microprocesadores parte1

5/9/2018 Microprocesadores parte1 - slidepdf.com

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LOS MICROPROCESADORES - MICROCONTROL ADORES

Abanto Minchán José Damián P á g i n a 1

FACULTAD

INGENIERIA INFORMATICA Y DE SISTEMAS

“LOS MICROPROCES ADORES Y LOS MICROCONTROL A DORES”

CURSO

ARQUIT ECTURA DE COMPU TADORAS I

DOCENTE

ING. IVA N MANAY BENITES

ALUMNO:ABANTO MINCHAN JOSE DAMIAN

CICLO IV

Caja ma rca - Perú





EL MICROPROCESADOR

Definición Es el cerebro del ordenador. Se encarga de realizar todas las operaciones de cálculo

y de controlar lo que pasa en el ordenador recibiendo información y dando órdenespara que los demás elementos trabajen. Es el jefe del equipo y, a diferencia de otros

jefes, es el que más trabaja. En los equipos actuales se habla fundamentalmente delos procesadores Via, Pentium4 de Intel y Athlon XP de AMD. Además, están muyextendidos procesadores no tan novedosos, como los Pentium MMX y Pentium II/IIIde Intel y los chips de AMD (familias K6 y los primeros K7/Athlon).Circuito electrónico que actúa como unidad central de proceso de un ordenador,proporcionando el control de las operaciones de cálculo. Los microprocesadorestambién se utilizan en otros sistemas informáticos avanzados, como impresoras,automóviles o aviones. En 1995 se produjeron unos 4.000 millones de

microprocesadores en todo el mundo.El microprocesador es un tipo de circuitosúmamente integrado. Los circuitosintegrados, también conocidos comomicrochips o chips, son circuitoselectrónicos complejos formados porcomponentes extremadamente pequeñosformados en una única pieza plana depoco espesor de un material conocido

como semiconductor. Losmicroprocesadores modernos incorporanhasta 7 millones de transistores (queactúan como amplificadores electrónicos,osciladores o, más a menudo, comoconmutadores), además de otros

componentes como resistencias, diodos, pequeños condensadores y conexiones,todo ello en una superficie comparable a la de un sello de correos.Un microprocesador consta de varias secciones diferentes. La unidad aritmético-lógica (ALU, siglas en inglés) efectúa cálculos con números y toma decisioneslógicas; los registros son zonas de memoria especiales para almacenar información





temporalmente; la unidad de control descodifica los programas; los busestransportan información digital a través del chip y de la computadora; la memorialocal se emplea para los cómputos realizados en el mismo chip. Losmicroprocesadores más complejos contienen a menudo otras secciones; porejemplo, secciones de memoria especializada denominadas memoria caché, quesirven para acelerar el acceso a los dispositivos externos de almacenamiento dedatos. Los microprocesadores modernos funcionan con una anchura de bus de 64bits (un bit es un dígito binario, una unidad de información que puede ser un uno oun cero): esto significa que pueden transmitirse simultáneamente 64 bits de datos.Un cristal oscilador situado en el ordenador proporciona una señal desincronización, o señal de reloj, para coordinar todas las actividades delmicroprocesador. La velocidad de reloj de los microprocesadores más avanzados esde unos 300 megahercios (MHz), lo que permite ejecutar unos 1.000 millones de

instrucciones cada segundo.

PARTES DE UN MICROPROCESADORUn Microprocesador lo podemos dividir en varias partesEl encapsulado: es lo que rodea a la oblea de silicio en sí, para darle consistencia,impedir su deterioro (por ejemplo por oxidación con el aire) y permitir el enlace conlos conectores externos que lo acoplarán a su zócalo o a la placa base.la memoria caché: una memoria ultrarrápida que emplea el micro para tener amano ciertos datos que previsiblemente serán utilizados en las siguientesoperaciones sin tener que acudir a la memoria RAM, reduciendo el tiempo deespera.

Todos los micros "compatibles PC" desde el 486 poseen al menos la llamada cachéinterna de primer nivel o L1; es decir, la que está más cerca del micro, tanto queestá encapsulada junto a él. Los micros más modernos (Pentium III Coppermine,Athlon Thunderbird, etc.) incluyen también en su interior otro nivel de caché, másgrande aunque algo menos rápida, la caché de segundo nivel o L2.El coprocesador matemático: o, más correctamente, la FPU (Floating Point Unit,Unidad de coma Flotante). Parte del micro especializada en esa clase de cálculosmatemáticos; antiguamente estaba en el exterior del micro, en otro chip.

TIPOS DE CONEXIÓN El rendimiento que dan los microprocesadores no sólo dependen de ellos mismos,

sino de la placa donde se instalan. Los diferentes micros no se conectan de igualmanera a las placas:* Socket, con mecanismo ZIF (Zero Insertion Force). En ellas el procesador seinserta y se retire sin necesidad de ejercer alguna presión sobre él. Al levantar lapalanquita que hay al lado se libera el microprocesador, siendo extremadamentesencilla su extracción. Estos zócalos aseguran la actualización del microprocesador.Hay de diferentes tipos:

Socket 423 y 478. En ellos se insertan los nuevos Pentiums 4 de Intel. Elprimero hace referencia al modelo de 0,18 micras (Willamete) y el segundo alconstruido según la tecnología de 0,13 micras (Northwood). También hay algunos





de 478 con nucleo Willamete. El tamaño de micras mencionado hace referencia altamaño de cada transistor, cuanto menor sea tu tamaño más pequeño será elmicro y más transistores será posible utilizar en el mismo espacio físico. Además,la reducción de tamaño suele estar relacionada con una reducción del calorgenerado y con un menor consumo de energía. En el zócalo 478 también seinsertan micros Celeron de Intel de ultimísima generación similares a los p4 peromás económicos

Socket 462/Socket A. Ambos son el mismo tipo. Se trata donde se insertan losprocesadores Athlon en sus versiones más nuevas:

HISTORIA

- El primer circuito integrado creado por JackKilby el 12/9/1958

Un día como hoy de 1958, Texas Instruments presentó una pastilla de germanio con un solo transistor y otros componentes desarrollado por Jack Kilby. Había nacido la estrella de la computación. En realidad, la historia se remonta a julio de 1958,cuando Kilby fue contratado por Texas Instruments y no

pudo tener vacaciones ese verano. Se vio obligado a trabajar esos meses en un problema de diseño de circuitos que se llama comúnmente “la tiranía de los números” y que terminó por concluir que la fabricación de componentes de un circuito en masa podía mejorarse metiendo todo en una sólo pieza semiconductora.El invento de Kilby consistía en una pastilla cuadrada de germanio, un elemento químico metálico y cristalino,que medía seis milímetros por lado y contenía apenas un transistor, tres resistencias y un condensador. El aspecto del circuito integrado era tan diminuto, que se





ganó el apodo inglés que se le da a las astillas, las briznas, los pedazos de algo: “chip”.Este chip sustituyó a los hasta entonces utilizados “tubos al vacío”. Revo lucionó el mundo de la electrónica y supuso el nacimiento de la nueva industria informática. Sus aplicaciones son infinitas: comunicaciones, medicina, transporte, comercio y

fabricación…se puede decir que ha transformado el mundo moderno.“Los circuitos i ntegrados están tan incorporados a nuestras vidas que sería difícil imaginar un mundo sin ellos. El chip es el motor de la era de la información”, asegura Jim Tully, jefe de investigación de Gartner.

En el año 2000, Jack Kilby fue galardonado con el Premio Nobel de Física por la contribución de su invento al desarrollo de la tecnología de la información

El primer microprocesador fue el Intel 4004, producido en 1971. Se desarrollóoriginalmente para una calculadora, y resultaba revolucionario para su época.Contenía 2.300 transistores en un microprocesador de 4 bits que sólo podía realizar60.000 operaciones por segundo. El primer microprocesador de 8 bits fue el Intel8008, desarrollado en 1979 para su empleo en terminales informáticos. El Intel8008 contenía 3.300 transistores. El primer microprocesador realmente diseñadopara uso general, desarrollado en 1974, fue el Intel 8080 de 8 bits, que contenía4.500 transistores y podía ejecutar 200.000 instrucciones por segundo. Losmicroprocesadores modernos tienen una capacidad y velocidad mucho mayores.Entre ellos figuran el Intel Pentium Pro, con 5,5 millones de transistores; elUltraSparc-II, de Sun Microsystems, que contiene 5,4 millones de transistores; el

PowerPC 620, desarrollado conjuntamente por Apple, IBM y Motorola, con 7millones de transistores, y el Alpha 21164A, de Digital Equipment Corporation, con9,3 millones de transistores.

FABRICACIÓN DE MICROPROCESADORES Los microprocesadores se fabrican empleando técnicas similares a las usadas paraotros circuitos integrados, como chips de memoria. Generalmente, losmicroprocesadores tienen una estructura más compleja que otros chips, y sufabricación exige técnicas extremadamente precisas.

La fabricación económica de microprocesadores exige suproducción masiva. Sobre la superficie de una oblea de silicio se

crean simultáneamente varios cientos de grupos de circuitos. Elproceso de fabricación demicroprocesadores consiste en una sucesiónde deposición y eliminación de capasfinísimas de materiales conductores,aislantes y semiconductores, hasta que

después de cientos de pasos se llega a un complejo"bocadillo" que contiene todos los circuitos interconectadosdel microprocesador. Para el circuito electrónico sólo seemplea la superficie externa de la oblea de silicio, una capade unas 10 micras de espesor (unos 0,01 mm, la décima





parte del espesor de un cabello humano). Entre las etapas del proceso figuran lacreación de sustrato, la oxidación, la litografía, el grabado, la implantación iónica yla deposición de capas.La primera etapa en la producción de un microprocesador es la creación de unsustrato de silicio de enorme pureza, una rodaja de silicio en forma de una oblearedonda pulida hasta quedar lisa como un espejo. En la actualidad, las obleas másgrandes empleadas en la industria tienen 200 mm de diámetro.En la etapa de oxidación se coloca una capa eléctricamente no conductora, llamadadieléctrico. El tipo de dieléctrico más importante es el dióxido de silicio, que se"cultiva" exponiendo la oblea de silicio a una atmósfera de oxígeno en un horno aunos 1.000 ºC. El oxígeno se combina con el silicio para formar una delgada capade óxido de unos 75 angstroms de espesor (un angstrom es una diezmilmillonésima

de metro).

Casi todas las capas que se depositan sobre la obleadeben corresponder con la forma y disposición de lostransistores y otros elementos electrónicos. Generalmenteesto se logra mediante un proceso llamado fotolitografía,que equivale a convertir la oblea en un trozo de películaf otográfica y proyectar sobre la misma una imagen delcircuito deseado. Para ello se deposita sobre la superficiede la oblea una capa fotosensible cuyas propiedadescambian al ser expuesta a la luz. Los detalles del circuitopueden llegar a tener un tamaño de sólo 0,25 micras.Como la longitud de onda más corta de la luz visible es de

unas 0,5 micras, es necesario emplear luz ultravioleta de baja longitud de ondapara resolver los detalles más pequeños. Después de proyectar el circuito sobre lacapa fotorresistente y revelar la misma, la oblea se graba: esto es, se elimina laparte de la oblea no protegida por la imagen grabada del circuito medianteproductos químicos (un proceso conocido como grabado húmedo) o exponiéndola aun gas corrosivo llamado plasma en una cámara de vacío especial.En el siguiente paso del proceso, la implantación iónica, se introducen en el silicioimpurezas como boro o fósforo para alterar su conductividad. Esto se lograionizando los átomos de boro o de fósforo (quitándoles uno o dos electrones) ylanzándolos contra la oblea a grandesenergías mediante un implantador iónico.

Los iones quedan incrustados en lasuperficie de la oblea.En el último paso del proceso, las capas opelículas de material empleadas parafabricar un microprocesador se depositanmediante el bombardeo atómico en unplasma, la evaporación (en la que el materialse funde y posteriormente se evapora paracubrir la oblea) o la deposición de vaporquímico, en la que el material se condensa apartir de un gas a baja presión o a presión





atmosférica. En todos los casos, la película debe ser de gran pureza, y su espesordebe controlarse con una precisión de una fracción de micra.Los detalles de un microprocesador son tan pequeños y precisos que una únicamota de polvo puede destruir todo un grupo de circuitos. Las salas empleadas parala fabricación de microprocesadores se denominan salas limpias, porque el aire delas mismas se somete a un filtrado exhaustivo y está prácticamente libre de polvo.Las salas limpias más puras de la actualidad se denominan de clase 1. La cifraindica el número máximo de partículas mayores de 0,12 micras que puede haber enun pie cúbico de aire (0,028 metros cúbicos). Como comparación, un hogar normalsería de clase 1 millón.

EVOLUCIÓN DE LOS PROCESADORES

1971: Intel 4004. Nota: Fue el primer microprocesador comercial. Salió almercado el 15 de noviembre de 1971.1972: Intel 80081974: Intel 8080, Intel 80851975: Signetics 2650, MOS 6502, Motorola 68001976: Zilog Z801978: Intel 8086, Motorola 680001979: Intel 80881982: Intel 80286, Motorola 68020

1985: Intel 80386, Motorola 68020, AMD803861987: Motorola 680301989: Intel 80486, Motorola 68040, AMD804861993: Intel Pentium, Motorola 68060, AMD K5, MIPS R100001995: Intel Pentium Pro1997: Intel Pentium II, AMD K6, PowerPC G3, MIPS R1200071999: Intel Pentium III, AMD K6-2, PowerPC G42000: Intel Pentium 4, Intel Itanium 2, AMD Athlon XP, AMD Duron, MIPSR140002003: PowerPC G52004: Intel Pentium M

2005: Intel Pentium D, Intel Extreme Edition con hyper threading, Intel CoreDuo, AMD Athlon 64, AMD Athlon 64 X2, AMD Sempron 128.2006: Intel Core 2 Duo, Intel Core 2 Extreme, AMD Athlon FX2007: Intel Core 2 Quad, AMD Quad Core, AMD Quad FX





EL MICROPROCESADOR 4004

Historia del 4004En 1969, Silicon Valley, en el estado de California (EEUU) era el centro de laindustria de los semiconductores. Por ello, gente de la empresa Busicom, una jovenempresa japonesa, fue a la compañía Intel (fundada el año anterior) para quehicieran un conjunto de doce chips para el corazón de su nueva calculadora demesa de bajo costo.Al principio se pensó que no se podía hacer, ya que Intel no estaba preparada pararealizar circuitos "a medida". Pero Marcian Edward Ted Hoff, Jr., jefe del

departamento de investigación de aplicaciones, pensó que habría una mejor formade realizar el trabajo.Durante el otoño (del hemisferio norte) de 1969 Hoff, ayudado por Stanley Mazor,

definieron una arquitectura consistente en una CPU de 4 bits, una memoria ROM(de sólo lectura) para almacenar las instrucciones de los programas, una RAM(memoria de lectura y escritura) para almacenar los datos y algunos puertos deentrada/salida para la conexión con el teclado, la impresora, las llaves y las luces.Además definieron y verificaron el conjunto de instrucciones con la ayuda deingenieros de Busicom (particularmente Masatoshi Shima).En abril de 1970 Federico Faggin se sumó al staff de Intel. El trabajo de él eraterminar el conjunto de chips de la calculadora. Se suponía que Hoff y Mazorhabían completado el diseño lógico de los chips y solamente quedarían definir losúltimos detalles para poder comenzar la producción. Esto no fue lo que Fagginencontró cuando comenzó a trabajar en Intel ni lo que Shima encontró cuando llegó

desde Japón.Shima esperaba revisar la lógica de diseño, confirmando que Busicom podríarealizar su calculadora y regresar a Japón. Se puso furioso cuando vio que estabatodo igual que cuando había ido seis meses antes, con lo que di jo (en lo poco quesabía de inglés) "Vengo acá a revisar. No hay nada para revisar. Esto es sólo idea".No se cumplieron los plazos establecidos en el contrato entre Intel y Busicom.De esta manera, Faggin tuvo que trabajar largos meses, de 12 a 16 horas por día.Finalmente pudo realizar los cuatro chips arriba mencionados. El los llamó "familia4000". Estaba compuesto por cuatro dispositivos de 16 pines: el 4001 era una ROMde dos kilobits con salida de cuatro bits de datos; el 4002 era una RAM de 320 bits





con el port de entrada/salida (bus de datos) de cuatro bits; el 4003 era un registrode desplazamiento de 10 bits con entrada serie y salida paralelo; y el 4004 era laCPU de 4 bits.El 4001 fue el primer chip diseñado y terminado. La primera fabricación ocurrió enoctubre de 1970 y el circuito trabajó perfectamente. En noviembre salieron el 4002con un pequeño error y el 4003 que funcionó correctamente. Finalmente el 4004vino unos pocos días antes del final de 1970. Fue una lástima porque en lafabricación se habían olvidado de poner una de las máscaras. Tres semanasdespués vinieron los nuevos 4004, con lo que Faggin pudo realizar lasverificaciones. Sólo encontró unos pequeños errores. En febrero de 1971 el 4004funcionaba correctamente. En el mismo mes recibió de Busicom las instruccionesque debían ir en la ROM.A mediados de marzo de 1971, envió los chips a Busicom, donde verificaron que la

calculadora funcionaba perfectamente. Cada calculadora necesitaba un 4004, dos4002, cuatro 4001 y tres 4003. Tomó un poco menos de un año desde la idea alproducto funcionando correctamente.Luego de que el primer microprocesador fuera una realidad, Faggin le pidió a lagerencia de Intel que utilizara este conjunto de chips para otras aplicaciones. Estono fue aprobado, pensando que la familia 4000 sólo serviría para calculadoras.Además, como fue producido mediante un contrato exclusivo, sólo lo podrían poneren el mercado teniendo a Busicom como intermediario.Después de hacer otros dispositivos utilizando la familia 4000, Faggin le demostró aRobert Noyce (entonces presidente de Intel) la viabilidad de estos integrados parauso general. Finalmente ambas empresas llegaron a un arreglo: Intel le devolvió los

60000 dólares que había costado el proyecto, sólo podría vender los integrados paraaplicaciones que no fueran calculadoras y Busicom los obtendría más baratos (yaque se producirían en mayor cantidad).El 15 de noviembre de 1971, la familia 4000, luego conocida como MCS-4 (Micro Computer System 4-bit ) fue finalmente introducida en el mercado.

Tal como ocurre con los microprocesadores actuales, el Intel 4004 necesitaba deuna serie de chips de soporte o “chipset” para funcionar. Este grupo de circuitosintegrados estaba formado por 5 chips, que en conjunto se los conocía como “lafamilia 4000”:

Intel 4001: Una ROM de 256 bytes (256 instrucciones de programa de 8

bits), y un puerto incorporado de I/O de 4 bits (*)Intel 4002: Una RAM de 40 bytes (80 palabras de datos de 4 bits), y unpuerto de salida incorporado de 4 bits. La RAM del chip está organizada encuatro registros de veinte palabras de 4 bits:

o 16 palabras de datos (utilizadas para los dígitos de mantisa en el diseñooriginal de la calculadora)

o 4 palabras de estado (utilizadas para los dígitos de exponente en eldiseño original de la calculadora)

Intel 4003: Un registro de desplazamiento de salida paralela de 10 bits paraexplorar teclados, pantallas, impresoras, etc.





Intel 4008: Un latch de 8 bits de dirección, para facilitar el acceso a chips dememoria estándar, y un chip incorporado de 4 bits de selección y puerto deI/O (*)Intel 4009: Interfaz de acceso I/O a memoria estándar y a chips de I/O (*)

(*) Nota: Debido a limitaciones técnicas, no era posible utilizar a la vez un chip 4001 junto a un 4008/4009.

Descripción del 4004 Es un microprocesador de 4 bits de bus de datos, direcciona 32768 bits de ROM y5120 bits de RAM. Además se pueden direccionar 16 ports de entrada (de 4 bits) y16 ports de salida (de 4 bits). Contiene alrededor de 2300 transistores MOS de canalP de 10 micrones. El ciclo de instrucción es de 10,8 microsegundos.

Terminales del 4004Este microprocesador estaba encapsulado en el formato DIP (Dual Inline Package ) de 16 patas (ocho de cada lado). La

distancia entre las patas es de 0,1 pulgadas (2,54 milímetros),mientras que la distancia entre patas enfrentadas es de 0,3pulgadas (7,68 milímetros).Nótese en el gráfico de la derecha el semicírculo que identificala posición de la pata 1. Esto sirve para no insertar el chip alrevés en el circuito impreso.Las funciones de las 16 patas con las que se conecta el 4004con el exterior son las siguientes:

Pata Nombre Descripción1 D0

Todas las direcciones y datos de RAM y ROM pasan por estaslíneas

2 D1

3 D2

4 D3

5 VSS Referencia de tierra. Es la tensión más positiva.

6 Clock phase 1 Son las dos fases de entrada de reloj (clock )

7 Clock phase 2

8 Sync output Señal de sincronismo generada por el procesador. Indica elcomienzo de un ciclo de instrucción.

9 Reset

Un "1" lógico aplicado en esta pata borra todos los flags yregistros de estado y fuerza el contador de programa (PC) acero. Para que actúe correctamente, esta línea deberáactivarse por 64 ciclos de reloj (8 ciclos de máquina).

10 Test La instrucción JCN verifica el estado de esta línea.

11 CM-ROM Esta señal está activa cuando el procesador necesita datos de

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