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Curso de microprocesadores

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Introducción a la tecnología de microcomputadores

• La microelectrónica es un elemento esencial para la realización de controles sencillos y/o complejos. Permite solucionar problemas técnicos mediante computadoras concebidas especialmente para una aplicación concreta.

• En tales soluciones inherentes al problema, se emplean módulos estándar ”ajustados” por software a la aplicación del caso; de esta forma se consigue una elevada flexibilidad con un costo reducido al emplear módulos estándares.

• Para sistemas pequeños hay disponibles computadores “monochip” . Casi todas las aplicaciones de pequeña y mediana complejidad se pueden resolver mediante sistemas de 8 bits, tal como el Intel 8085, que es uno de los tratados en este curso. Para solucionar problemas más complejos se usan computadores de 16 ó 32 bits.

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Definiciones básicas

SISTEMA: en términos generales, se entiende como un conjunto estructurado que recibe informaciones de entrada (inputs) y como consecuencia, muestra determinadas reacciones (outputs).

Por consiguiente, todo sistema puede caracterizarse indicando sus salidas en función de sus entradas.

Cada sistema de computadores está formado esencialmente por:- Un conjunto de circuitos

electrónicos denominado hardware

- Un conjunto de Programas que constituyen el software.

Software

HardwareInput Output

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Estructura de un sistema de computadores

Un sistema de computadores viene caracterizado por la interacción entre:– El computador y la periferia, por parte del

hardware– Programas de aplicación o programas de

sistema por parte del software.

El computador procesa información al interior del sistema, mientras los equipos periféricos, es decir, las unidades de entrada y salida solo permiten la comunicación con el exterior.

Lo que debe hacer el computador está determinado por el programa que se esta ejecutando en ese momento, los programas se pueden clasificar como, programa de aplicación, programas utilitarios y programas del sistema, el conjunto de programas del sistemas se conoce como, sistema operativo (SO).

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• El SO tiene una doble función por un lado supervisa el funcionamiento coordinado del todo el sistema, por otro lado proporciona facilidades y servicios a las aplicaciones y utilitarios.

• La complejidad de la tarea a realizar por un computador determina el tipo de solución a usar. Para un sistema de baja complejidad, seria suficiente con un microcomputador con un programa de aplicación almacenado una ROM, por ejemplo los teclados del PC, al interior de un teclado se encuentra un microprocesador que corre un programa (en ROM) de barrido de las teclas presionadas, para informar finalmente a la placa madre (Tower), el código de la tecla presionada. En este tipo de solución no se usa un sistemas operativo.

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• Cuando el nivel de complejidad de la tarea aumenta será necesario incorporar varios dispositivos de apoyo y procesamiento de información, la mayoría de éstos son a su vez son programables, los programas de inicialización y uso de los dispositivos reunidos en un sistemas se denomina BIOS, además los programas para el manejo de las interfaces de expansión se denomina DRIVER.

• Una característica muy importante del BIOS Y los DRIVER es que proporcionan un conjunto básico de servicios independiente del fabricante y modelo de dispositivos, estos finalmente permite una integración modular del hardware y del software. El Sistema Operativo proporciona un nivel de servicios más complejo, que permite aun usuario manejar archivos, editar archivos, correr utilitarios como compiladores y ejecutar los programas desarrollados.

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Estructura de un computador

La computadora consta esencialmente de:• La unidad central, formada a su vez por la unidad de

control y la unidad aritmética y lógica. En la unidad aritmética y lógica se ejecutan operaciones, (por ej: sumas, restas, multiplicaciones y divisiones) y operaciones lógicas (por ej: relaciones de variables booleanas). Mientras que la unidad de control se encarga de generar todas las señales control que se necesitan en la ejecución de las instrucciones que forman el programa en ejecución.

• La memoria, almacena todas las instrucciones del programa y los datos que se están procesando en ese momento.

• Las unidades de entrada/salida, permite la comunicación desde y hacia las unidades periféricas, es decir unidades que se comunican con el exterior del núcleo del sistema (unida central y memoria), por ejemplo teclado, red, discos duros.

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Estructura de un sistema de microcomputadores

Un microcomputador tiene, en principio, la misma estructura que una computadora grande y funciona de la misma forma que ésta.

No obstante, dado que el microcomputador en la mayoría de las aplicaciones es diseñada, programada y utilizada para un “un fin especial”, resultan algunas peculiaridades:

•Su unidad central se denomina microprocesador.

•Su memoria está dividida en:

•Una memoria pasiva para programas de aplicación, memoria de programa, que tiene almacenado el programa de aplicación, normalmente es una memoria de tipo no volátil, es decir el contenido de la memoria no se pierde al no polarizarse

•Una memoria de acceso aleatorio para datos, memoria de datos, donde se almacena aquella información que varía continuamente.

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El detalle característico de la microcomputadora es su estructura de bus. Se designa un bus a una vía común de datos que interconecta las unidades funcionales de la computadora y por la que se transmiten la información, los datos ,las direcciones de memoria y las señales de control.

Casi todas las microcomputadoras requieren cierto despliegue de lógica adicional, consistente sobre todo en módulos estándares necesarios para conectar la periferia y capaces de resolver problemas muy especiales. Se trata por ejemplo: de circuitos de interrupción y de prioridad, circuitos DMA (acceso directo a la memoria) y muchos otros.

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Diagrama Interno de un microcomputador

Microprocesador

Lógica adicional

Módulos de entrada/salida

Memorias de acceso aleatorio para datos

(RAM)

Memorias pasivas para programas

de aplicación(ROM, PROM, EPROM)

Periferia(Memorias periféricas y

Equipos de entrada y salida)

BUS

Microcomputador

(MC)

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Módulos de un microcomputador

Un microcomputador está concebido en forma de un sistema de estructura sencilla.

El microprocesador (unidad central del microcomputador) está enlazado a través del sistema bus con:

• Los módulos de memoria,

• Los módulos periféricos de entrada/salida y,

• Otros módulos periféricos, por ejemplo: el controlador de interrupciones del programa por prioridades

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Tipos de memoria

Módulos de MemoriaSe emplean principalmente memorias de tecnología MOS, de las que hay disponibles toda una serie de tipos estándar.

Memoria de acceso aleatorio (RAM)La RAM (Random Access Memory) es una memoria de registro / lectura donde cada posición es direccionable, es decir, que en cada caso se inscribe o lee la posición de memoria cuya dirección está aplicada en las líneas de direccionamiento (ADR) del módulo.

En las memorias RAM se hace distinción entre módulos estáticos y dinámicos.

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• Las RAM estáticas, consisten en flip-flops en los que la información permanece almacenada hasta que sea “activada” (direccionada) y “sobrescrita” (escrita de nuevo) la respectiva celda del flip-flop.

• Las RAM dinámicas, en vez de Flip Flop utiliza el efecto capacitivos de unidades internas para almacenar la información, esta técnica requiere que periódicamente se estén refrescando los valores, ya que estos pequeños condensadores tienden a descargarse.

• Las RAM MOS dinámicas y estáticas son memorias “volátiles”, o sea, que si fallara la tensión de alimentación se pierde la información que contienen. Este problema se soluciona empleando memorias RAM-CMOS estáticas con baterías de alta duración (Litio).

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Memoria Pasiva

La ROM (Read Only Memory) es una memoria de solo lectura direccionable discrecionalmente. El fabricante almacena en este módulo, a través de máscaras de metalización, una información fija, de acuerdo con las necesidades del usuario. Este tipo de memoria no pierde la información si falla la fuente de alimentación, pero tampoco es modificable. En las memorias ROM se suelen almacenar programas y los datos que no se espera que cambien.

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Memoria Pasiva ProgramableLa PROM (Programmable Read Only Memory) es una memoria ROM que el propio usuario puede programar eléctricamente mediante un equipo programador, casi siempre interrumpiendo sistemáticamente trayectos de diodos. Tiene la ventaja de estar disponible inmediatamente.

Memorias pasivas borrables y reprogramablesLas memorias EPROM (Erasable PROM) o REPROM (RE-Programmable ROM) se pueden borrar por ejemplo mediante luz ultravioleta y programarse de nuevo con un equipo programador igual que las PROM.Por permitirla corrección y la modificación, las EPROM encuentran aplicación sobre todo en la fase de evolución.Existen módulos ROM compatibles con estas EPROM, que pueden incorporarse en los microcomputadores una vez acabado el desarrollo.

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Módulos periféricos de entrada/salidaEl microprocesador tiene la necesidad de comunicarse también con elementos o sistemas situados fuera de su propio circuito.Para introducir informaciones en el microprocesador, así como indicar o almacenar resultados de operaciones, se utilizan equipos periféricos como teclados, disquetes, impresoras, displays, unidades de control, etc.

Esta periferia de aplicación de un microcomputador se conecta al microprocesador (o, más exactamente, al sistema de bus del microcomputador) a través de distintos módulos periféricos de entrada /salida, según el problema planteado.

A continuación veremos los diferentes módulos de entrad/salida usados

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a) Módulo periférico de entrada/salida para transmisión de datos en serie:Este módulo recibe datos en paralelo del microprocesador y los convierte en un flujo de datos en serie para su transmisión. Al mismo tiempo es capaz de recibir un flujo de datos en serie y convertirlo en datos en paralelo para el microprocesador, en un PC la comunicación del teclado con la Placa madre se realiza en formal de una enlace serial.

b) Módulo periférico de entrada/salida para transmisión de datos en paralelo:Este tiene, por ejemplo:24 terminales de entrada/salida. Enviando una palabra de control al módulo periférico, el programador determina que terminales deben hacer de entrada o de salida, en un PC la comunicación con la puerta “printer” es en paralelo.

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c)Otros módulo periféricos para conexiones de interfaces específicas:

– Interrupción del programa por prioridades (Interrupt)Los microcomputadores pueden llevar a cabo demandas de interrupciones externas de circuitos periféricos. Para ello es necesario que se reconozca una petición de interrupción (IRQ) como tal y se notifique al microprocesador. Ello tiene lugar, por Ej: mediante el módulo de interrupción del programa de prioridades.En este caso, el microprocesador es interrumpido en el transcurso de un programa y procesa otra tarea en una rutina especial de interrupción. Tras acabar la rutina de interrupción, se prosigue el procesamiento de la tarea normal. En PC cada vez que se presiona una tecla se produce una IRQ1.

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Sistema DMA

– Demandas HOLD

Para aumentar el rendimiento de un procesador, se han previsto además los estados HOLD (detención del procesador). Con ello e posible el acceso directo a la memoria “DMA” .

Cuando deben transmitirse grandes cantidades de datos, es posible aumentar la velocidad de paso del sistema permitiendo a los módulos periféricos que transfieran los datos directamente. En este caso el procesador debe interrumpir su operación provisionalmente, ocupando el estado HOLD mientras tenga lugar el acceso directo a la memoria.

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Tipos de BUS

Bus de Direccionamiento:Consiste en 16,20,32 o 64 líneas digitales (ADR) las que especifican mediante su representación binaria una dirección, es decir, una determinada posición en la memoria o un módulo periférico de entrada/salida (I/O), la información (ADR) fluye solo en un sentido, desde el microprocesador al dispositivo de memoria (MEM) o módulo periférico de entrada /salida (I/O) , este tipo de comunicación se dice que es unidireccional.

Bus de Datos:Consiste en 8,16,32 ó 64 líneas digitales (DTA), mediante estas líneas se transfieren en ambos sentidos los datos entre el microprocesador y la memoria o el módulo periférico de entrada/salida, (transmisión de datos bidireccional).

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Bus de Control:

En este BUS se reúnen señales de diversa función, pertenece al bus de control toda señal que se propaga entra el microprocesador y los módulos MEM o los módulos I/O y no es ni dirección ni datos, por el momento diremos que el bus control reúnen señales que especifican que tipo de operación se debe efectuar (lectura o escritura) y con que tipo de dispositivo se debe operar. Por lo tanto en este Bus se determina quien interviene el la operación y en que sentido fluyen la información en el bus de datos. las señales de control más importante serían:

MEMR señal de lectura de memoria MEMW señal de escritura de memoria IOR señal de lectura de puerta IOW señal de escritura de puerta RESET señal de inicialización del sistema CLK señal de reloj maestro de la CPU IRQn señal de petición de Interrupción

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• El número de líneas del BUS de direcciones (#ADR) determina al tamaño máximo de la memoria, esto se conoce como espacio de direcciones El espacio de direcciones es igual a 2**#ADR

• La memoria que tiene el microcomputador se conoce como memoria física, y su tamaño máximo es igual al espacio de direcciones

• El número de líneas del Bus

de datos (#DAT) determina el ancho de la memoria

• El número de bits que se leen escriben en la memoria en una operación, esta determinado por el numero de bits del BUS de datos

#ADR

Memoria

#DATA