones, empleando lógica cableada para las operaciones más sencillas y habituales y microprogramación para las operaciones más complejas 20

21 MICROPROCESADORES. ARQUITECTURA DE VON NEUMANN Unidad de Proceso u operativa (incluye Unidad Aritmético Lógica) Realiza una serie de operaciones aritméticas y lógicas elementales les (suma, resta, AND, OR, etc.) Los datos vienen de la memoria principal y se suministran a la ALU mediante dos registros: acumulador y registro 2º operando Almacenarse también el registro de estado (bit de paridad, cero, acarreo, overflow,, etc.) 21

22 MICROPROCESADORES. EJECUCIÓN DE LAS OPERACIONES La CPU se encarga de ejecutar las instrucciones Fases de ejecución de las instrucciones de máquina: 1. Búsqueda de la instrucción: FETCH La unidad de control envía a la memoria principal la dirección de la instrucción a ejecutar (contenido del CP), activando las señales de control necesarias para obtener r la mencionada instrucción. Se lleva al registro de instrucciones de la unidad de control. 2. La unidad de control recibe la instrucción, la decodifica: activan las señales de control y las señales correspondientes del secuenciador. 3. Búsqueda de operandos: : y lee los operandos de memoria, activando las correspondientes señales de control 4. Ejecución de la instrucción: Bajo las directrices de la unidad de control, se realiza la operación en la ALU sobre los operandos y se guarda el resultado en memoria o en un registro 5. Se incrementa el contador de programa y se pasa a la siguiente instrucción 22

23 MICROPROCESADORES. ARQUITECTURA DE VON NEUMANN Unidad de Entrada/Salida Registros Unidad Aritmético-Lógica Memoria Principal Puntero Unidad de Entrada- -Salida Periférico Periférico Periférico Unidad de Control Generador de pulsos (Reloj) Comunica el computador con el mundo exterior Línea de control Línea de datos Realiza la transferencia de información con las unidades exteriores llamadas periféricos (teclado, pantalla, impresora, unidades de disco, etc.) Permite, entre otras operaciones, cargar datos y programas en la l memoria principal y sacar resultados impresos D. Pardo, et al

24 MICROPROCESADORES. Unidad de Entrada/Salida La unidad de E/S se encarga de adaptar y adecuar la comunicación entre la CPU y estos dispositivos La comunicación puede ser de varios tipos: hombre máquina, máquina-máquina máquina, máquina-proceso Dos posibilidades: E/S programada: el procesador debe estar ejecutando un programa especial E/S concurrente (autónoma): no necesitan el soporte del procesador Cualquier periférico necesita un módulo adicional (interface( interface) ) que realiza la conexión del mismo con los buses del mircoprocesador. 24

25 MICROPROCESADORES Hoy en día, en la mayor parte de los procesadores se emplea una combinación entre ambas soluciones, empleando lógica cableada para las operaciones más sencillas y habituales y microprogramación para las operaciones más complejas Los procesadores, según su set de instrucciones se dividen en dos categorías CISC: conjunto de instrucciones complejo. Cada instrucción puede ejecutar varias operaciones de bajo nivel RISC: conjunto de instrucciones reducido. En estos sistemas, se consideran operaciones elementales que se ejecutan en el mismo tiempo Los procesadores modernos más comunes (Intel, AMD) son CISC con un conjunto de instrucciones que se realizan con microoperaciones,, permitiendo aunar en parte las ventajas de la operación paralela de los RISC con el conjunto de instrucciones amplio de los CISC 25

26 Agradecimientos Daniel Pardo Collantes, Área de Electrónica, Departamento de Física Aplicada. Universidad de Salamanca. Referencias Pardo Collantes, Daniel; Bailón Vega, Luís A., Fundamentos de Electrónica Digital.Universidad de Salamanca. Ediciones Universidad de Salamanca Tema VI: Memorias y Dispositivos de lógica programable (PLDs). Dpto de Sistemas Electrónicos y de Control. Universidad Politénica de Madrid. Mano M. Morris; Kime, Charles R., Fundamentos de diseño lógico y de computadoras, 3ª Edición, Pearson- Prentice Hall,