Transcript Clase #3 - WordPress.com

Universidad Nacional de Ingeniería
Arquitectura de Maquinas I
Unidad I: Introducción a los Microprocesadores
y Microcontroladores.
Tema: Microprocesadores
Microprocesadores
Ing. Carlos Ortega H.
1
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
Microprocesadores
Ing. Carlos Ortega H.
2
Estructura de un Computador
Microprocesador
Dispositivo de
Memoria
Secundaria
Memoria
Principal
Bus de Datos
Bus de Direcciones
Bus de Control
Perifericos
de
Entrada
Microprocesadores
Perifericos
de
Salida
Ing. Carlos Ortega H.
Perifericos de
Entrada/Salida
3
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
Microprocesadores
Ing. Carlos Ortega H.
4
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.
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
Microprocesadores
Ing. Carlos Ortega H.
5
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, …
Microprocesadores
Ing. Carlos Ortega H.
6
Dispositivos de Memoria Secundaria
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, …
Microprocesadores
Ing. Carlos Ortega H.
7
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
Transmite las señales de control para coordinar las comunicaciones.
Microprocesadores
Ing. Carlos Ortega H.
8
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.
Microprocesadores
Ing. Carlos Ortega H.
9
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, …).
Microprocesadores
Ing. Carlos Ortega H.
10
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.
Microprocesadores
Ing. Carlos Ortega H.
11
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
Carlos Ortega H.
Ing.
12
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,…).
Microprocesadores
Ing. Carlos Ortega H.
13
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.
Microprocesadores
Ing. Carlos Ortega H.
14
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
Microprocesadores
Transferencia deBloques
L1 L2 L3
Ing. Carlos Ortega H.
Memoria Principal
15
¿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
Perifericos
1
Perifericos 2
I/O
Control
μP
Memoria 1
Memoria 2
Clk
Microprocesadores
Vcc
Ing. Carlos Ortega H.
Ground
16
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
Microprocesadores
Ing. Carlos Ortega H.
17
μP vs μC
Microprocesadores
Ing. Carlos Ortega H.
18
Microprocesadores
Ing. Carlos Ortega H.
19