1. introducción microcomputadores

DISEÑO DE COMPUTADORAS

PUCESI

TEMATICA

LUIS DAVID NARVÁEZ DISEÑO DECOMPUTADORAS

SISTEMAS MICROPROCESADOS.

SISTEMAS MICROCONTROLADOS.

SISTEMAS EMBEBIDOS

CONTROL DE PROCESOS


OPERADOR

SENSORES OCAPTORES

ACTUADORES

EQUIPO A CONTROLAR OPROCESO INDUSTRIAL

UNIDAD DECONTROL

Elementos de programación Información recibida

Informacionesdel sistema

Ordenes a serejecutadas

OPERADOR

SENSORES OCAPTORES

ACTUADORES

EQUIPO A CONTROLAR OPROCESO INDUSTRIAL

UNIDAD DECONTROL

Elementos de programación Información recibida

Informacionesdel sistema

Ordenes a serejecutadas

SOLUCIÓN DE UN PROBLEMA


CARACTERÍSTICAS DELSISTEMA

CABLEADA PROGRAMABLE

Mantenimiento Costo Adaptación de procesos Posibilidades de ampliación Interconexión y cableado exterior Estructuración en bloques

independientes

MuchoBajoDifícilBajasMuchoDifícil

PocoAltoFácilAltasPocoFácil

SOLUCIÓN DE UN PROBLEMA


PROBLEMA PROGRAMADOR

ANALISIS

CONOCIMIENTOS

PROGRAMA SISTEMA mP SOLUCION

DATOS DEL PROBLEMA

PROBLEMA PROGRAMADOR

ANALISIS

CONOCIMIENTOS

PROGRAMA SISTEMA mP SOLUCION

DATOS DEL PROBLEMA

ARQUITECTURAS


HARDWARE

Von Neuman

Segmentada.

Harvard

SOFTWARE

CISC

RISC

SISC

ARQUITECTURA VON NEUMAN


Máquina secuencial Ejecuta solo una

operación a la vez Bus de datos y

direccionescompartidos Lenta Generalmente se

combina con softwaretipo CISC

CPUCPUMEMORIA DEPROGRAMA

Y DATOS

MEMORIA DEPROGRAMA

Y DATOSCPUCPU

MEMORIA DEPROGRAMA

Y DATOS

MEMORIA DEPROGRAMA

Y DATOS

ARQUITECTURA SEGMENTADA


Máquina secuencial Buses de datos y

direcciones compartidos Diseño multietapa

(Pipeline) El diseño multietapa le

permite ejecutar más de unaoperación a la vez

Se encuentra combinadacon software CISC y enpocas ocasiones con RISC

Más rápida que VonNeuman

OSC

PC PC+1

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

EJECUTA INST (PC)

CICLO MAQUINA

OSC

PC PC+1


EJECUTA INST (PC)

CICLO MAQUINA

PC PC+1


EJECUTA INST (PC)

CICLO MAQUINA

ARQUITECTURA HARVARD


Separa los buses dedatos, direcciones ycontrol, y los hacetotalmenteindependientes.

Lo anterior permite leerinstrucciones con mayorvelocidad

Pueden direccionar altascantidades de memoria

Se combinan consoftware RISC

CPUCPUMEMORIA DEPROGRAMA

(ROM)

MEMORIA DEPROGRAMA

(ROM)

MEMORIA DEDATOS(RAM)

MEMORIA DEDATOS(RAM)CPUCPU

MEMORIA DEPROGRAMA

(ROM)

MEMORIA DEPROGRAMA

(ROM)



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

ARQUITECTURA RISC


Reduced Instruction Set Computer

Pocas instrucciones

Más fácil de aprender el método de

programación

Mayor tamaño del código de programa

ARQUITECTURA SISC


(Specific Instruction Set Computer).

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

ESTRUCTURA DE UN SISTEMA DEMICROPROCESADORES


UNIDAD DECONTROL

UNIDAD DECONTROL

ALUALU

UNIDAD DEENTRADA

UNIDAD DEENTRADA

UNIDAD DESALIDA

UNIDAD DESALIDA

MEMORIARAM

MEMORIARAM

MEMORIAROM

MEMORIAROM

Unidad E/S CPU o mP Unidad de memoria

UNIDAD DECONTROL

UNIDAD DECONTROL

ALUALU

UNIDAD DEENTRADA

UNIDAD DEENTRADA

UNIDAD DESALIDA

UNIDAD DESALIDA

MEMORIARAM

MEMORIARAM

MEMORIAROM

MEMORIAROM

Unidad E/S CPU o mP Unidad de memoria

PARTES DE UN SISTEMA DEMICROPROCESADOR


SalidaRAM ROM

CPUCPU

Bloque E/S

Entrada

Bloque dememoria

Periféricos deentrada


Periféricos desalida


Bus de datos

Bus de direcciones

Bus de control

CLKSalidaRAM ROM

CPUCPU

Bloque E/S

Entrada

Bloque dememoria





Bus de datos

Bus de direcciones

Bus de control

CLK

BLOQUES DE LA CPU


Procesa información binariaen base de un programa escritoen la memoria

CPU o mP

Ejecuta e interpreta las instrucciones.

Sincroniza el funcionamiento detodos los componentes del sistema



Ejecuta operaciones:Aritméticas: +, -, complemento a dos.Lógicas: and, or, not, xor, comparación.Además: desplazamiento, rotación y traslado

de información digital



UNIDAD DE CONTROLUNIDAD DE CONTROL

UNIDAD ARITMETICO-LOGICAUNIDAD ARITMETICO-LOGICA

Memorias para almacenamiento temporalde datos necesarios para el desarrollo delas actividades del mP.


BLOQUE DE REGISTROSBLOQUE DE REGISTROS

Procesa información binariaen base de un programa escritoen la memoria

CPU o mP









UNIDAD DE CONTROLUNIDAD DE CONTROL

UNIDAD ARITMETICO-LOGICAUNIDAD ARITMETICO-LOGICA



BLOQUE DE REGISTROSBLOQUE DE REGISTROS

ESTRUCTURA INTERNA DE LA CPU


REGISTROSDE PROPOSITO

GENERAL


GENERAL

SRSR

ACAC

ALUALU

PCPC

IRIR

BUSES INTERNOS

REGISTRO INTERMEDIODE DATOS


REGISTRO INTERMEDIODE DIRECCIONES


LOGICA DECONTROL

YTEMPORIZACION

LOGICA DECONTROL

YTEMPORIZACION

ACUMULADOR

REG. ESTADOSCONTADOR DE PROG.

REG. INSTRUCCIONES

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

BUS DE DATOS BUS DE DIRECCION BUS DE CONTROL


GENERAL


GENERAL

SRSR

ACAC

ALUALU

PCPC

IRIR

BUSES INTERNOS





LOGICA DECONTROL

YTEMPORIZACION

LOGICA DECONTROL

YTEMPORIZACION

ACUMULADOR

REG. ESTADOSCONTADOR DE PROG.

REG. INSTRUCCIONES

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

BUS DE DATOS BUS DE DIRECCION BUS DE CONTROL

ESTRUCTURA INTERNA DE LA CPU


La Unidad Aritmético-lógica se encarga de realizar lasoperaciones lógicas y aritméticas usando como base la suma yla notación del complemento de dos. Estas operaciones(SUMA, RESTA, COMPLEMENTO DE DOS, AND, OR, NOT,XOR y la COMPARACIÓN) las realiza con datos de lamemoria, con datos de los registros internos o con datos de launidad de entrada. El tipo de operación que se realizará, sedetermina por medio de señales de la unidad de control.

Conectados por medio del bus interno se encuentran losRegistros Internos para el almacenamiento temporal dedatos. Cabe mencionar que todo microprocesador tiene unregistro muy importante llamado ACUMULADOR el cualcontiene el primer operando de una operación y el resultadode la misma luego de haberla ejecutado.

REGISTROS


Registro Contador de Programa (PC), es el que indica almicroprocesador la dirección de memoria donde se estáejecutando el programa. Cada vez que se lee una instrucción,el PC se incrementa automáticamente para suministrar ladirección de la posición de memoria donde se encuentra lasiguiente instrucción o dato del programa.

Registro de instrucciones (IR). Cada vez que elmicroprocesador capta una instrucción, esta se almacena en elregistro IR, con el fin de proceder a su decodificación ointerpretación y buscar en la ROM del microprograma elconjunto de microinstrucciones necesarios para su ejecución.Esta función la realiza un circuito denominado decodificador deinstrucciones.

REGISTROS


El Registro Acumulador (Ac) es utilizado por muchasinstrucciones como fuente o destino de datos. En él,generalmente, se deposita el resultado de una operación.

El Registro de estado (SR) suministra, a través de susbits (llamados banderas (flags)), información relativa ala ejecución de ciertas instrucciones como signo,sobreflujo, paridad, generación de acarreo, resultadonegativo o cero, etc. Mediante la verificación del estadode estas banderas se pueden realizar bifurcaciones en lasecuencia del programa.

REGISTROS


Registros de propósito general. Son utilizados paraalmacenar direcciones de memoria, datos, resultadosintermedios y otros propósitos. El número y tipos deregistros que posee un microprocesador es una partemuy importante en su arquitectura y su programación.

TIPOS DE MEMORIAS


MODULO DE MEMORIAMODULO DE MEMORIA

MEMORIA LECTURA/ESCRITURA(ACCESO ALEATORIO)


MEMORIA DE VALOR FIJO(SOLO LECTURA)


RAM ESTATICAS(SRAM)RAM ESTATICAS(SRAM)

RAM DINAMICAS(DRAM)RAM DINAMICAS

(DRAM)

PROMPROGRAMABLESPOR EL USUARIO


ROMPROGRAMABLESPOR MASCARA


ALMACENAMIENTOSECUNDARIOALMACENAMIENTO

SECUNDARIO

PROMPROM EPROMEPROM OTPOTP EEPROMEEPROM FLASHFLASH

MODULO DE MEMORIAMODULO DE MEMORIA





RAM ESTATICAS(SRAM)RAM ESTATICAS(SRAM)

RAM DINAMICAS(DRAM)RAM DINAMICAS

(DRAM)





ALMACENAMIENTOSECUNDARIOALMACENAMIENTO

SECUNDARIO

PROMPROM EPROMEPROM OTPOTP EEPROMEEPROM FLASHFLASH

BUSES


MIC

RO

PRO

CES

AD

OR

BUS DEDIRECCIONES

BUS DEDATOS

ENTRADASDE CONTROL

SALIDASDE CONTROL

FUENTE DEALIMENTACION

BUS DECONTROL

MIC

RO

PRO

CES

AD

OR

BUS DEDIRECCIONES

BUS DEDATOS

ENTRADASDE CONTROL

SALIDASDE CONTROL

FUENTE DEALIMENTACION

BUS DECONTROL

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 delmicroprocesador. Por el bus de datos de transfiere lainformación binaria entre el microprocesador y losperiféricos o entre el microprocesador y la memoria, odirectamente entre el periférico y la memoria, en caso deexistir dispositivos de acceso directo a la memoria. Por lotanto éste bus determina el tipo de procesador ( 4, 8 16o 32 bits) y el número de periféricos que se puedenconectar al microprocesador (por ejemplo para unmicroprocesador de 8 bits se conectarán 27 periféricos).Este bus es tri-state.

BUSES


Bus de direcciones está formado por líneasunidireccionales. Es utilizado para la transferencia deinformación necesaria para la selección de unadeterminada posición de memoria o de un puertodel módulo de E/S. Esta información representa ladirección de una posición de memoria o de un puerto deentrada o salida (del módulo de E/S), seleccionados parala realización de la transferencia de datos por busrespectivo. El bus de direcciones determina la capacidadde memoria del sistema.

BUSES


Bus de control está formado por líneas, en general,unidireccionales. En este bus cada línea tiene unsignificado y denominación distinta. El bus de controlcontiene la información que envía el microprocesador alos elementos del sistema o bien recibe de estos con elpropósito de sincronizar su operación con la operaciónde la circuitería externa. El número de líneas del bus decontrol es variable y depende dl microprocesadorparticular utilizado

CIRCUITO DE RELOJ Y RESET


MODULO DE ENTRADA/SALIDA


mP+

Memoria

mP+

Memoria

PERIFERICOS• LED’s• DISPLAY’s• ZUMBADORES• INTERRUPTORES• SENSORES

ANALOGICOS• TECLADOS• Etc.



ENTRADAENTRADA

ESTADOESTADO

SALIDASALIDA

mP+

Memoria

mP+

Memoria





ENTRADAENTRADA

ESTADOESTADO

SALIDASALIDA

MODULO DE ENTRADA/SALIDA


TIPO DISPOSITIVOENTRADA Interruptores ON/OFF

TecladosSensores y transductores de entrada

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

ENTRADA/SALIDA Terminales interactivosMemorias secundariasUnidades de disco magnéticoEnlaces de comunicacionesLíneas telefónicas

SISTEMAS CON MICROCONTROLADORES


SISTEMAS CON MICROCONTROLADORES


El microcontrolador es un circuito programable quecontiene todos los componentes de un computador. Seemplea para controlar el funcionamiento de una tareadeterminada y, debido a su reducido tamaño, suele irincorporado en el propio dispositivo que lo gobierna, porlo tanto, el microcontrolador es un computadordedicado.

MICROPROCESADOR vsMICROCONTROLADOR


¿QUÉ MICROCONTROLADOR EMPLEAR?


Procesamiento de datos: puede ser necesario que elmicrocontrolador realice cálculos críticos en un tiempolimitado. En ese caso debemos asegurarnos de seleccionarun dispositivo suficientemente rápido para ello. Por otrolado, habrá que tener en cuenta la precisión de los datosa manejar: si no es suficiente con un microcontrolador de8 bits, puede ser necesario acudir a microcontroladoresde 16 ó 32 bits, o incluso a hardware de coma flotante.Una alternativa más barata y quizá suficiente es usarlibrerías para manejar los datos de alta precisión.



Entrada Salida: para determinar las necesidades deEntrada/Salida del sistema es conveniente dibujar undiagrama de bloques del mismo, de tal forma que seasencillo identificar la cantidad y tipo de señales acontrolar. Una vez realizado este análisis puede sernecesario añadir periféricos hardware externos o cambiara otro microcontrolador más adecuado a ese sistema.



Consumo: algunos productos que incorporanmicrocontroladores están alimentados con baterías y sufuncionamiento puede ser tan vital como activar unaalarma antirrobo. Lo más conveniente en un caso comoéste puede ser que el microcontrolador esté en estadode bajo consumo pero que despierte ante la activación deuna señal (una interrupción) y ejecute el programaadecuado para procesarla.



Memoria: para detectar las necesidades de memoria denuestra aplicación debemos separarla en memoria volátil(RAM), memoria no volátil (ROM, EPROM, etc.) y memoria novolátil modificable (EEPROM). Este último tipo de memoriapuede ser útil para incluir información específica de laaplicación como un número de serie o parámetros decalibración. El tipo de memoria a emplear vendrá determinadopor el volumen de ventas previsto del producto: de menor amayor volumen será conveniente emplear EPROM, OTP yROM. En cuanto a la cantidad de memoria necesaria puede serimprescindible realizar una versión preliminar, aunque sea enpseudo-código, de la aplicación y a partir de ella hacer unaestimación de cuánta memoria volátil y no volátil es necesariay si es conveniente disponer de memoria no volátilmodificable.



Ancho de palabra: el criterio de diseño debe serseleccionar el microcontrolador de menor ancho depalabra que satisfaga los requerimientos de la aplicación.Usar un microcontrolador de 4 bits supondrá unareducción en los costes importante, mientras que uno de8 bits puede ser el más adecuado si el ancho de los datoses de un byte. Los microcontroladores de 16 y 32 bits,debido a su elevado coste, deben reservarse paraaplicaciones que requieran sus altas prestaciones(Entrada/Salida potente o espacio de direccionamientomuy elevado).



Diseño de la placa: la selección de un microcontroladorconcreto condicionará el diseño de la placa de circuitos.Debe tenerse en cuenta que quizá usar unmicrocontrolador barato encarezca el resto decomponentes del diseño.

MUCHAS GRACIAS

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