ARQUITECTURA DE ARQUITECTURA DE COMPUTADORESCOMPUTADORES

ÍNDICEÍNDICE

Parte I Microprocesadores Parte II Memorias Parte III Periféricos Parte IV Integración de periféricos, memo

rias y microprocesadores Parte V Microcontroladores

PARTE I: PARTE I: MICROPROCESADORESMICROPROCESADORES

•Concepto y características

•Arquitectura

•Hardware

•Software

•Ejemplo de Arquitectura Básica

•Programación

Indice

Concepto y Concepto y característicascaracterísticas

Un microprocesador es un dispositivo Un microprocesador es un dispositivo digital diseñado para manipular digital diseñado para manipular informacióninformación

Tienen 3 busesTienen 3 buses DatosDatos: Contiene el flujo de información: Contiene el flujo de información DireccionesDirecciones: Controla la posición actual : Controla la posición actual

en memoriaen memoria Control:Control: Regula el flujo de información Regula el flujo de información

para evitar conflictospara evitar conflictos

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ArquitecturArquitecturaa

La arquitectura de un procesador consiste La arquitectura de un procesador consiste en el conjunto de características que lo en el conjunto de características que lo identifican.identifican.

Describe de manera resumida las Describe de manera resumida las capacidades y posibilidades de operación capacidades y posibilidades de operación del microprocesador.del microprocesador.

Se Se clasifican según Hardware y Software según Hardware y Software

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Arquitecturas Arquitecturas según el según el HardwareHardware

Von Neumann Segmentada Harvard

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Arquitecturas según el Software

• CISC

• RISC

• CRISC

Máquina secuencialMáquina secuencial Ejecuta solo una operación a la vezEjecuta solo una operación a la vez Bus de datos y direcciones Bus de datos y direcciones

compartidoscompartidos LentaLenta Generalmente se combina con Generalmente se combina con

software tipo CISCsoftware tipo CISC

Arquitectura Von NeumannArquitectura Von Neumann

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Arquitectura SegmentadaArquitectura Segmentada

Máquina secuencialMáquina secuencial Buses de datos y direcciones Buses de datos y direcciones

compartidoscompartidos Diseño multietapa (Pipeline)Diseño multietapa (Pipeline)

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

Se encuentra combinada con software Se encuentra combinada con software CISC y en pocas ocasiones con RISCCISC y en pocas ocasiones con RISC

Más rápida que Von NeumanMás rápida que Von Neuman

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Arquitectura HarvardArquitectura Harvard

Separa los buses de datos, Separa los buses de datos, direcciones y control, y los hace direcciones y control, y los hace totalmente independientes.totalmente independientes.

Lo anterior permite leer instrucciones Lo anterior permite leer instrucciones con mayor velocidadcon mayor velocidad

Pueden direccionar altas cantidades Pueden direccionar altas cantidades de memoriade memoria

Se combinan con software RISCSe combinan con software RISC

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Arquitectura CISCArquitectura CISC

CComplex omplex IInstruction nstruction SSet et CComputeromputer Set de instrucciones grandeSet de instrucciones grande Ofrece una amplia gama de operacionesOfrece una amplia gama de operaciones Facilita el trabajo de programaciónFacilita el trabajo de programación Reduce el tamaño del código de Reduce el tamaño del código de

programaprograma Incrementa el costo de aprender la Incrementa el costo de aprender la

programaciónprogramación

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Arquitectura RISCArquitectura RISC

RReduced educed IInstructio nstructio SSet et CComputeromputer Pocas instruccionesPocas instrucciones Más fácil de aprender el método de Más fácil de aprender el método de

programaciónprogramación Mayor tamaño del código de Mayor tamaño del código de

programaprograma

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Arquitectura CRISCArquitectura CRISC

Combinación de CISC con RISCCombinación de CISC con RISC

CComplex-omplex-RReduced educed IInstruction nstruction SSet et

CComputeromputer

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Ejemplo de Arquitectura BásicaEjemplo de Arquitectura Básica

Bus de Direcciones

Bus de Control

Bus de Datos

BIU

Registros de Uso General

Bus Interno

Unidad Aritmética Lógica

Unidad de

Control

Registro de Banderas

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ProgramaciónProgramación

El microprocesador no tiene memoria El microprocesador no tiene memoria internainterna

Se debe conectar con una memoria externa Se debe conectar con una memoria externa que contenga el programaque contenga el programa

El programa se guarda como datos en la El programa se guarda como datos en la memoria, un dato leido puede ser memoria, un dato leido puede ser información o un código de operacióninformación o un código de operación

El procesador lee de manera ordenada cada El procesador lee de manera ordenada cada punto de la memoria del programapunto de la memoria del programa

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PARTE II: MEMORIAS

•Concepto

•Principio de funcionamiento

•Tipos

•RAM

•ROM

•Flash

•EPROM

•EEPROM Indice

ConceptoConcepto

Una memoria es un dispositivo capaz de Una memoria es un dispositivo capaz de guardar el estado de un bit durante cierto guardar el estado de un bit durante cierto tiempotiempo

Posee casillas o localidades cada una con la Posee casillas o localidades cada una con la capacidad de almacenar un dato generalmente capacidad de almacenar un dato generalmente de tamaño byte (8 bits)de tamaño byte (8 bits)

Tiene un bus de direcciones para identificar Tiene un bus de direcciones para identificar cada una de las localidades.cada una de las localidades.

Tiene un bus de datos por donde entran y salen Tiene un bus de datos por donde entran y salen datos a cada una de las casillas o localidades de datos a cada una de las casillas o localidades de la memoria.la memoria.

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Principio de funcionamientoPrincipio de funcionamiento

CAPACITIVO: Un capacitor se mantiene CAPACITIVO: Un capacitor se mantiene cargado y representa un 1 lógico, si se cargado y representa un 1 lógico, si se descarga represente un 0 lógico.descarga represente un 0 lógico.

FUSIBLES: Un filamento delgado de FUSIBLES: Un filamento delgado de semiconductor que se quema o se deja semiconductor que se quema o se deja completo para representar un 1 o un 0completo para representar un 1 o un 0

ORIENTACIÓN MAGNÉTICA: La orientación ORIENTACIÓN MAGNÉTICA: La orientación de un dispositivo magnético representa un de un dispositivo magnético representa un 1 o un 0 lógico.1 o un 0 lógico.

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Tipos de memoriasTipos de memorias

RAMRAM RRandom andom AAccess ccess

MMemoryemory Almacenamiento Almacenamiento

temporal de datostemporal de datos Pierde la información Pierde la información

capturada cuando se capturada cuando se le desconecta le desconecta alimentaciónalimentación

ROMROM RRead ead OOnly nly MMemoryemory Memoria que Memoria que

conserva el conserva el contenido aun contenido aun cuando se cuando se desconectadesconecta

Tipos de memorias ROM

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Tipos de memorias ROMTipos de memorias ROM

EPROM (EPROM (EErasable-rasable-PProgramable rogramable RRead ead OOnly nly MMemoryemory)) Funciona con el principio de fusiblesFunciona con el principio de fusibles Puede borrarse mediante luz ultravioletaPuede borrarse mediante luz ultravioleta Se reprograma eléctricamenteSe reprograma eléctricamente

EEPROM (EEPROM (EElectrically lectrically EErasable-rasable-PProgramable rogramable RRead ead OOnly nly MMemoryemory)) Funciona con el principio de fusiblesFunciona con el principio de fusibles Puede borrarse con impulsos eléctricos controladosPuede borrarse con impulsos eléctricos controlados Se reprograma eléctricamenteSe reprograma eléctricamente

FlashFlash Funciona igual que la EEPROM pero a una velocidad de Funciona igual que la EEPROM pero a una velocidad de

operación y programación mayor.operación y programación mayor.

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PARTE III: PERIFÉRICOS

•Definición

•Puertos del procesador

•Ejemplos

•Convertidores Analógico a Digital

•Salidas\Entradas seriales

•Salidas moduladoras de ancho de pulso (PWM)

Indice

Definición de periféricoDefinición de periférico Dispositivo externo que intercambia datos Dispositivo externo que intercambia datos

con el procesador.con el procesador. La comunicación entre el procesador y el La comunicación entre el procesador y el

periférico está regulada por el procesador de periférico está regulada por el procesador de acuerdo con los métodos:acuerdo con los métodos: POLING: El procesador revisa ordenadamente POLING: El procesador revisa ordenadamente

todos los periféricos para atender a cada uno de todos los periféricos para atender a cada uno de ellos secuencialemente.ellos secuencialemente.

INTERRUPCIONES: El periférico que está listo para INTERRUPCIONES: El periférico que está listo para ser atendido por el procesador solicita una ser atendido por el procesador solicita una “interrupción” de la ejecución del programa para “interrupción” de la ejecución del programa para que el procesador lo atienda.que el procesador lo atienda.

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Puertos del procesadorPuertos del procesador

Ventanas por las cuales el procesador se Ventanas por las cuales el procesador se comunica con los periféricos.comunica con los periféricos.

Tienen un canal de datos por el cual circula la Tienen un canal de datos por el cual circula la informacióninformación

El procesador genera las señales de control El procesador genera las señales de control que permiten habilitar a cada uno de sus que permiten habilitar a cada uno de sus periféricosperiféricos

Cuando un periférico es habilitado, este pone Cuando un periférico es habilitado, este pone información en el bus de datos. Esta información en el bus de datos. Esta información es leida por el puerto información es leida por el puerto correspondiente.correspondiente.

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Ejemplos de periféricosEjemplos de periféricos

Convertidor analógico a digital Puerto bidireccional de comunicación

serie Salidas de modulación de ancho de p

ulso

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Convertidor de analógico a digitalConvertidor de analógico a digital Dispositivo que recibe una señal analógica y la Dispositivo que recibe una señal analógica y la

muestrea con cierta frecuencia para generar un muestrea con cierta frecuencia para generar un valor digital representativo de la señal al valor digital representativo de la señal al momento de la toma de la muestra.momento de la toma de la muestra.

Tiene un voltaje de referencia que se utiliza para Tiene un voltaje de referencia que se utiliza para definir la escala de valores digitales.definir la escala de valores digitales.

La salida se presenta como un código de varios La salida se presenta como un código de varios bits, estos se leen todos al mismo tiempo.bits, estos se leen todos al mismo tiempo.

Están diseñados para generar una señal de Están diseñados para generar una señal de interrupción cada vez que han concluido una interrupción cada vez que han concluido una conversión a digital.conversión a digital.

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Puerto de comunicaciones serialesPuerto de comunicaciones seriales

EMISOR: Dispositivo que toma un dato de “n” EMISOR: Dispositivo que toma un dato de “n” bits y lo descompone para extraer el dato bit por bits y lo descompone para extraer el dato bit por bit por un solo pin.bit por un solo pin.

RECEPTOR: Dispositivo que recibe una secuencia RECEPTOR: Dispositivo que recibe una secuencia de bits y las almacena hasta componer un de bits y las almacena hasta componer un código de “n” bits.código de “n” bits.

PROTOCOLO: Debe ordenarse y marcarse el PROTOCOLO: Debe ordenarse y marcarse el tiempo que dura un bit en ser transmitido para tiempo que dura un bit en ser transmitido para interpretar correctamente la transmisión de los interpretar correctamente la transmisión de los bits, así como definir mecanismos que marquen bits, así como definir mecanismos que marquen el final y el inicio de una transmisión.el final y el inicio de una transmisión.

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Modulador de ancho de pulso Modulador de ancho de pulso (PWM)(PWM)

Dispositivo que recibe un código digital de “n” bits, y Dispositivo que recibe un código digital de “n” bits, y de acuerdo con el valor, genera una señal cuadrada de acuerdo con el valor, genera una señal cuadrada con un pulso alto de duración proporcional al valor con un pulso alto de duración proporcional al valor recibido.recibido.

Este dispositivo se utiliza puesto que la señal de Este dispositivo se utiliza puesto que la señal de salida (PWM) se utiliza para controlar dispositivos salida (PWM) se utiliza para controlar dispositivos reguladores de potencia como SCR (Silicon Controlled reguladores de potencia como SCR (Silicon Controlled Rectifier) y TRIACRectifier) y TRIAC

Con el uso de ambos dispositivos (TRIAC y PWM) se Con el uso de ambos dispositivos (TRIAC y PWM) se regula la potencia que se aplica a una carga de regula la potencia que se aplica a una carga de corriente alterna, por ejemplo motores, bombillas, corriente alterna, por ejemplo motores, bombillas, resistencias de hornos, etcresistencias de hornos, etc

Regular la potencia de un motor de corriente alterna Regular la potencia de un motor de corriente alterna significa regular la velocidad de giro del mismo.significa regular la velocidad de giro del mismo.

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PARTE IV: MICROPROCESADORES Y SU

INTEGRACIÓN CON LOS PERIFÉRICOS

Indice

•Se fabrican procesadores y en el mismo encapsulado se incluyen dispositivos periféricos comunes como el ADC, PWM, o puerto de comunicación serie

•Se reduce la circuitería de soporte para el procesador

•Se facilita el desarrollo de aplicaciones específicas

•Se incluye memoria interna en el procesador para manejar lso periféricos integrados

•Se inicia la programación del sistema interno del chip para ejecutar una función particular

PARTE V: Microcontroladores

¿Que son?

Índice

Ventajas

Arquitecturas

Elementos Comunes

Fabricantes

Aplicaciones Comunes

¿Que es un ¿Que es un microcontrolador?microcontrolador?

Sistema electrónico que integra las Sistema electrónico que integra las capacidades de una arquitectura capacidades de una arquitectura especifica de microprocesador, junto especifica de microprocesador, junto con las capacidades de acople a otros con las capacidades de acople a otros sistemas que brindan los periféricos, sistemas que brindan los periféricos, todo, en un solo empaquetado.todo, en un solo empaquetado.

Se logra integración, disminución del Se logra integración, disminución del costo en implementación de costo en implementación de aplicaciones especificas.aplicaciones especificas.

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Ventajas del uso de Ventajas del uso de microcontroladoresmicrocontroladores

Reducción de la cantidad de espacio en la Reducción de la cantidad de espacio en la implementación de un diseño dado.implementación de un diseño dado.

Reduce el costo de implementación.Reduce el costo de implementación. Permite desarrollo de aplicaciones especificas Permite desarrollo de aplicaciones especificas

de manera mas rápida y eficiente.de manera mas rápida y eficiente. Los fabricantes dan mucho soporte sobre las Los fabricantes dan mucho soporte sobre las

aplicaciones más comunes.aplicaciones más comunes. Se adaptan mejor a aplicaciones especificasSe adaptan mejor a aplicaciones especificas

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Arquitecturas(1)Arquitecturas(1)

La arquitectura de un procesador define el La arquitectura de un procesador define el modo de operación del mismo en cuanto a modo de operación del mismo en cuanto a conjunto de instrucciones y modo de conjunto de instrucciones y modo de ejecución de las mismas.ejecución de las mismas.

En cuanto al conjunto de instrucciones, se En cuanto al conjunto de instrucciones, se clasifican en dos grupos principalmente clasifican en dos grupos principalmente CISC(Complex Instruction Set CISC(Complex Instruction Set Computer Computer ), ), RISC(Reduced Instruction Set RISC(Reduced Instruction Set Computer Computer ))

Siguiente

CISCCISC

Instrucciones especializadasInstrucciones especializadas se requieren un set de instrucciones se requieren un set de instrucciones

amplio para dar soporte a una amplio para dar soporte a una arquitecturaarquitectura

Duración de la ejecución de las Duración de la ejecución de las instrucciones no es homogéneo.instrucciones no es homogéneo.

programas requieren menos código programas requieren menos código fuente.fuente.

Siguiente

RISCRISC

Set de instrucciones reducidoSet de instrucciones reducido Instrucciones de carácter generalInstrucciones de carácter general Duración homogénea de la ejecución Duración homogénea de la ejecución

de las instrucciones.de las instrucciones. Se requiere mas código para Se requiere mas código para

describir una operación que con una describir una operación que con una arquitectura CISC arquitectura CISC

Siguiente

Arquitecturas(2)Arquitecturas(2)

En cuanto al modo de ejecución de En cuanto al modo de ejecución de las instrucciones las arquitecturas se las instrucciones las arquitecturas se clasifican en: Von neuman, clasifican en: Von neuman, Segmentada, paralela.Segmentada, paralela.

En esta clasificación es importante En esta clasificación es importante conocer como esta dispuesto el bus conocer como esta dispuesto el bus de direcciones y el bus de datos.de direcciones y el bus de datos.

Siguiente

Von NeumanVon Neuman

Ejecución secuencial de las Ejecución secuencial de las instruccionesinstrucciones

Existe solo una unidad de búsqueda Existe solo una unidad de búsqueda y una unidad de ejecucióny una unidad de ejecución

La instrucción siguiente se busca La instrucción siguiente se busca hasta que se ejecute la instrucción hasta que se ejecute la instrucción actualactual

Siguiente

SegmentadaSegmentada

Divide la búsqueda de las Divide la búsqueda de las instrucciones de manera que cuando instrucciones de manera que cuando se ejecute la instrucción actual, ya se se ejecute la instrucción actual, ya se este buscando la siguiente.este buscando la siguiente.

Multiplica la velocidad de ejecución Multiplica la velocidad de ejecución al doble que la Von Neumanal doble que la Von Neuman

Siguiente

HarvardHarvard

Conocida como arquitectura de Conocida como arquitectura de ejecución paralela.ejecución paralela.

Posee varias unidades de ejecuciónPosee varias unidades de ejecución Divide los procesosDivide los procesos Orientada a sistema multitareaOrientada a sistema multitarea Bus de direcciones y de datos Bus de direcciones y de datos

separados en la arquitecturaseparados en la arquitectura

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Elementos Comunes en los Elementos Comunes en los microcontroladoresmicrocontroladores

ADCADC USARTUSART RTC (Real Time Clock)RTC (Real Time Clock) Puertos entrada/salida paralelosPuertos entrada/salida paralelos PWMPWM USBUSB

Siguiente

ADCADC(Convertidor analógico Digital)(Convertidor analógico Digital)

Permite que el sistema microcontrolador Permite que el sistema microcontrolador pueda procesar una variable analógica pueda procesar una variable analógica

Valor mínimo y máximo ajustableValor mínimo y máximo ajustable Resolución: indica la precisión de la Resolución: indica la precisión de la

conversión realizadaconversión realizada Entre más cantidad de bits, más es la Entre más cantidad de bits, más es la

resolución del convertidorresolución del convertidor Requieren configuración a través de Requieren configuración a través de

registros especiales del microntroladorregistros especiales del microntrolador

Siguiente

USART(USART(ADDRESSABLE UNIVERSAL SYNCHRONOUSADDRESSABLE UNIVERSAL SYNCHRONOUSASYNCHRONOUSASYNCHRONOUS RECEIVERRECEIVER TRANSMITTER)TRANSMITTER)

Permite conexión serie a otros Permite conexión serie a otros dispositivosdispositivos

Se configura a través de registros Se configura a través de registros internos.internos.

Velocidad de transferencia variableVelocidad de transferencia variable Formato de la trama variableFormato de la trama variable Puede manejarse a través de Puede manejarse a través de

interrupcionesinterrupciones

Siguiente

Puertos entrada SalidaPuertos entrada Salida

Unidireccionales o bidireccionalesUnidireccionales o bidireccionales Se configuran a través de un registro Se configuran a través de un registro

especificoespecifico Debe estar mapeados Debe estar mapeados Se accesan por medio de una direcciónSe accesan por medio de una dirección Pueden ser TTL, CMOS, ST, según sea el Pueden ser TTL, CMOS, ST, según sea el

dispositivo con el que se comunican.dispositivo con el que se comunican.

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Fabricantes Comunes de Fabricantes Comunes de MicrocontradoresMicrocontradores

Microchip: Familas de PIC´sMicrochip: Familas de PIC´s

Arquitecturas RISC, HarvardArquitecturas RISC, Harvard Motorola: Familia 68XXMotorola: Familia 68XX

Arquitecturas CISC, segmentadaArquitecturas CISC, segmentada Intel: Familias 80XXIntel: Familias 80XX

Arquitecturas CISC, Von Arquitecturas CISC, Von neumanneuman

NECNECVolver

Aplicaciones ComunesAplicaciones Comunes

Sistemas de Monitoreo y control de Sistemas de Monitoreo y control de variables analógicasvariables analógicas

Computadoras de uso especificoComputadoras de uso especifico Sistemas de desarrollo y Sistemas de desarrollo y

experimentaciónexperimentación Sistemas embebidosSistemas embebidos

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