Universidad Nacional de Ingeniera Arquitectura de Maquinas I

Universidad Nacional de Ingeniería Arquitectura de Maquinas I Unidad I: Introducción a los Microprocesadores y Microcontroladores. Tema: Microprocesadores

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

Estructura de un Computador Microprocesador Dispositivo de Memoria Secundaria Memoria Principal Bus de Datos Bus de Direcciones Bus de Control Perifericos de Entrada Perifericos de Salida Perifericos de Entrada/Salida

Memoria Principal Microprocesad or Dispositivo de Memoria Secundaria Memoria Principal Bus de Datos Bus de Direcciones Bus de Control Perifericos de Entrada Perifericos de Salida Perifericos de Entrada/Sali da 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

Unidad Central de Procesos (CPU) Microprocesad or Dispositivo de Memoria Secundaria Memoria Principal Bus de Datos Bus de Direcciones Bus de Control Perifericos de Entrada Perifericos de Salida Perifericos de Entrada/Sali da 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: 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

Unidad de Entrada/Salida Microprocesad or Dispositivo de Memoria Secundaria Memoria Principal Bus de Datos Bus de Direcciones Bus de Control Perifericos de Entrada Perifericos de Salida Perifericos de Entrada/Sali da 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, …

Dispositivos de Memoria Secundari Microprocesad or Dispositivo de Memoria Secundaria Memoria Principal Bus de Datos Bus de Direcciones Bus de Control Perifericos de Entrada Perifericos de Salida Perifericos de Entrada/Sali da 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, …

Buses Microprocesad or Dispositivo de Memoria Secundaria Memoria Principal Bus de Datos Bus de Direcciones Bus de Control Perifericos de Entrada Perifericos de Salida Perifericos de Entrada/Sali da 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

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.

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, …).

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.

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

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 con 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 posible situaciones anómalas o especiales (desbordamientos aritméticos, errores de

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 80486 SX podían utilizar respectivamente las FPUs 387 y 487. • Los Intel a partir del 80486 DX 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.

Memoria Caché • Memoria ultrarrápida de pequeña capacidad (8 KB a 16 MB) y muy cara. Está entre 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 20 MHz (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 (64 KB). La primera que se consulta. Nivel 2: Compromiso entre velocidad y capacidad (hasta 512 KB…). Nivel 3: Más lenta pero gran capacidad (hasta 16 MB). Físicamente externa. Transferencia de Palabras CPU L 1 L 2 L 3 Transferencia de. Bloques Memoria Principal

¿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 Vcc Control μP Memoria 1 Clk Perifericos 1 Perifericos 2 Memoria 2 Ground

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 de la alimentación g) Estado de reposo o de bajo consumo

μP vs μC