Universidad Nacional de Ingeniería Arquitectura de Maquinas I Unidad I: Introducción a los Microprocesadores y Microcontroladores.
Tema: Microprocesadores
Arq. de Computadora I
Ing. Carlos Ortega H.
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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 Arq. de Computadora I
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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 Arq. de Computadora I
Perifericos de Entrada/Salida Ing. Carlos Ortega H.
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Memoria Principal 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: 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 Arq. de Computadora I
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Unidad Central de Procesos (CPU) 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
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. 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 conforman un PC Arq. de Computadora I
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Unidad de Entrada/Salida 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
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, …
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Dispositivos de Memoria Secundaria 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
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, … Arq. de Computadora I
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Buses 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
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 Transmite las señales de control para coordinar las comunicaciones. Arq. de Computadora I
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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. Arq. de Computadora I
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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, …). Arq. de Computadora I
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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. Arq. de Computadora I
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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: Program 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 Register). • La Lógica de Control es un circuito que, recibiendo como entrada una instrucción, devuelve como salida todas señales de control para cada componente del computador. Para una única instrucción normalmente hay que dar varias órdenes a diferentes componentes, y muchas veces estas órdenes deben ejecutarse en un orden determinado. Arq. de Computadora I
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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 control 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 posibles situaciones anómalas o especiales (desbordamientos aritméticos, errores de paridad,…). Arq. de Computadora I
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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 80486SX podían utilizar respectivamente las FPUs 387 y 487. • Los Intel a partir del 80486DX 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. Arq. de Computadora I
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Memoria Caché • Memoria ultrarrápida de pequeña capacidad (8 KB a 16 MB) y muy cara. Está entre la 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 20MHz (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 (64KB). La primera que se consulta. Nivel 2: Compromiso entre velocidad y capacidad (hasta 512KB…). Nivel 3: Más lenta pero gran capacidad (hasta 16MB). Físicamente externa. Transferencia de Palabras
CPU
L1 L2 L3 Arq. de Computadora I
Transferencia deBloques
Memoria Principal
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¿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 Clk
Perifericos 1
Perifericos 2
Control
μP Memoria 1
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Vcc
Memoria 2
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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
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μP vs μC Microprocesador (μP)
Microcontrolador (μC)
Es un sistema Abierto (expansion).
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Arquitectura Von Newman.
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No tiene memoria interna.
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El tiempo de desarrollo para proyectos es mayor. ●
Por su arquitectura posee mayor cantidad de instrucciones y complejas (CISC). ●
Trabaja principalmente con el Registro Acumulador (A)
Sistema Cerrado. Arquitectura Harvard. Posee memoria volátil y no volátil.
El costo y el tiempo de desarrollo es menor. ●
Posee menos instrucciones. (RISC)
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Trabaja principalmente con el Registro De Trabajo (W) ●
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Ejecuta solamente la tarea para la cual fue programado. ●
Puede ejecutar muchas tareas, de acuerdo al software que le gobierne. ●
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