Microprocesadores y Periféricos

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
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.
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Introducción a los microprocesadores y
microcontroladores
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Definiciones
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Microprocesador
CPU
Microcontrolador
Elementos periféricos
Evolución de las familias
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Microprocesador
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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
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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?
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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
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El símbolo de una ALU:
C
ALU
A
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Banderas
B
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ALU
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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

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Varias células bit-slice permiten construir una ALU más
compleja:
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ALU
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La interfaz entre la ALU y el resto de la CPU:
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ALU
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Otro tipo de célula que se puede emplear es a
base de multiplexores:
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ALU
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Otro tipo de célula que se puede emplear es a
base de multiplexores:
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ALU
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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:
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
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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
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Arquitectura:
Bus de direcciones
CPU
Bus de datos
/MWTC
/MRTC
/IOWC
/IORC
Memoria
ROM
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Memoria
RAM
Teclado
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Pantalla
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.
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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
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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.

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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
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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
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

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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
ROM
CPU
RAM
Datos/instrucciones
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
Puertos E/S
EPROM
Instrucciones
Deco de
Instrucciones Direcciones
CPU
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Datos
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ROM
RAM
RISC y CISC

RISC : Reduced Instruction Set Computer.

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
CISC : Complex Instruction Set Computer.
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Juego de instrucciones reducido o simplificado
Estructura pipeline (Ejecuta una instrucción mientras
decodifica la siguiente).
Un ciclo máquina por instrucción.
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

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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:

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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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