Sistemas Microprocesados PDF

 

DISEÑO DE COMPUTADORAS

 

TEMATICA  SISTEMAS MICROPROCESADOS.



 SISTEMAS MICROCONTROLADOS.



 SISTEMAS EMBEBIDOS



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CONTROL DE PROCESOS EQUIPO A CONTROLAR O PROCESO INDUSTRIAL

SENSORES O CAPTORES Informaciones del sistema

ACTUADORES

UNIDAD DE

Ordenes a ser ejecutadas

CONTROL Elementos de programación

Información recibida

OPERADOR LUIS DA DAVID VID NARVÁEZ DISEÑO DE COMPUTADORAS

 

SOLUCIÓN DE UN PROBLEMA CARACTERÍSTICAS DEL SISTEMA   Mantenimiento

Mucho

Poco

•

  Costo   Adaptación de procesos

Bajo Difícil

Alto Fácil

•

  Posibilidades de ampliación

Bajas

Altas

•

  Interconexión y cableado exterior

Mucho

Poco

•

  Estructuración en bloques

Difícil

Fácil

• •

CABLEA CAB LEAD DA

independientes

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PRO PROG GRA RAM MAB ABLE LE

 

SOLUCIÓN DE UN PROBLEMA  ANALISIS

PROBLEMA  

PROGRAMADOR

SISTE EMA mP PROGRAMA   SIST

CONOCIMIENTOS

DATOS DEL PROBLEMA

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SOLU SOLUCI CIO ON

 

ARQUITECTURAS HARDWARE

SOFTWARE



Von Neuman Neuman



CISC



Segmentada.



RISC



Harvard



SISC

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ARQUITECTURA VON NEUMAN  Máquina secuencial  Ejecuta solo una operación a la vez  Bus de datos y direcciones compartidos 

CPU CPU

 Lenta  Generalmente se combina con software 

tipo CISC

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MEMORIADE DE MEMORIA PROGRAMA PROGRAMA  YDATOS DATOS  Y

 

ARQUITECTURA SEGMENTADA  Máquina secuencial    Buses de datos y direcciones compartidos   Diseño multietapa (Pipeline) 



CICLO MAQUINA

OSC

  El diseño multietapa le permite ejecutar más de una operación a la vez

 Se encuentra combinada con software CISC y en pocas ocasiones con RISC    Más rápida r ápida que Von Neuman 

PC

PC+1

BUSQUEDA INST (PC) EJECUTA INST (PC-1)

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BUSQUEDA INST (PC+1) EJECUTA INST (PC)

 

ARQUITECTURA HARVARD   Separa los buses de datos, direcciones direccion es y control, y los hace totalmente independientes.    Lo anterior permite leer instrucciones con mayor velocidad    Pueden direccionar direccionar altas cantidades de memoria   Se combinan con software RISC 

MEMORIA MEMORIADE DE PROGRAMA PROGRAMA (ROM) (ROM)

CPU CP U CP CPU U

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MEMORIADE DE MEMORIA DATOS DATOS (RAM) (RAM)

 

ARQUITECTURA CISC 

 Complex Instruction Set Computer .



 Set de instrucciones grande.



 Ofrece una amplia gama de operaciones.



 Facilita el trabajo de programación.



 Reduce el tamaño del código de programa.   Incrementa el costo de aprender la programación LUIS DA DAVID VID NARVÁEZ DISEÑO DE COMPUTADORAS

 

ARQUITECTURA RISC  Reduced Instruction Set Computer



 Pocas instrucciones



 Más fácil de aprend aprender er el método de



programación  Mayor tamaño del código de programa



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ARQU QUIT ITEC ECTU TURA RA SI SISC SC AR  (Specific Instruction Set Computer).



 Estos procesadores poseen un juego de instrucciones específico para cada aplicación. Están destinadas a aplicaciones muy concretas.



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ESTRUCTURA DE UN SISTEMA DE MICROPROCESADORES Unidad E/S

CPU o mP

Unidad de memoria

UNIDADDE DE UNIDAD

UNIDADDE DE UNIDAD

ENTRADA ENTRADA

CONTROL CONTROL

MEMORIA MEMORIA RAM RA M RAM RA M

UNIDADDE DE UNIDAD SALIDA SALIDA

ALU ALU AL U

MEMORIA MEMORIA ROM ROM

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PARTES DE UN SISTEMA DE MICROPROCESADOR Bus de datos Bus de direcciones

CPU CPU

Bus de control

CLK

Bloque de memoria

RAM

Bloque E/S

ROM

Periféricosde de Periféricos entrada entrada

Entrada

Salida

Periféricos Periféricosde de salida salida

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BLOQUES DE LA CPU UNIDADDE DECONTROL CONTROL UNIDAD Ejecutaeeinterpreta interpretalas lasinstrucciones. instrucciones. Ejecuta Sincronizaelelfuncionamiento funcionamientode de Sincroniza todoslos loscomponentes componentesdel delsistema sistema todos

CPU o mP Procesa información binaria en base de un programa escrito en la memoria

UNIDADARITMETICO-LOGICA ARITMETICO-LOGICA UNIDAD Ejecuta operaciones: Ejecuta operaciones: Aritméticas: Aritmét icas: +, -, complemento complemento a dos. Aritméticas: Aritmé ticas: +, -, complemento complemento a dos. Lógicas: Lógic as: and, or, not, xor, com compara paración ción.. Lógicas: Lógic as: and, or, not, xor, comp compara aración ción.. Además: desplazamiento, rotación y traslado Además: desplazamiento, rotación y traslado de información digital de información digital

BLOQUEDE DEREGISTROS REGISTROS BLOQUE Memoriaspara paraalmacenamiento almacenamientotemporal temporal Memorias de datos necesarios para el desarrollo de de datos necesarios para el desarrollo de lasactividades actividades actividade del mP. las actividade ssdel de l mP.

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ESTRUCTURA INTERNA DE LA CPU REG. ESTADOS

SR SR

ACUMULADOR

AC AC

REGISTROS REGISTROS DE PROPOSITO DE PROPOSITO GENERAL GENERAL

CONTADOR DE PROG.

PC PC REG. INSTRUCCIONES

IR IR ALU ALU

BUSES INTERNOS

LOGICADE DE LOGICA CONTROL CONTROL  Y  Y TEMPORIZACION TEMPORIZACION

REGISTROINTERMEDIO INTERMEDIO REGISTRO DE DATOS DE DATOS

BUS DE DATOS

REGISTRO REGISTROINTERMEDIO INTERMEDIO DE DEDIRECCIONES DIRECCIONES

BUS DE DIRECCION

BUS DE CONT ROL

BUS DEL SISTEMA HACIA LA MEMORIA PRINCIPAL Y DISPOSITIVOS DE E/S

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ESTRUCTURA INTERNA DE LA CPU 



  La   Unidad Arit Aritmétic mético-lóg o-lógica ica   se encarga de realizar las operaciones lógicas y aritméticas usando como base la suma y la no nota taci ción ón del del comp comple leme ment ntoo de dos. dos. Esta Estass oper operac acio ione ness (SUMA, RESTA, COMPLEMENTO DE DOS, AND, OR, NOT, XOR XO R y la COM COMPARACIÓN CIÓN)) la lass reali ealizza con con da dattos de la memoria, datos El de tipo los registros registr os internos conrealizará, datos datos dese la unidad decon entrada. de operación queo se determina por medio de señales de la unidad de control.   Conectados por medio del bus interno se encuentran los Registr Regis tros os Intern Internos os   para par a eltodo alma almace cena nami mien ento to temp tempor oral al un de datos. Cabe mencionar que microprocesador tiene registro muy importante llamado   ACUMULADOR  el cual contiene el primer operando de una operación y el resultado de la misma luego de haberla ejecutado. LUIS DA DAVID VID NARVÁEZ DISEÑO DE COMPUTADORAS

 

REGISTROS 

 Registro Contador de Programa (PC), es

el que indica al micr mi crop oprroces ocesad ador or la dir direc ecció ciónn de memo memori riaa dond dondee se es está tá ejecutando el programa. Cada vez que se lee una instrucción, el PC se in incr crem emen enta ta auto automá máti tica came ment ntee para para sumi sumini nist stra rarr la dirección de la posición de memoria donde se encuentra la siguiente instrucción o dato del programa.

 

Cada vez que el microprocesador capta una instrucción, esta se almacena en el

  Reg egis istr tro o

de

in inst strrucci uccion one es

(IR IR)).

registro o in inte terp rprretaci taIR, ción óncon y el bus busfin car cardeenproceder la ROM a dsu el   decodificación microprograma   el conjunto de microinstrucciones necesarios para su ejecución. Esta función la rea realiza liza un circuito circuito denominado denominado  decodificador de instrucciones. LUIS DA DAVID VID NARVÁEZ DISEÑO DE COMPUTADORAS

 

REGISTROS 



  El Registro Acumulador (Ac) es utilizado por muchas instrucciones como fuente o destino de datos. En él, generalmente, se deposita el resul resultado tado de una operación.   El  Registro de estado (SR)  suministra, a través de sus bits (llamados  banderas (flags)), información relativa a la ejecución de cierta rtas instru trucciones como signo, sobr so bref eflu lujo jo,, pari parida dad, d, gene genera raci ción ón de acar acarrreo, eo, resu result ltad adoo negativo nega tivo o cero, cero, etc. Mediante Mediante la verifica verificación ción del estado de estas banderas se pueden realizar bifurcaciones en la secuencia del programa. LUIS DA DAVID VID NARVÁEZ DISEÑO DE COMPUTADORAS

 

REGISTROS 

  Registros de propósito general.

Son utilizados para al alma mace cena narr dire direcc ccio ione ness de memo memori ria, a, dato datos, s, resu result ltad ados os intermedios otros un propósitos. El número tipos de registros quey posee microprocesador es yuna parte muy importante en su arquitectura y su programación.

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TIPOS DE MEMORIAS MODULODE DEMEMORIA MEMORIA MODULO

MEMORIA DE VALOR FIJO MEMORIA DELECTURA) VALOR FIJO (SOLO (SOLO LECTURA)

MEMORIA LECTURA/ESCRITURA MEMORIA LECTURA/ESCRITURA (ACCESO (ACCESOALEATORIO) ALEATORIO)

RAM ESTATICAS RAM ESTATICAS (SRAM) (SRAM)

PROM PROM PROGRAMABLES PROGRAMABLES POR EL USUARIO POR EL USUARIO

RAM DINAMICAS RAM DINAMICAS (DRAM) (DRAM)

PROM PROM

 

EPROM EPROM

 

OTP OTP

 

ROM ROM ALMACENAMIENTO PROGRAMABLES ALMACENAMIENTO PROGRAMABLES SECUNDARIO SECUNDARIO POR MASCARA POR MASCARA

EEPROM   FLASH EEPROM FLASH

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BUSES BUS DE DIRECCIONES

BUS DE DATOS

     R      O      D      A      S      E      C      O      R      P      O      R      C      I      M

ENTRADAS DE CONTROL

SALIDAS

BUS DE CONTROL

DE CONTROL

FUENTE DE ALIMENTACION

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BUSES 

 Bus de datos está

constituido por líneas bidireccionales. El número N de líneas del bus de datos es en general, igual con la longitud de la palabra de datos del microprocesador. Por el bus de datos de transfiere la in info form rmac ació iónno bina bi nari riaael entr en tree el micr microp oprroces oc or y los loos periféricos entre microprocesador y esad la ador memoria, directamente entre el periférico y la memoria, en caso de existir dispositivos dispositivos de acceso directo directo a la memoria. Por lo tanto éste bus determina el tipo de procesador ( 4, 8 16 o 32 bits) y el número de periféricos que se pueden cone onectar ctar al micr microp oprroce ocesado sadorr (por (por ejem ejempl ploo para para un microprocesador de 8 bits se conectarán 2 7 periféricos). Este bus es tri-state. LUIS DA DAVID VID NARVÁEZ DISEÑO DE COMPUTADORAS

 

BUSES 

  es está formado por líneas unid un idir irec ecci cion onal ales es.. Es utili utiliza zado do para para la tran transf sfer eren enci ciaa de

  Bus

de

direcciones

ideterminada nformación   posición necesaria depamemoria ra la se o leccde iónun  dpuerto e una del mó mód dulo de E/S. Es Esta ta in info form rmac ació iónn repr epresen esenta ta la dirección de una posición de memoria o de un puerto de entrada o salida (del módulo de E/S), seleccionados para la real ealiza izaci ción ón de la tran transsferencia ncia de dato datoss por por bus bus respectivo. El bus de direcciones determina la capacidad de memoria del sistema. LUIS DA DAVID VID NARVÁEZ DISEÑO DE COMPUTADORAS

 

BUSES 

  Bus de control  está

formado por líneas, en general, unidireccionales. En este bus cada línea tiene un si sign gnifific icad adoo y deno denomi mina naci ción ón dist distin inta ta.. El bus bus de contr control ol contiene la información que envía el microprocesador a los elementos del sistema o bien recibe de estos con el propósito de sincronizar su operación con la operación de la circuitería externa. El número de líneas del bus de cont ontrol es vari variab able le y depe depend ndee dl microp croprroces ocesad ador or particular utilizado

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CIRCUITO DE RELOJ Y RESET

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CIRCUITO DE RELOJ Y RESET

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MODULO DE ENTRADA/SALIDA

ENTRADA ENTRADA

mP mP ++ Memoria Memoria

PERIFERICOS PERIFERICOS

•

•

ESTADO ESTADO

• •

•

SALIDA SALIDA

•

•

  LED’s   LED’s   DISPLAY’s   DISPLAY’s   ZUMBADORES   ZUMBADORES   INTERRUPTORES   INTERRUPTORES  SENSORES  SENSORES ANALOGICOS ANALOGICOS   TECLADOS  TECLADOS   Etc.   Etc.

•

•

•

•

•

•

•

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MODULO DE ENTRADA/SALIDA  TIPO  TIP O ENTRADA

DISPOSIT DISP OSITIVO IVO Interruptores ON/OFF Teclados Sensores y transductores de entrada

SALIDA

Visualizadores (Led, LCD, etc) Pantallas TRC Impresoras (láser, de jet de tinta, de impacto,etc) Motores eléctricos y actuadotes

ENTRADA/SA ENTRA DA/SALIDA LIDA

Termina erminales les intera interactivos ctivos Memorias secundarias Unidades de disco magnético Enlaces de comunicaciones Líneas telefónicas

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COMPUTADORAS  

SISTEMAS CON MICROCONTROLAD MICROCONTROLADORES ORES

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SISTEMAS CON MICROCONTROLAD MICROCONTROLADORES ORES 

  El   microcontrolador   es un circuito programable que contiene todos los componentes de un computador. Se emplea para controlar funcionamiento de una tarea determinada y, debido el a su reducido tamaño, suele ir incorporado en el propio dispositivo que lo gobierna, por lo tanto, el microcontrolador es un computador dedicado.

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MICROPROCESADO MICROPROCESADOR R vs MICROCONTROLADOR

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MICROPROCESADO MICROPROCESADOR R vs MICROCONTROLADOR

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¿QUÉ MICROCONTROLADOR EMPLEAR? 

  Pro Proces cesami amient ento o de dat datos os::   puede

ser necesario que el microcontrolador realice cálculos críticos en un tiempo limitado. En ese caso caso debemos asegurarnos asegurarnos de seleccionar un dispositivo suficientemente rápido para ello. Por otro lado,, habrá que tener en cuenta lado cuenta la precisi precisión ón de los datos a manejar: manejar: si no es suficiente suficiente con un microcontr microcontrolado oladorr de 8 bits, puede ser necesario acudir a microcontroladores de ó 32 bits, omás incluso a hardware de coma flotante. Una16alternativa barata y quizá suficiente es usar librerías para manejar los datos de alta precisión.

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¿QUÉ MICROCONTROLADOR EMPLEAR? 

  En Entr trad ada a Sa Sali lida da::   par paraa

dete determ rmin inar ar las las nece necesi sida dade dess de Entr En trad ada/ a/Sa Salilida da del del sist sistem emaa es con convenie enient ntee dibu dibuja jarr un

diagrama sencillo idde entbloques ificar la del canmismo, tid tidad ydetiptalo forma de seque ñalesseaa cont co ntrrolar olar.. Un Unaa vez reali ealiza zado do este este anál anális isis is pued puedee ser ser necesario añadir periféricos hardware externos o cambiar a otro microcontrolador microcontrolador más adecuado a ese sistema.

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¿QUÉ MICROCONTROLADOR EMPLEAR? 

  algunos productos que incorporan microcontroladores están alimentados con baterías y su

  Consumo: Consumo:

fu func ncio iona nami mien ento to pued puLo edeemás ser serconveniente tan tan vi vita tall como co ac tiva varrcomo una una alarma antirrobo. enmo un acti caso éste puede ser que el microcontrolador esté en estado de bajo consumo pero que despierte ante la activación de unaa señal un eñal (una (una inter nterrrupci upción ón)) y ejec ejecut utee el prog progra ram ma adecuado para procesarla.

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¿QUÉ MICROCONTROLADOR EMPLEAR? 

para   Memoria: Memoria:   para

de dete tect ctar ar las las nece necesi sida dade dess de memo memori riaa de nues nu estr traa aplic aplicac ació iónn debe debemo moss sepa separa rarl rlaa en memo memori riaa volá volátil til (RAM), memoria no volátil (ROM, EPROM, EPROM, etc.) y memoria no volátil modificable (EEPROM). Este último tipo de memoria pued pu edee ser útil útil pa para ra incl inclui uirr inf informa ormaci ción ón espec specífífic icaa de la aplica cacción cElom o un número ademplear e serie vendrá o pardeterminado ámetros de calibración. tipo de memoria por el volumen de ventas previsto del producto: de menor a mayo ma yorr volum volumen en será será conve convenie niente nte emplea emplearr EPROM, EPROM, OTP OTP y ROM. En cuanto a la cantidad de memoria necesaria puede ser imprescindible realizar una versión preliminar, aunque sea en pseudo-código, de la aplicación y a partir de ella hacer una estimación de cuánta memoria volátil y no volátil es necesaria y si es conveniente disponer de memoria no volátil modificable. LUIS DA DAVID VID NARVÁEZ DISEÑO DE

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¿QUÉ MICROCONTROLADOR EMPLEAR? 

  An Anc cho de pal alab abrra:   el

criter terio de diseño debe ser sele se lecc ccio iona narr el mi micr croc ocon ontr trol olad ador or de meno menorr anch anchoo de palabra que satisfaga los requerimientos de la aplicación. Usar un microcontrolador de 4 bits supondrá una reducción en los costes importante, mientras que uno de 8 bits puede ser el más adecuado si el ancho de los datos es de un byte. Los microcontroladores de 16 y 32 bits, debid bido a su elevado coste, deben reserva rvarse rse para aplicaciones que requieran sus altas tas prestac taciones (Entrada/Salida potente o espacio de direccionamiento muy elevado).

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¿QUÉ MICROCONTROLADOR EMPLEAR?



 Diseño de la placa: placa: la

selección de un microcontrolador

concreto Debe tecondicionará nerse en el cudiseño enta qde uela placa quizá de ucircuitos. sar un microcontrolador barato encarezca el resto de componentes del diseño.

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MUCHAS GRACIAS PREGUNTAS / COMENTARIOS LUIS DA DAVID NARVÁEZ NARVÁEZ DISEÑO DE COMPUTADORAS