1 Computadoras Personales Introducción Conocida es la importancia que han tomado las computadoras personales en los últimos años, por sus bondades se han ido incorporando a múltiples actividades; a las ya clásicas contables y administrativas se han sumado las provenientes del ámbito industrial, ingenieril y científico. El aumento de la eficiencia unido a una continua reducción de los costos han hecho de las PC's una herramienta poderosa y accesible a un mercado diverso y creciente. El presente trabajo describe sus principales características técnicas y algunas de sus aplicaciones profesionales. Un poco de historia La importancia de un estándar Sobre el final del año 1981 aparece en el mercado la IBM PC, una computadora de aplicaciones profesionales; la s características técnicas de la máquina y la trayectoria de la empresa hicieron de la IBM PC un éxito comercial; a mediados de 1982 la demanda excedía la oferta. IBM adoptó para la PC el microprocesador 8088 como unidad central de proceso (produ cido por la firma INTEL) y dos unidades para disco flexible de 5¼ pulgadas (diskette). A principios de 1983 IBM incorpora el modelo XT. Este conserva el microprocesador 8088 y aumenta la capacidad de almacenamiento al emplear un disco rígido (hard-disk) mantenie ndo una sola unidad para disco flexible. Cambios más profundos aparecen en el modelo AT que IBM introduce en el año 1984; adopta un microprocesador más poderoso, el 80286, también de la firma INTEL, en tanto utiliza un disco rígido y otro flexible de 5¼ pulgadas. Una característica destacable de estos equipos es su concepción “abierta” que permite ampliar o incorporar nuevas prestaciones con gran facilidad. Esto se logra mediante el empleo de tarjetas que se insertan en zócalos ubicados en la placa principal del sistema. Esta característica posibilitó la aparición de todo tipo de accesorios que enriquecieron y potenciaron los equipos. Así encontramos: expansiones de memoria, monitores, conversores A/D y D/A, dispositivos de almacenamiento masivo, etc. Este proceso creció en forma sostenida y generó una norma no escrita, pero no por ello menos efectiva, conocida con el nombre de “compatibilidad IBM”. La expresión más visible de este fenómeno fue la aparición de réplicas, semejantes a los modelos IBM y denomin adas “compatibles” o “clones”. Muchos de los compatibles, con el propósito de ganar espacio en el mercado, presentan mejoras en la velocidad y capacidad de memoria. Por otra parte los productores de software no se mantuvieron al margen; sistemas operativos como el MS DOS (MICROSOFT) o XENIX (SCO) alcanzaron gran difusión. Planillas electrónicas, procesadores de palabra, compiladores, ensambladores, programas de asistencia al diseño (CAD), programas de entretenimiento, por mencionar sólo algunos de los productos hoy disponibles para las computadoras personales. La confluencia de todos los factores mencionados creó una importante y creciente oferta de hardware y software que garantizan al usuario de las IBM y sus compatibles, productos de inmejorable costo -desempeño. Finalmente, como resultado de lo expuesto dio lugar a que el nombre “Personal Computer” y las siglas PC pasaran a identificar en forma genérica esta línea de productos. Configuración y aplicaciones En el esquema de la Fig. 1 muestra los elementos básicos que componen cada modelo. Debe agregarse a ellos la unidad de teclado, un monitor de vídeo y un im presor para contar con una configuración útil en un gran número de aplicaciones.

2 En otros casos, por ejemplo en diseño gráfico, se hace necesario e l empleo de un graficador (plotter) para obtener el dibujo sobre diversas calidades de papel. Existe una gran variedad de periféricos e interfaces; algunos de estos se describen más adelante. Cabe señalar, que si bien las máquinas que sucedieron a la PC original resultan más eficientes por las mejoras introducidas, se ha mantenido la compatibilidad entre los modelos, de suerte tal que los más recientes (AT) pueden aceptar los accesorios y software ya disponibles en el mercado. En cuanto al modelo AT, e n virtud de la potencia lidad del microprocesador utilizado (80286), se presta para ser utilizado en operaciones con redes locales (LAN). Finalmente, y a modo de ejemplo de aplicación, mencionaremos los sistemas de diseño asistidos por computadora (CAD), de gran utilidad en diversas ramas de la ingeniería. Dentro del ámbito de la electrónica es una herramienta poderosa para el dibujo de los circuitos. Además, a partir de éstos se pueden realizar los diseños del impreso, de simple, doble o triple capa. Primera observación del sistema Descripción de las partes Los modelos PC, XT y AT son constructivamente similares. El gabinete aloja en su interior la placa principal (mother board o main board), la fuente de alimentación y las unidades para disco, ya sea flexible (diskette) o rígido (hard-disk). El teclado se conecta a la placa principal mediante un conector DIN. La placa principal, en todos los modelos, contiene un microprocesador, más un banco de memoria y las interfaces indispensables para el funcionamiento del sistema. Un conjunto de conductores une los citados dispositivos y cumplen la importante función de comunicarlos eléctricamente. Este conjunto de conductores o líneas se denomina “bus del sistema”. La placa cuenta además con un grupo de zócalos (de 3 a 8 según el fabricante) conectados al mencio nado bus. Estos zócalos, entre otras consideraciones, le confieren a la computadora la característica denominada de “bus abierto” que como ya fuera mencionado permiten una simple y eficaz ampliación del sis tema mediante el empleo de tarjetas enchufables. En la Fig. 1 aparecen ejemplos de estas tarjetas. Cabe señalar que la conexión al monitor de vídeo emplea una tarjeta de expansión, la mostrada en la Fig. 1 admite además la conexión de una impresora.

MICROPROCESADOR RELOJ MEMORIA SOBRE PLACA DISKETTE A DISKETTE B DISCO RÍGIDO C Fig. 2

PC 8088 4,7/8MHz 64K-640K 160/360K 180K/360K/1,2M

XT 8088 4,7/8MHz 64K -640K 360K/1,2M 20/30M

AT 80286 6/8/10MHz 512K/lMbyte 360/1,2M 360/1,2M 20M/140M

La unidad de disco rígido o flexible también utiliza una tarjeta enchufable. La fuente de alimentación entrega la energía para el funcionamiento del sistema; cuatro tensiones son las provistas: +5V, -5V, +12V y -12V. Por lo general son fuentes conmutadas y manejan, según los modelos, una potencia comprendida entre 130 a 300 wats. El cuadro de la Fig. 2 presenta las características más importantes de los modelos PC, XT y AT. En tanto el cuadro de la Fig. 3 presenta los integrados más importantes de cada modelo y sus funciones. A continuación se describirán en detalle los elementos componentes de la placa principal, comenzando por la PC y XT.

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Placa principal PC/XT Los modelos PC y XT hacen uso de la misma placa principal; la diferencia reside en el empleo de las unidades de disco. A continuación se detallan los elementos más importantes de la placa y las funciones que cumplen. Microprocesador 8088. En línea general el microprocesador (MP) cumple una de las más importantes ta reas dentro del sistema. Su función es seguir las ins trucciones que componen el programa y proceder a su ejecución; las instrucciones residen en la memoria, ya sea RAM o ROM, de donde a través de las líneas de datos son leídas por el microprocesador. En la ejecución intervienen tanto unidades internas del MP (por ejemplo, suma entre registros) o bien el MP hace participar a cualquiera de las interfaces cuando es necesaria una operación de entrada o salida de datos (teclado, parlante, impresora, etc.). Las funciones mencionadas son cumplidas por el microprocesador 8088, éste dispone el mismo juego de instrucciones que el 8086, del cual fue derivado. El 8088 dispone de 8 líneas de datos para vincularse con la memoria (líneas integrantes del bus del sistema), sin embargo el procesador puede operar internamente con 16 bits. Para obtener un dato en memoria de 16 bits de longitud, el 8088 deberá hacerlo en dos extracciones sucesivas de 8 bits cada una, luego las compone en forma interna como un dato de 16 bits. Catorce son los registros programables del 8088, todos de 16 bits. Un grupo de ellos especializados en el procesamiento de datos y otros en el direccionamiento de memoria. Velocidad de procesamiento. Generador de reloj 8284A. La operación del MP requiere la aplicación de una señal denominada de reloj. Esta señal actúa como patrón temporal de los circuitos internos del MP; en otras palabras establece el tiempo que demanda realizar cada instrucción. A modo ilustrativo: la suma ADD AX, BX requiere tres ciclos de la señal de reloj.

MICROPROCESADOR MICROPROC ALTERNATIVO COPROCESADOR (OPTATIVO) GENERADOR RELOJ FRECUENCIA RELOJ CONTROL DMA CONTROL INTERRUPCIONES TEMPORIZADOR PROGRAMABLE INTERFAZ PROGRAMABLE Fig. 3

PC/XT 8088/8088-2 V20 8087/8087-2 8284A 4,7/8MHz 8237A 8259A 8253 8255

AT 80286 80287 8284A/82284 6/8/10MHz 8237A (2unidades) 8259A (2 unidades) 8254A

El número de ciclos se especifica en el juego de ins trucciones que provee el fabricante del 8088. En sínte sis, la frecuencia de la señal de reloj determin a la velocidad con que el MP puede ejecutar un determinado programa (conjunto de instrucciones). La máxima frecuencia de operación del 8088 es de 5 MHz, los modelos PC y XT utilizan 4,77 MHz. La señal de reloj es generada por un cristal juntamente con la unidad 8284A, ésta básicamente dispone de un oscilador y un circuito divisor por tres. El cris tal establece la frecuencia de oscilación que una vez dividida se utiliza como reloj del MP. Para el 8088 operando a 4,77 MHz la frecuencia del cristal es de 14,31 MHz.

4 Microprocesadores alternativos 8088-2 (turbo), NEC V20. El microprocesador 8088-2 puede operar a 8 MHz, es una versión más rápida del 8088. Los modelos PC y XT que adoptan el 8088-2 suelen denominarse "turbo" y trabajan tanto a 8 como a 4,77 MHz, seleccionables por el usuario. Resulta obvio que la velocidad de procesamiento es 1,67 veces mayor cuando se utiliza el reloj de mayor frecuencia (cristal de 24 MHZ). El microprocesador NEC V20 es producido por la firma Nippon Electric Corporation, también conocido bajo el código 70108D, puede reemplazar directamente al 8088 y se halla disponible en versiones de 5 y 8 MHz. El V20 cuenta con un enriquecido repertorio de ins trucciones; se han reducido el número de ciclos de reloj necesarios para la ejecució n de un grupo de operaciones y adicionalmente es capaz de emular el microprocesador 8080 (pionero entre los MP de la firma INTEL). El V20 utilizado en reemplazo del 8088 brinda un aumento en la eficiencia entre el 5 y 25 %. Coprocesador 8087. Las instrucciones del 8088 pueden procesar números enteros de 8 ó 16 bits en operaciones aritméticas básicas (suma, substracción, multiplicación, cociente). Para trabajar con números enteros de mayor longitud o reales se utilizan rutinas especiales. Algo similar ocurre con operaciones trigonométricas, de potenciación, logarítmicas, etc.: demandan el uso de programas dedicados a tal fin. Este tipo de solución (software), en muchos casos de gran ingenio, toman un tiempo apreciable de procesamiento ya que utilizan algoritmos basados en largas series algebraicas. El coprocesador o procesador de datos numéricos 8087 está especialmente orientado a realizar las mencionadas operaciones con gran eficiencia. El empleo del 8087 reduce entre 10 y 50 veces el tiempo necesario para realizar operaciones con números reales. El 8087 trabaja juntamente con el 8088 y con una programación adecuada (ver instrucción de ESCAPE) el 8087 toma para sí las operaciones aritméticas complejas. En la mayor parte de ofertas el coprocesador es opcional, la placa principal dispone un zócalo (40 patitas) para alojarlo. Cabe resaltar que si el software no contempla el uso del 8087 éste no asumirá automá ticamente el procesamiento aritmético. Banco de memoria RAM. Este banco se conforma con grupos de memorias dinámicas. La máxima capacidad con que opera el sistema es de 655.360 bytes (640K; K= 1.024). En la actualidad esta capacidad se logra sobre la placa principal, una conformación posible es la siguiente: 2 x 9 circuitos integrados 41256 c/u de 256 K x 1 512K x 9. 2 x 9 circuitos integrados 4164 c/u de 64 K x 1 128 K x 9. 36 circuitos integrados. Capacidad del banco 640 K x 9 bit. El largo de la palabra de memoria es de 9 bits, ocho de ellos de información y el restante de paridad; este bit permite la detección de posibles errores. El bit de paridad se genera en el momento de escritura y se almacena en la memoria juntamente con la in formación. Durante la lectura se regenera el bit de paridad y se la compara con el leído, si hay diferencias se produce una interrupción sobre el procesador, quien merced a un programa (en ROM) alerta al operador. La memoria RAM cumple las funciones siguientes: a) Contiene datos y programas del usuario. b) El software del sistema utiliza una zona de la RAM para aloja r sus datos. La información presente en la memoria se pierde al apagar la máquina (o por fallas de la energía). Banco de memoria ROM. La información de estas memorias perdura aún bajo falta de

5 energía, y su contenido puede ser únicamente leído (con la ins tala ción normal, no pueden ser escritas). El modelo inicial de PC utiliza 40 Kbytes de memoria ROM destinada a contener distintas rutinas del sistema. Se detallan a continuación algunas de las funciones cumplidas por la ROM. a) Toma control del sistema tras el encendido. b) Configura el sistema. Define los registros de control de las interfaces programables, 8255, 8253, 8259, etc. c) Realiza un diagnóstico de la memoria y los periféricos. d) Maneja las operaciones de entrada y salida del sistema. Esta función dio origen al nombre BIOS, Basic Input Output System, conque se recuerda al software contenido en la ROM. e) Contiene el intérprete BASIC. Actualmente uno o dos circuitos integrados conforman la ROM del sistema (tipo 27256 ó 27512) y se dispone ade más de uno o más zócalos para aplicaciones del usuario. Cabe destacar que IBM reserva derechos sobre el BIOS. Existen además versiones de otras firmas. que sin alterar la mencionada reserva, operan compatible mente con el sistema.

MOV AX,[BX+DI] ADD [BX+DI], DX MUL AX, [BX+DI] Fig. 4

CICLOS 8088 23 31 144

CICLOS 80286 5 5 24

Acceso directo a memoria (DMA) 8237A. Dispositivos como el disco rígido o flexible pueden intercambiar información con la memoria (trasmitir o recibir) a mayor velocidad de la que el microprocesador es capaz de realizar bajo supervisión de un programa. Para manejar esta situación se hace uso de la unidad 8237A. Esta toma a su cargo la trasferencia de la información entre memoria y la unidad de control del disco, a tal efecto utiliza las líneas de datos del siste ma. Para evitar conflicto en la utilización de estas líneas el MP permanece inactivo hasta el final de la trasferencia. El 8237A además participa en el refresco de las memorias RAM. Estas son de tecnología MOS dinámicas, y es necesario regularmente "reactualizar" la infor mación que contienen, caso contrario se perdería totalmente. El refresco consiste en efectuar lecturas ficticias periódicamente, De los cuatro canales que la unidad 8237 dispone, el canal 0 está dedicado al refresco la memoria RAM; los canales 1, 2 y 3 se hallan disponibles en el bus del sistema, el canal 2 es utilizado por la tarjeta de interfaz del disco. Funciones temporales 8253. La unidad 8253 se encarga de realizar distintas funciones temporales relacionadas con el sistema. El circuito integrado 8253 dispone de tres contadores de 16 bits que pueden generar demoras bajo control de un programa. La unidad establece los tiempos a partir de una señal de reloj, la frecuencia de esta señal es de 1,19 MHz y es derivada del generador de reloj 8284A. El contador 0 es utilizado por las rutinas de entrada/ salida y para mantener la hora y fecha en el sistema. El contador produce una interrupción cada 54,925 mseg. El contador 1 establece el tiempo de refre scos de las memorias dinámicas y corresponde a 15,12 mseg.

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El contador 2 se aplica a generar los tonos de audio destinados al parlante y a la unidad de cassette (en desuso en los sistemas profesionales). Si bien los tres contadores pueden ser reprogramados por el usuario se sugiere utilizar el número 2 únicamente; la modificación de los restantes produciría conflictos en el sistema. Sistema de interrupciones 8259. Las interrupciones son señales que envían distintos dispositivos hacia el procesador, a fin de que éste ejecute un programa destinado a resolver por ejemplo una situación de emergencia. La unidad 8259 permite expandir a 8 niveles el sistema de interrupciones (nivel 0 al 7). además posibilita fijar prioridad entre los niveles. El nivel 0 está asociado al contador 0 de la unidad 8253. El nivel 1 se halla vinculado con el teclado; cuando el operador presiona una tecla se produce una interrupción por este nivel. El procesador pasa a ejecutar un programa de lectura del teclado, luego retorna a su anterior punto de trabajo. Los restantes niveles de interrupciones se hallan disponibles en el bus del sistema. Interfase paralelo 8255. La unidad 8255 consta de tres puertas de 8 bits programables, Por distintos bits de las mencionadas puertas se realizan las funciones siguientes: lectura del dato ingresado por el teclado habilitación del parlante (o modulación del tono), lectura de llaves de configuración (dip switch), control del motor y grabación/recuperación de datos del cassette (se ha hecho menció n que éste no se utiliza en sistemas profesionales). Texto

Baja resolución Alta resolución

Gráfico

Baja resolución

Gráfico

Alta resolución Alta resolución

40x25 caract. Monocromático 40x25 caract. Color (16 colores) 40x25 caract. Monocromático 40x25 caract. Color (16 colores) 320x200 pixel Monocromático 320x200 pixel Color (16 colores) 640x200 pixel Monocromático 720x348 pixel Monocromático 640x350 pixel Monocromático 640x350 pixel Color (16 colores) 640x350 pixel Color (64 colores)

MDA CGA MDA CGA MDA CGA EGA HERCULES EGA EGA EGA

Fig. 5 Placa principal AT Microprocesador 80286. Un cambio substancial en los modelos AT es el empleo del microprocesador 80286 (iAPX 286). Este puede ejecutar las instrucciones del 8088 y 8086 e incorpora su propio repertorio. La mencionada compatibilidad garantiza a los usuarios de la posibilidad de utilizar el considerable software desarrollado para los modelos PC y XT. El 80286 es un microprocesador de 16 bits, y dispone de un bus de datos de la mencionada longitud (el 8088 opera sobre un bus de 8 bits). El MP dispone internamente de una unidad de manejo de memoria, ésta le permite realizar direccionamiento de memoria virtual. Esta característica, junto a la posibilidad de protección que ofrece la informa ción almacenada, hace del 80286 un dispositivo ideal para operar en sistemas de multitareas (multitasking). Las mejoras realizadas por INTEL en la estructura interna han permitido reducir considerablemente el número de ciclos de reloj necesario para la ejecución de cada instrucción. El cuadro de la Fig. 4 permite establecer comparaciones.

7 La reducción del número de ciclos y el aumento de la frecuencia de trabajo (10 MHz) permiten procesar la información a una velocidad 10 veces mayor que el 8088. Coprocesador e interfaces. El coprocesador 80287 (equivalente al 8087) está diseñado específicamente para realizar cálculos numéricos. y debe operar junta mente con el 80286. Esta unidad es optativa en la mayor parte de los equipos comerciales. En cuanto a las interfaces, se observa que dispone de dos integrados 8237A, lo que permite disponer 7 canales de acceso directo a memoria. Con el sistema de interrupciones ocurre algo similar, dos integrados 8259A amplían a 15 niveles el abanico de interrupciones. Expansión del sistema Existe una gran variedad de interfaces para un sin número de aplicaciones, la siguiente lista sirve a modo de ejemplo: Adaptadores para vídeo. Interface para impresora serie o paralelo. Controladores de disco rígido o flexible. Módems. Grabadores de memoria EPROM. Conversores A/D y D/A. Adquisidores de datos. Reloj de tiempo real. A continuación se describen las tarjetas adaptadoras de vídeo (con sus variantes) y las interfaces para impresoras. Adaptadores para vídeo La función de estos módulos es generar las señales necesarias para el monitor de vídeo, el que las compone como imágenes sobre la pantalla (tubo de rayos catódicos). Existen diversos adaptadores para vídeo, todos ellos se conectan sobre uno de los zócalos de la placa prin cipal. El monitor se conecta a una ficha instalada sobre un borde de tarjeta adaptadora de vídeo. Los adaptadores o interfaces de vídeo se proveen para dos modos de operación: modo texto y modo gráfico. En el modo texto la información presentada en la pantalla es alfanumérica: letras, números, signos de puntuación, etc. También caracteres semigráficos, consistentes en series de figuras muy simples. En el modo gráfico es posible presentar dibujos de gran complejidad: figuras geométricas, planas o tridimensionales, etc., además de caracteres alfanuméricos en una gran variedad de tamaños. En líneas generales la interface de vídeo cuenta con un banco de memoria RAM, denominado memoria de vídeo. El banco contiene la información a presentar en la pantalla. Suele utilizarse la unidad 6845 CRT (Motorola) como controlador de vídeo. Este, juntamente con otro grupo de integrados da origen a la señal de vídeo, además de producir las señales de sincronismo vertical y horizontal. Para algunos monitores se deben proveer tres líneas para las señales de color. Suele denominarse a estos dispositivos RGB (red-green-blue). Los monitores de vídeo, según las aplicaciones, pueden ser: color o monocromáticos (pantalla verde, ámbar o blanca). Por la definición que requiere el modo texto como el gráfico, los monitores han de ser de alta resolución ya sean color o monocromáticos (mayor a 8 MHz de ancho de banda). Los equipos de TV domésticos, salvo para aplicaciones de baja resolución, no se adaptan para operar como monitores. Existe una amplia variedad de interfaces para vídeo, tanto provistos por IBM como por otras

8 firmas. A continuación se describen algunos de los modelos dis ponibles: Adaptador monocromático (Monochrome adapter). Opera solamente en modo texto, juntamente con un “IBM Monochrome Monitor” (o sus equivalentes). Una pantalla equivale a una página de 25 filas, cada una de 80 caracteres. Adaptador gráfico-color (CGA, Color graphic adapter). Esta tarjeta genera señales para un monitor color, además de poder operar tanto en modo texto como gráfico. Las posibilidades operativas son las ilustradas en el cuadro de la Fig. 5. La placa cuenta con tres conectores de salida: RGB, vídeo compuesto y vídeo modulado (para TV domésticos). Hércules. Es una tarjeta monocromática de alta resolución. Es compatible con el modelo monocromático de IBM, pero además dispone capacidad gráfica superior al adaptador gráfico-color: 720 x 348 pixeles. En tanto que en el modo texto define cada carácter como una matriz de 9 X 14 puntos. Esta tarjeta incorpora además una interface paralela para impresora. Adaptador gráfico mejorado (EGA Enhanced graphics adapter). Es una tarjeta para vídeo color de alta resolución. Puede operar en modo gráfico o texto. Demanda para su empleo un monitor acorde a la re solución que ofrece la tarjeta, 20 MHz de ancho de banda. Suele además combinarse con una salida para impresora. El cuadro de la Fig. 5 muestra las diversas alternativas de este adaptador. Interfaces para impresora Dos tipos de interfaces son las utiliza das: paralelo y serie. La interface paralela utiliza la señalización difundida por la firma Centronix (su uso la estable cieron como norma). Esta misma interface suele ser utilizada para controlar los graficadores, o simplemente para la extracción de datos paralelos. La interface serie utiliza la norma RS-232. La in formación es enviada bit a bit por un par de conductores. La interface debe convertir el dato procedente del procesador en una trama serie y adicionar un bit de arranque y otro de parada. Esta interface sirve también para conectar un módem. Bibliografía Computadoras Profesionales. Ing. P. Carravetta. Revista Telegráfica Electrónica, Julio, 1987. IBM Technical Reference Manual. Programmer’s Guide to the IBM PC. Peter Norton Microsoft Press. Introduction to iAPX 88. INTEL. Manual de Microcomponentes de INTEL, Interface para vídeo. Ing. P. Carravetta. Revista Telegráfica. Electrónica, números 860 y 861 Marzo y Abril de 1985. Autor: Ing. Pascual Carravetta – Revista Telegráfica Electrónica – 1987.