Microcontrolador

1 Estructura del Microcontrolador

1.1 El Microprocesador y el Microcontrolador

El microprocesador llamado también CPU (Unidad Central de Proceso) es un circuito electrónico que se encarga de leer interpretar y ejecutar las instrucciones que se encuentran contenidos en una unidad de memoria. Los microprocesadores no trabajan solos sino que forman parte de un sistema más complejo coo la computadora.

Una computadora contiene varios circuitos integrados siendo el microprocesador su “cerebro” es decir la parte fundamental pero además requiere otros circuitos integrados como por ejemplo: memorias RAM para almacenar los datos temporalmente y memorias ROM para almacenar el programa del fabricante que se encarga del proceso del equipo, un circuito integrado para los puertos de entrada y salida, un decodificador de direcciones entre otros.

Un microcontrolador es otro dispositivo electrónico que contiene en un solo circuito integrado la CPU, la memoria RAM, memorias ROM, puertos de entrada y salidas y otros periféricos como un convertidor analógico a digital, un circuito para comunicación serial, etc. con la consiguiente reducción de espacio, es decir el microcontrolador es propiamente un computador fabricado toda esta maravilla en un solo chip y es empleado en diversas aplicaciones específicas en la industria.

Figura 1.1 Esquema simplificado de un microcontrolador

Se debe considerar que la CPU debe acceder a los dispositivos de memoria donde están los programas y los datos que debe ejecutar, esto lo hace a través de buses que son líneas que en común transportan un valor numérico y se clasifican en:

• Un bus de direccionamiento: Es un conjunto de líneas que permite a la CPU acceder a un determinado registro para escribir o leer un dato.

• Bus de datos: Es el conjunto de líneas por donde la CPU envía o recibe datos

• Bus de control: Es un conjunto de líneas que permite a la CPU controlar el acceso a un dispositivo de memoria, interfaces de E/S y otros elementos.

1.2 Arquitectura de un microcontrolador

Estudiaremos la arquitectura del microcontrolador visto desde el punto de vista de cómo la CPU accede a los datos y a las instrucciones:

1.2.1 La arquitectura Von Neumann:

La arquitectura tradicional de microprocesadores se basa en el esquema propuesto por John Von Neumann, en el cual la CPU, esta conectada a una memoria única que contiene las instrucciones del programa y los datos

Figura 1.2 Arquitectura Von Neumann

El tamaño de la unidad de datos o instrucciones está fijado por el ancho del bus de la memoria Por otro lado este bus único limita la velocidad de operación del microprocesador, ya que no se puede buscar de memoria una nueva instrucción, antes de que finalicen las transferencias de datos que pudieran resultar de la instrucción anterior.

1.2.2 La arquitectura Harvard y sus ventajas:

La arquitectura conocida como Harvard, consiste simplemente en un esquema en el que la CPU esta conectado a dos memorias por intermedio de dos buses separados. Una de las memorias contiene solamente las instrucciones del programa, y es llamada Memoria de Programa. La otra memoria solo almacena los datos y es llamada Memoria de Datos

Figura 1.3 Arquitectura Harvard

Ambos buses son totalmente independientes y pueden ser de distintos anchos, por ejemplo la memoria de datos puede ser de 8 bits y la memoria de programas de 16 bits. Además, como los buses son independientes, la CPU puede estar accediendo a los datos para completar la ejecución de una instrucción, y al mismo tiempo estar leyendo la próxima instrucción a ejecutar.

1.3 Característica de la CPU

El microprocesador es un circuito digital con registros que varían de tamaño (de 1 a 16 bits), y un grupo de instrucciones, la mayoría de las cuales pueden ser implementadas de muchas formas diferentes. Tiene buses de datos, dirección y control. Considerando que el programa y los datos están en la memoria y que el resultado de algún cálculo será mantenido en un registro o en memoria, significa que el programa y los datos debieron venir del exterior (mundo real) y los resultados deben ser enviados al exterior.

La unidad aritmética lógica ALU, es uno de los circuitos más importantes de la CPU, cuyo propósito es ejecutar operaciones aritméticas y lógicas con los datos que le son enviados. El ALU tiene dos entradas principales, una viene de un registro llamado Acumulador y la otra viene del Registro de datos. El ALU puede sumar las dos palabras, restar la una de la otra, realizar operaciones lógicas, etc. la operación que realiza el ALU es determinada por señales de control.

A y B: entradas de los operandos

R: Salida

F: entrada de la unidad de control

D: Es un estado de salida

Figura 1.4 Símbolo del ALU

Debido a que el ALU ejecuta operaciones con estas dos palabras, es que estos dos datos se llaman operandos. Los dos operando pueden ser sumados, restados o comparados de alguna forma, y el resultado de la operación es almacenado en el Acumulador.

Por ejemplo, los datos $07 y $09 van a ser sumados. Antes de los números puedan ser sumados, un operando $09 es colocado en el acumulador, el otro $07 es colocado en el Registro de datos. Las líneas de control apropiadas son activadas para implementar la operación de suma. El ALU suma los dos números dando como resultado $10 (16). La suma es almacenada en el acumulador, reemplazando al operando que fue originalmente almacenado allí.

El Acumulador es el registro más útil. Durante las operaciones aritméticas y lógicas él actúa en forma dual. Antes de la operación, él mantiene uno de los operandos, después de la operación, él mantiene el resultado de la suma, diferencia o resultado lógico. Por ejemplo cuando la instrucción LDAA $C000 se ejecuta, el contenido de la posición de memoria $C000 es cargada al acumulador A; si la instrucción fuese STAB $C400, se origina que el contenido del acumulador B es transferido a la posición de memoria $C400

El Registro de Datos, es un registro de un byte de almacenamiento temporal para datos que van o vienen del bus de datos. Es decir, mantiene una instrucción mientras está siendo almacenado en memoria.

El Registro de Direcciones, es otro registro de dos bytes de almacenamiento temporal

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