Post on 23-Jul-2018
Arquitectura de Computadoras
Dr. Andrés David García García
Escuela de Diseño, Ingeniería y
Arquitectura
Departamento de Mecatrónica
EDIA/Mecatrónica/ADGG/20141
EDIA/Mecatrónica/ADGG/20142
Microprocesadores y Periféricos
Objetivos:
Analizar la arquitectura interna y comprender el
funcionamiento de una Unidad Central de
Procesamiento.
Entender el funcionamiento de la arquitectura de
una computadora.
Comprender la función de cada uno de los
dispositivos periféricos asociados a una Unidad
Central de Procesamiento.
Introducción a los microprocesadores y
microcontroladores
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Definiciones
Microprocesador
CPU
Microcontrolador
Elementos periféricos
Evolución de las familias
Microprocesador
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Es el corazón de toda computadora, así como de otros equipos electrónicos que requieren de una central de procesamiento de datos.
Al microprocesador se le conoce también como CPU (Central Processing Unit).
La CPU es un elemento capaz de realizar operaciones lógicas y aritméticas además de poder auxiliar en la toma de decisiones.
También permite el intercambio de datos entre localidades de memorias y/o periféricos.
Microprocesador
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Un Microprocesador, como su nombre lo indica es un
elemento muy pequeño que puede procesar información.
Este elemento se construye mediante procesos de alta
integración o VLSI.
¿Dónde podemos encontrarlos?
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Existen una gran variedad de aplicaciones a base de procesadores:
ALU
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Una ALU (Unidad Aritmética-Lógica) es un circuito que permite, como su nombre lo indica, realizar operaciones lógicas y aritméticas.
Además de los operadores lógicos y aritméticos, la ALU cuenta con una serie de registros para almacenar los datos, y bits de información sobre los resultados, también llamados banderas.
Las banderas más comunes son: Carry, Auxiliary Carry, Borrow, Overflow, Parity, Zero.
ALU
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El circuito ALU es simplemente un operador, es decir, sólo realiza operaciones.
La ALU no toma decisiones.
Las entradas deben contener tanto la magnitud como el signo que corresponda a la operación.
La ALU requiere de un mecanismo de control que le permita saber el tipo de operación a realizar.
Diseño de una ALU
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Una forma de construir una unidad aritmética lógica simple es mediante una célula de tipo “bit-slice”.
Esta célula permite realizar la suma ó alguna operación lógica entre 2 bits.
Diseño de una ALU
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Varias células bit-slice permiten construir una ALU más compleja:
ALU
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Otro tipo de célula que se puede emplear es a base de multiplexores:
ALU
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Otro tipo de célula que se puede emplear es a base de multiplexores:
ALU
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Partes de la ALU:
Sumador/restador rápido
Operadores lógicos (AND, OR, XOR, NOT)
Un acumulador y un registro auxiliar
Un registro de salida
Señales de control que indiquen la operación a realizar
Registro de banderas de estatus
Funcionamiento de una CPU
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Ejecuta una colección de instrucciones en lenguaje
máquina, las cuales le indican al microprocesador de
forma secuencial las tareas que debe tomar.
Usar su ALU para realizar operaciones lógicas y aritméticas.
Mover datos de una localidad de memoria a otra.
Tomar decisiones y cambiar de una rutina de instrucciones a
otra (interrupciones).
Sistema a base de un microprocesador
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Como hemos visto un CPU cuenta con 2 tipos de buses:
Bus de datos: por el cual se realiza el intercambio de palabras de información.
Bus de direcciones: que permite direccionar el mapa de memoria.
Por medio de estos buses se controlan los elementos de memoria y los sistemas de entrada/salida o periféricos.
Sistema a base de un microprocesador
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Arquitectura:
Memoria
ROM
Memoria
RAMTeclado Pantalla
/MWTC
/MRTC
/IOWC
/IORC
Bus de direcciones
Bus de datos
CPU
Lenguaje Ensamblador
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Un microprocesador ejecuta una serie de instrucciones de forma secuencial, estas instrucciones se escriben en lenguaje ensamblador, el cual mediante un programa llamado propiamente “ensamblador” se traduce a un lenguaje máquina que el CPU decodifica.
LOAD A mem ; carga el valor contenido en el registro A en la
; dirección de memoria mem.
CON B const ; carga el valor de la constante const en el registro B.
ADD A,B ; Suma el valor del registro A con el valor del registro B
; y almacena ese valor en otro registro.
SUB A,B ; Efectua la resta entre los valores contenidos en los registros ; A y B.
Dispositivos de memoria
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Memorias volátiles : Son aquellas que al dejar de
suministrar la alimentación eléctrica al sistema pierden
toda la información contenida en ella.
Memorias no volátiles : Son aquellas que no pierden su
información cuando no se suministra la alimentación
eléctrica.
Tecnologías de fabricación de memorias
semiconductor
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EPROM, no volatil.
SRAM, volatil.
DRAM, volatil.
Anti-Fusible, no volatil.
Flash, no volatil.
Dispositivos de entrada y salida
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Teclado
Mouse
Monitor
Disco duro
Lector de disco flexible y CD-ROM
Puertos
Microcontroladores
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Pequeño microprocesador con memoria interna y puertos de entrada y salida.
Circuito de uso específico, es decir, está diseñado para realizar una sola tarea, la cual es la de controlar algún proceso de forma digital.
Cámaras, electrodomésticos, computadoras de viaje, bolsas de aire, video cámaras, etc.
Partes de un microcontrolador
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CPU (que contiene una ALU)
Control de interrupciones internas y externas
Control de bus
Memoria RAM para registros temporales de datos y banderas
Memoria ROM para programa
Control de temporizadores y contadores
Puertos serie y paralelo de entrada y salida
Convertidor de Analógico a Digital
Diferencias entre un microprocesador y
un microcontrolador
EDIA/Mecatrónica/ADGG/201427
Un microcontrolador es de uso específico.
Un microprocesador o CPU es de uso general.
El microcontrolador contiene un CPU con
memoria y puertos.
Originalmente un microprocesador no tiene
memoria integrada.
Arquitectura Von Neuman
EDIA/Mecatrónica/ADGG/201428
La mayoría de los microprocesadores actuales son
basados en esta arquitectura.
La memoria de programa tiene datos e instrucciones
mezclados.
Sólo hay un bus para transmitir datos e instrucciones.
Las instrucciones están codificadas en palabras en
base hexadecimal.
Arquitectura Von Neumann
EDIA/Mecatrónica/ADGG/201429
CPU
Registros
De
Status
ROM
RAM
EPROM
Puertos E/S
Datos/instrucciones
Direcciones
Arquitectura Harvard
EDIA/Mecatrónica/ADGG/201430
Datos e instrucciones están claramente diferenciados.
Emplean buses y dispositivos de memoria diferentes.
Es mas rápido que la máquina de Von Neumann
Las instrucciones siguen codificadas.
Arquitectura Harvard
EDIA/Mecatrónica/ADGG/201431
EPROM
Deco de
Instrucciones
CPU
Puertos E/S
ROM
RAM
Direcciones
Datos
Instrucciones
RISC y CISC
EDIA/Mecatrónica/ADGG/201432
RISC : Reduced Instruction Set Computer.
Juego de instrucciones reducido o simplificado
Estructura pipeline (Ejecuta una instrucción mientras
decodifica la siguiente).
Un ciclo máquina por instrucción.
CISC : Complex Instruction Set Computer.
Juego de instrucciones complejo.
Estructura tipo pipeline y paralela (ejectura en una sola
instrucción CISC varias RISC).
Dos o mas instrucciones por ciclo máquina
Arquitectura de una PC
EDIA/Mecatrónica/ADGG/201433
Un sistema a base de una CPU se compone de 2 tipos de
memoria: Memoria de programa (ROM) y memoria de
datos (RAM).
Arquitectura de una PC
EDIA/Mecatrónica/ADGG/201434
La distribución de la memoria dentro de la computadora se suele denominar mapa de memoria y en el es posible observar en que zona se encuentran ubicados los registros y programas del sistema operativo.
Independientemente de la disponibilidad de memoria, el limite real de direccionamiento va a estar dado por el sistema operativo que se esta usando, por ejemplo el sistema operativo D.O.S. independientemente de la memoria instalada puede direccionar como área de trabajo 640 Kb.
Arquitectura de una PC
EDIA/Mecatrónica/ADGG/201435
Cuatro clases principales de técnicas se aplican
comúnmente en forma individual o combinada para
controlar la transferencia de datos de Entrada -
Salida:
1.- Entrada – Salida controlada por programa
2.- Entrada – Salida por interrupciones
3.- Acceso directo a memoria (DMA)
4.- Entrada – Salida mapeada por direcciones