Introducción A Los Sistemas Basados En Microprocesador

Introducción a los Sistemas Basados en Microprocesador

1.- Introducción

1.1.- Evolución histórica

1.2.- Generaciones de los ordenadores

2.- Sistema Mínimo

2.1 Unidad de Memoria

2.2 Unidad Central de Proceso (CPU)

2.3 Diagrama general de un sistema m Procesador de 8 bits

2.4 Realización de una instrucción

3.- Unidad de E/S

1.- INTRODUCCIÓN

Existen dos soluciones para implementar un circuito digital que resuelva un determinado

problema:

a.- Lógica cableada:

Son circuitos diseñados exclusivamente para realizar una aplicación concreta.

b.- Lógica programada:

Es un concepto más amplio que dio lugar a las máquinas universales programadas.

Se trata de máquinas potentes y flexibles capaces de realizar la mayoría de las

funciones básicas necesarias para cualquier aplicación.

Trabajan de forma secuencial ejecutando progresivamente las opera-ciones

necesarias.

1.1.- Evolución histórica

3000 A.C. Ábaco, empleado para realizar cálculos aritméticos

Edad Media Autómatas de reloj: máquinas con un programa interior fijo.

Siglo XVII Blaise Pascal, matemático francés, construye la primera máquina mecánica

capaz de sumar y restar.

1674 G.H. von Leibniz, matemático alemán, incorpora a la máquina de Pascal la

posibilidad de multiplicar y dividir.

1850 D.D. Parmalee, automatiza la máquina Pascal-Leibniz. Aparecen las primeras cajas

registradoras.

Finales XIX Charles Babbage, matemático inglés, idea una máquina que es capaz de

realizar cualquier operación. La máquina se instruye desde el exterior por medio de un

sistema de tarjetas perforadas.

1925 V. Bush, ingeniero norteamericano, construye la primera máquina capaz de resolver

ecuaciones diferenciales.

1940 Von Newman acaba configurando la arquitectura básica de los ordenadores

modernos, basada en los siguientes conceptos:

- programa almacenado

- ruptura de la secuencia de programa mediante la toma de decisiones

Su diagrama de bloques es el siguiente:

Memoria

En ella se almacena el programa a ejecutar en forma de secuencia de instrucciones.

Unidad de Control

Su función es enviar consecutivamente instrucciones del programa desde la memoria hasta la

unidad de proceso.

Unidad de Proceso

Las instrucciones son decodificadas y ejecutadas en esta unidad.

Unidad de E/S

Realiza la comunicación con el mundo exterior, es decir, con el ser humano. Recibe y representa

los datos y resultados de forma asequible para éste.

Reloj

El reloj se encarga de sincronizar todo el sistema compensando los retardos de los diferentes

módulo. El sistema uP es un sistema secuencial, la secuencia que realiza es la ejecución continua

de instrucciones.

Esta triple estructura programa - unidad de proceso - unidad de control surge de la propia

estructura de los algoritmos:

Algoritmo: secuencia ordenada de acciones mediante la cual

resolvemos un problema

Ejemplo: Comprobar si dos números son iguales

INICIO

Iguales=0

Leer A y B

Hacer D=A-B

Si D=0 hacer Iguales=1

FIN

Parte Operativa: se realizan acciones y ensayos,

- leer A y B (acción)

- hacer A-B y asignarlo a D (acciones)

- Comprobar si D=0 (ensayo)

Parte de Control: define el encadenamiento (orden) de las acciones según el resultado de los

ensayos.

Esta estructura de los algoritmos es lo que dio lugar a la arquitectura von Newman. El elemento

básico es el microprocesador o CPU que engloba a la unidad de control y a la unidad de proceso.

1.2.- Generaciones de los ordenadores

A partir de la concepción de máquina universal de Von Newman los ordenadores se desarrollan

paralelamente a la tecnología. Aparecen 5 generaciones.

1ª Generación

Es la generación de las válvulas de vacío. Los ordenadores eran muy voluminosos, con alto

consumo y coste muy elevado. Algunos ordenadores famosos de esta generación son:

ENIAC: Electronic Numerical Integrator and Computer

Construido por la Universidad de Pennsylvania durante la II Guerra Mundial.

Características: 19.000 tubos de vacío, 30 Toneladas, 400 m2 de superficie y 150 kW de consumo.

Dejo de funcionar en 1955 y fue desmontado en 1957.

Fotografía del ENIAC. Fuente: http://ftp.arl.mil/.

UNIVAC: Universal Automatic Computer

Construido en 1951 fue el primer computador digital con fines comerciales.

IBM604, IBM650

Aparecen en 1953. Se hicieron muy populares en las décadas de los 50 y 60.

2ª Generación

Aparece el transistor bipolar. Se consigue una gran disminución de volumen, mayor fiabilidad y

menor consumo. Los ordenadores se empiezan a hacer populares en las grandes empresas.

3ª Generación

Aparecen los primeros circuitos integrados, se agudizan aún más las mejoras de la generación

anterior. Paralelamente empiezan a desarrollarse los lenguajes de alto nivel como el FORTRAN y

el COBOL, así como los primeros sistemas operativos.

4ª Generación

Aparecen las técnicas de alta escala de integración (LSI), propiciando en 1971 la aparición del

primer microprocesador 4004 de Intel.

Posteriormente en 1972 el 8008 de Intel y a partir de éste todos los fabricantes de circuitos

integrados empiezan a lanzar sus microprocesadores: 6800 y 6802 de Motorola, 6502 de

Rockwell, Z80 de Zilog etc, 8088 de Intel, etc. El ordenador empieza a hacerse muy popular.

Aparecen también uP de 16 bits en el bus de datos: 8086, 80286 de Intel, 68000, 68010 de

Motorola, Z8000 de Zilog, etc.

5ª Generación

Aumenta la densidad de integración al aparecer la tecnología VLSI de muy alta escala de

integración.

En 1976 se consigue integrar todo un computador en un solo chip, son los denominados

microcontroladores (MCU). Son ampliamente utilizados en la actualidad (automóviles: inyección,

suspensión; control de procesos; control de interruptores de potencia; etc.).

2.- SISTEMA MÍNIMO MICROPROCESADOR

El sistema mínimo está basado en la estructura de von Newman. Sus bloques básicos son los

siguientes:

- CPU, Central Process Unit o Unidad Central de Proceso. Formada por dos bloques:

Unidad de Control y Unidad de Proceso.

- Memoria, donde residen las instrucciones del programa y sus datos.

- Módulos E/S, elementos encargados de recibir y entregar información al exterior.

Los tres módulos están conectados entre sí por medio de los Buses de Comunicación. Cada bus

está formado por un conjunto de conductores por los cuales se transmite la información digital en

forma de pulsos eléctricos.

2.1.- Buses de Comunicación

Bus de direcciones: A0-AM-1

Es el empleado por la CPU para seleccionar la dirección de memoria o el dispositivo de E/S con el

cual va a intercambiar información. Es por tanto unidireccional y su tamaño, o número de

conductores que lo constituyen, determina la capacidad de direccionamiento de la CPU, que es el

máximo número de posiciones de memoria y dispositivos E/S a los que la CPU puede acceder.

Para m líneas la capacidad de direccionamiento será: 2m.

Ejemplos:

6502, Z80, 8088: m=16 Capacidad de dir.= 216= 65536 posiciones (64 k)

80286: m=20 Capacidad de dir.= 220 = 1.048.576 posiciones (1 Mega)

Bus de datos: D0 - DN-1

El bus de datos es el conjunto de conductores a través del cual el μP intercambia información con

la unidad de memoria o E/S seleccionada mediante el bus de direcciones.

Características:

- Bidireccional : la información puede viajar en los dos sentidos.

- Número de líneas (N): representa la cantidad de bits que se pueden transmitir

simultáneamente. Suele denominarse la Palabra del μP.

- Triestado: las líneas del bus de datos deben ser triestado.

Las líneas triestado son aquellas que son capaces de tener tres estados:

- Estado alto (High, H)

- Estado bajo (Low, L)

- Estado de alta impedancia (High Impedance, HZ)

- El μP se está comunicando con el dispositivo E/S 1. Sólo estos dos dispositivos

pueden disponer del bus de datos.

- El resto de dispositivos conectados físicamente al bus de datos deben permanecer

con sus líneas en alta impedancia (disp. E/S 2)

- La Unidad de Control de la CPU es la que decide qué elemento envía la

información y qué elemento la recibe, así como los elementos que deben

desconectarse del bus y ponerse en alta impedancia.

Bus de control

Está formado por un conjunto de líneas por las que circulan las señales auxiliares de gobierno y

sincronización del sistema. Las líneas existentes dependen del fabricante del μP y de las funciones

que desee implementarle.

Algunas señales típicas en todos los sistemas son:

- Señal de reloj de sincronización

- Señal de RESET o inicialización

- Señal de lectura/escritura en memoria, etc.

2.1.- Unidad de Memoria

La memoria se emplea para dos funciones básicas:

- Almacenamiento

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