Unidad I - Microprocesadores - 2016

UNIDAD I: ARQUITECTURA DE UN MICROPROCESADOR I SEMESTRE 2016

Ing. Fauto Palacio Amador Microprocesadores – 4T2-El 1

Introducción a las Computadoras Digitales Las computadoras se han convertido en un auxiliar esencial hoy día para el hombre. Su uso se está implementando en todos los campos de trabajo. Las computadoras están en todos lados y existen en muchas formas y tamaños. En trabajos donde el hombre no se concentra o no pone la atención debida a causa de la naturaleza repetitiva de la tarea, una computadora puede realizar la misma durante toda una semana, 24 horas al día, sin pérdida de velocidad ni precisión. Las ventajas de las computadoras se pueden resumir en cuatro puntos: rapidez, precisión, economía y confiabilidad. Clasificación de los Computadores Según su funcionamiento:

Computador digital. Computador analógico: problemas de simulación, medición y control

de procesos. Computador híbrido: control de procesos industriales.

Según su finalidad:

De propósito general. De propósito específico: resolución de problemas simples.

Clasificación comercial:

Supercomputadores: los más complejos. Problemas de simulación. Mainframes: operaciones de gestión de grandes corporaciones. Minicomputadores: alta relación capacidad-costo Microcomputadores: empresas o a nivel doméstico.

Conceptos Generales Computadora: dispositivo electrónico capaz de recibir un conjunto de instrucciones y ejecutarlas realizando cálculos sobre los datos numéricos, o bien compilando y correlacionando otros tipos de información. El Hardware es el equipo utilizado para el funcionamiento de una computadora. El hardware se refiere a los componentes materiales de un sistema informático. La función de estos componentes suele dividirse en tres categorías principales: entrada, salida y almacenamiento. El soporte lógico o Software, en cambio, es el conjunto de instrucciones que un ordenador emplea para manipular datos: por ejemplo, un procesador de textos o un videojuego. Estos programas suelen almacenarse y transferirse a la CPU a través del hardware de la computadora. El software también rige la forma en que se utiliza el hardware, como por ejemplo la forma de recuperar información de un dispositivo de almacenamiento.



Evolución de las máquinas computadoras (Generaciones) Primera Generación (1946 - 1959) Esta generación se caracteriza por el uso de tubos al vacío para conducir la electricidad. Las computadoras de esta generación eran muy grandes en tamaño y lentas al procesar datos. A causa de la gran cantidad de calor que emitían, se requería que siempre estuvieran en un lugar con mucha ventilación. Una vez que las computadoras de esta generación comenzaban un proceso, el mismo no podía ser interrumpido hasta que la computadora lo terminará por completo. Podían realizar 1,000 instrucciones por segundo. Entre las computadoras pertenecientes a esta generación están: la ENIAC (Electronics Numerical Integrator And Calculator) y la UNIVAC (Universal Automatic Computer), siendo estas las primeras computadoras comerciales.

Eniac, el primer computador digital

Segunda Generación (1959 - 1964) Aparecen los transistores. Estos reemplazan los tubos al vacío de la primera generación. Un transistor representa 40 tubos al vacío y son más pequeños y duraderos. Las computadoras de esta generación resultaron más económicas ya que consumían menos energía y ocupaban menos espacio. Su capacidad de memoria se amplía al igual que las unidades de entrada y salida de información. Su velocidad de ejecución aumenta y además surgen los primeros lenguajes de computación, ejemplo: FORTRAN. Estas computadoras podían realizar 10,000 instrucciones por segundo. Tercera Generación (1965 - 1971) En la tercera generación los circuitos integrados pasan a sustituir los transistores. Un circuito integrado (IC) es un pequeño encapsulado de silicio que contiene en su interior miles de transistores. Estos proveen mayor velocidad, durabilidad y a su vez son más económicos que los transistores de la segunda generación. Las computadoras de ésta generación son más pequeñas y costosas. Estas computadoras podían realizar 1,000,000 instrucciones por segundo y podían ejecutar varias tareas al mismo tiempo. Tecnologías de pequeña y mediana escala de integración (SSI/MSI Small / Medium Scale Integration).



Cuarta Generación (1972 - 1989) Los circuitos integrados pasan a alta y muy alta escala de integraciones (LSI/VLSI Large / Very Large Scale Integration), es decir se aumenta la cantidad de transistores de manera considerable en cada circuito integrado. En esta generación aparece el microprocesador. Este a su vez promueve el surgimiento de las microcomputadoras y las computadoras personales, siendo la primera computadora personal la APPLE II, en 1977. El circuito integrado hace que las computadoras de esta generación sean mucho más rápidas. La eficiencia de éstas aumenta considerablemente y se reduce el tamaño y el costo de las mismas. Quinta Generación (Inicio de los 90) En esta generación la escala de integraciones pasa a ser muy alta (VLSI). Aparecen los ordenadores multimedia y los sistemas operativos amigables con entornos gráficos para facilitar la utilización a usuarios no especialistas. Se reducen costes, tamaño y aumenta la capacidad de proceso, la memoria y la velocidad. Arquitectura de un Microprocesador Típico Un Microprocesador, es un circuito donde se encuentran integrados una serie de bloques que le permiten realizar las funciones para las que ha sido fabricado. Los bloques fundamentales son:

1. Unidad de Control 2. Unidad Aritmético Lógico 3. Registros Internos 4. Buses Internos.

Bus de Direcciones

CPU Memoria E/S

Bus de Datos

Bus de Control



Organización de las maquinas computadoras - La arquitectura según Von-Neumann

Máquina

Von Neumann

Datos de

entrada

Datos de

salida

Unidad

de

memoria

Procesador

Central

Unidad de

Entrada/Salida

Es la arquitectura en la que se basan los primeros ordenadores y es en la que se basa el 90% de los ordenadores actuales. John Von-Neumann era un matemático húngaro (1903-1957). En 1945 se le ocurre el diseño de una máquina compuesta por la CPU, una memoria principal y un interface de E/S, todos ellos ínterconexionados con un bus de interconexión. Sólo tiene un único flujo de datos e instrucciones. El introduce la idea de programa almacenado y la idea de ruptura secuencial. Hasta entonces las instrucciones de introducían una a una y se ejecutaban secuencialmente según entraban. Cuándo se introducía un programa a ejecutar había que introducirlo entero y junto con él todos los datos y era imposible alterar la secuencia de órdenes. Hasta aquí no se almacenaba nada en memoria. Con Von-Neumann se guarda el programa en memoria y se introducen los datos cuándo se ejecuta el programa. Dado que todas las instrucciones están disponibles, la siguiente instrucción a ejecutar puede ser cualquiera, como lo muestra el siguiente diagrama:

Unidad

de

Control

(CU)

Unidad

aritmética

- lógica

(ALU)

Unidad Central de

Procesos (CPU)

Intrucciones

+

Datos

Unidad de Memoria

Módulo

Entrada/Salida

Instrucciones

Datos

Registros

Arquitectura de Maquinas computadora según Von Neumann



Unidad central de Procesos (CPU): Se puede definir como un circuito microscópico que interpreta y ejecuta instrucciones. La CPU se ocupa del control y el proceso de datos en los ordenadores. Habitualmente, la CPU es un microprocesador fabricado en un chip, un único trozo de silicio que contiene millones de componentes electrónicos. El microprocesador de la CPU está formado por una unidad aritmético-lógica, Registros y por una unidad de control. Unidad Aritmética-Lógica (ALU): Es la encargada de realiza cálculos y comparaciones, y toma decisiones lógicas (determina si una afirmación es cierta o falsa mediante las reglas del álgebra de Boole) Registros: Es donde se almacena información temporalmente. Unidad de Control (CU): Se encarga de coordinar que todos los procesos se realicen de manera ordenada y secuencial. Su modo de proceder contiene un puntero que indica la siguiente instrucción a ejecutar, obtiene la instrucción de memoria, la decodifica (serie de microordenes internas) y repite el proceso. Unidad de Memoria: Su objetivo es contener el programa en ejecución y parte de los datos del programa. Unidades de entrada / salida: Están interconectadas con la CPU y con el exterior mediante líneas dedicadas ó mediante líneas de propósito general, a través de estas fluye información hacia y desde los usuarios.

Bus: Para aceptar órdenes del usuario, acceder a los datos y presentar los resultados, la CPU se comunica a través de un conjunto de circuitos o conexiones llamado bus. El bus conecta la CPU a los dispositivos de almacenamiento (por ejemplo, un disco duro), los dispositivos de entrada (por ejemplo, un teclado o un mouse) y los dispositivos de salida (por ejemplo, un monitor o una impresora). La arquitectura según Harvard Es conocido como arquitectura moderna de este tipo de maquinas. Según esta arquitectura se corregir la desventaja que presenta el modelo de Von Neumann y lo logra separando la unidad de memoria en dos memoria una para datos y una para Instrucciones con buses propios. De esta forma la CPU puede acceder tanto a los datos como a las instrucciones al mismo tiempo mejorando la velocidad en los procesos. Esto se puede observar mejor a través de la grafica siguiente:



Intrucciones

Entrada/

Salida

Datos

Unidad Central de

Procesos

Memoria del

programa

Bus de

DireccionesBus de

Direcciones

Bus de

Instrucciones

Bus de

Datos

Unidad

de

Control

(CU)

Unidad

aritmética

- lógica

(ALU)

Registros

Arquitectura de Máquinas computadora según Harvard

Sistemas de Buses Un bus, es un canal de comunicación que las computadoras usan para comunicar sus componentes entre si, por ejemplo para comunicar el procesador con los periféricos, memoria o dispositivos de almacenamiento.

CPU E/SMemoria

Control

Dirección

Datos

Generalmente el Bus esta integrado a la tarjeta madre, en una tarjeta madre muy posiblemente se encuentre diferentes tipos de buses.

El objetivo de que el Bus este conectado a la tarjeta madre es que los dispositivos que se conecten a ella, actúen como si estuvieran directamente conectadas con el procesador. Tipos de Buses En forma muy general existen tres tipos de buses, de acuerdo a la función que realizan.



Bus de direcciones

Bus de datos

Bus de control

Bus de Control

Es un conjunto de líneas de transmisión que transportan señales que se usan para sincronizar las actividades y transacciones con los periféricos. Estas señales que la CPU envía son para indicar que tipo de operación se espera en ese momento. Los periféricos también pueden remitir señales de control a la CPU.

Las señales más importantes en el bus de control son las señales de cronómetro, que generan los intervalos de tiempo durante los cuales se realizan las operaciones. Este tipo de señales depende directamente del tipo del microprocesador.

Bus de direcciones Este es un bus unidireccional debido a que la información fluye es una sola dirección, de la CPU a la memoria o a los elementos de entrada y salida. La CPU sola puede colocar niveles lógicos en las N líneas de dirección, con la cual se genera 2N posibles direcciones diferentes. Cada una de estas direcciones corresponde a una localidad de la memoria ó dispositivo de E / S.

Los microprocesadores 8086 y 8088 usados en los primeros computadores personales (PC) podían direccionar hasta 1 megabyte de memoria (1.048.576 bytes). Es necesario contar con 20 líneas de dirección. Para poder manejar más de 1 megabyte de memoria , en los computadores AT (con procesadores 80286) se utilizó un bus de direcciones de 24 bits, permitiendo así direccionar hasta 16 MB de memoria RAM (16.777.216 bytes). En los procesadores 80386DX pueden direccionar directamente 4 gigabytes de memoria principal donde son 32 líneas.

Bus de Datos

Este es un bus bidireccional, pues los datos pueden fluir hacia ó desde la CPU. Los m terminales de la CPU, de D0 - Dm-1, pueden ser entradas ó salidas, según la operación que se este realizando (lectura ó escritura). En todos los casos, las palabras de datos transmitidas tiene m bits de longitud debido a que la CPU maneja palabras de datos de m bits; del número de bits del bus de datos, depende la clasificación del microprocesador.

En algunos microprocesadores, el bus de datos se usa para transmitir otra información además de los datos (por ejemplo, bits de dirección ó información de condiciones). Es decir, el bus de datos es compartido en el tiempo ó multiplexado. En general se adoptó 8 bits como ancho estándar para el bus de datos de los primeros computadores PC y XT. Usualmente el computador transmite un carácter



por cada pulsación de reloj que controla el bus (bus clock), el cual deriva sus pulsaciones del reloj del sistema (system clock). Algunos computadores lentos necesitan hasta dos pulsaciones de reloj para transmitir un carácter.

ARQUITECTURA BASICA DEL COMPUTADOR

La mayoría de las computadoras digitales basan su arquitectura en el modelo de Von Neumann. En este modelo, una computadora está formada por cuatro unidades que interactúan entre sí. Estas cuatro unidades son: El procesador, La Unidad de Memoria, la Unidad de Entrada-Salida y La Unidad de Control.

La arquitectura Von Neumann, ha sido el punto de partida de la mayoría de las máquinas computadoras modernas. La organización de las unidades ha cambiado un poco hoy día con los avances en tecnología, sin embargo la esencia aún se mantiene. Se han introducido nuevos enfoques respecto a cómo se describe una organización y los términos aplicados. La organización de una computadora puede definirse tanto de forma funcional como estructural. De manera funcional se expresa en términos de las operaciones que se realizan y el flujo de los datos entre los componentes funcionales. Estructuralmente, la organización se define en términos de los componentes físicos que conforman el todo y sus relaciones. En nuestro caso, decimos que un ordenador es un sistema que se compone de subsistemas, los cuales, a su vez, se conforman de unidades o componentes. Los subsistemas se interconectan y comunican mediante una estructura de interconexión.



INTRODUCCIÓN A LOS MICROPROCESADORES INTEL

Este importante grupo de microprocesadores incluye los CPU 8086, 8088, 80186, 80286, 80386, 80486 y Pentium. Inicialmente se presentarán las características principales de cada uno de estos procesadores, pero en el desarrollo de la unidad II de este curso se hará un estudio con más detalle del procesador 80486.

LA EVOLUCIÓN DEL MICROPROCESADOR

Chip Fecha MHz Transi

tores Memoria MIPs Data bus

Bits en

Regs

4004 1971 0.108 2.3K 4K 4 4

Primer microprocesador en un chip, solo 45 instrucciones.

8008 1972 0.108 3.5K 16K 8 8

Primer microprocesador de 8 bits (48 instrucciones)

8080

1974 2 6K 64K 8 8

Primer microprocesador moderno de 8 bits. Muy similar al Z80.

Una versión mejorada es el 8085.

8086

1978 5-10 29K 1M 0.8 16 h16

Sustituyó a minicomputadoras en pequeñas aplicaciones. Multiplicación y división por hardware.

Mayor número de registros.

8088

1979 5-8 29K 1M 0.8 8 16

Se usó en la IBM PC. Igual que el 8086, pero con bus de datos externos de 8 bits.

80286

1982 8-12 134K 16M 2.7 16 16

Contiene una unidad de administración de memoria Se introduce el modo protegido.

Permite compatibilidad hacia atrás, mantiene el modo Real.

Chip Fecha MHz Transi

tores Memoria MIPs

Data

bus

Bits en

Regs

80386

1985 16-33 275K 4G 6.0 32 32

Primer CPU de 32 bits (posee varias formas de paralelismo). Seis unidades; interface de bus, prebúsqueda de instrucciones, decodificación de instrucciones, ejecución, segmentación (mem

logica a lineal) y paginación (mem lineal a física). Ejecuta muchas instrucciones en dos ciclos de reloj

80486 1989 25-100 1.2M 4G 20 32 32



MIPs: Millones de instrucciones por segundos.

Mas paralelismo al ejecutar la decodif. de instr. y la ejecución en varias etapas (pipeline, conducto)

Memoria caché de 8K y co-procesador matemático integrado. Ejecuta muchas instrucciones en un ciclo de reloj.

Sistema de ahorro de energía.

Pentium

1993 60-233 3.1M 4G 100 64 32

Dos conductos de ejecución para un lograr un comportamiento superescalar.

Memoria caché doblada y dividida en datos e instrucciones (L1)

Pentium

Pro

1995 150-

200 5.5M 64G 440 64 32

Arquitectura escalar con tres conductos. Puede ejecutar tres instrucciones por ciclo.

Implementa ejecución dinámica (análisis del flujo de datos, ejecución fuera de orden, predicción de saltos y ejecución especulativa)

Dos niveles de caché integrados L1 y L2 (256K).

Pentium

II

1995 233-

400 7.5M 4G 64 32

Pentium Pro más MMX (extensions de multimedia especiales) Celeron: Pentium II de bajo costo y desempeño.

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