Electrónica Digital

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LECCI ÓN 13 LECCIÓN 13 MICROCOMPUTADORES MICROCOMPUTADORES Introducción: Introducción: Conceptos Conceptos básicos básicos Sistema Sistema microcomputador microcomputador Unidad Unidad Central Central de de Proceso Proceso (CPU) (CPU) Memoria Memoria

13-1

13. Microcomputadores

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Introducción ¿Por qué qué surgen los microprocesadores? Circuitos Circuitos digitales digitales Avance Avancetécnico técnico

Circuitos Circuitosmás más complejos complejos

¾ Circuitos específicos con alto coste de desarrollo ¾ Difícil justificación utilidad/coste ¾ Nueva aplicación Æ Nuevo diseños

13. Microcomputadores

Especialización Especialización

Alto Altocoste coste ¿¿Es Es posible posible un un circuito circuito para para varias varias tareas? tareas?

13-2

1

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Introducción Solució Solución: Microprocesadores ¾ Circuito de propósito general ¾ Programable

Sistema Sistema computador computador Software Software

Hardware Hardware

Programa que controla su funcionamiento

Componentes físicos

13-3

13. Microcomputadores

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Secciones primarias ¾ Memoria ¾ CPU ¾ Entrada/Salidas

Memoria Memoria Almacena: • datos • programa

13. Microcomputadores

CPU CPU

Ejecuta instrucciones del programa

Entrada Entrada Salida Salida Dispositivos para comunicarse con el exterior

13-4

2

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Comunicación dentro del microcomputador ¾ Bus de datos (longitud de palabra) ¾ Bus de direcciones ¾ Bus de control

La comunicación tiene lugar a través de buses Bus Æ conjunto cables que permiten flujo información

Entrada Entrada Salida Salida

CPU CPU

Memoria Memoria

Bus direcciones Bus datos Bus control 13-5

13. Microcomputadores

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Registros, direcciones ¾ Memoria formada por registros, o posiciones de memoria ¾ Cada registro tiene un número de identificación Æ dirección

FFF

Registro

1

Memoria Memoria Dirección 005 004 003 002 001 000 13. Microcomputadores

0

0

1

1

0

0

1

Capacidad de direccionamiento: Número de posiciones de memoria que el procesador puede especificar. Determinada por el nº de bits del bus de direcciones (NA). 2NA Ejemplo: Bus de direcciones 10 bits puede direccionar 210 =1024 (1k) posiciones de memoria 13-6

3

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Salidas triestado Salidas triestado

Para evitar que dos registros impongan tensiones distintas en un bus, lo que producirí produciría un cortocircuito se utilizan salidas triestado

Y

A

c C = 1 Æ Y = A (salida = entrada) C = 0 Æ Y = Z (salida = alta impedancia)

Bus

X1

X1

X2

Si X1 = 1 y X2 = 0 en la línea del bus aparecería un conflicto, para evitarlo salidas triestado

X3

C2=1

c1

Seleccionamos qué dato (X2) queremos poner en el bus

X2 c2 X3

c3 13-7

13. Microcomputadores

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Almacenamiento de datos y programa Memoria Memoria

Libre

Programa

Datos

Dirección

Contenido

1005

operando

1004

operando

1003

opcode

1002

operando

1001

opcode

1000

opcode

Ejemplo, si el ancho de la memoria es de 1byte:

instrucción de 3 bytes

instrucción de 2 bytes instrucción de 1 byte

¾ Numéricos ) Enteros (con/sin signo) ) Punto fijo/flotante ¾ Texto

Opcode Opcode (código (código de de operación): operación): define define la la operación operación que que ha ha de de ejecutar ejecutar una una instrucción. instrucción. Operando: Operando: información información que que acompaña acompaña al al opcode opcode (dato, (dato, dirección) dirección) 13. Microcomputadores

13-8

4

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Estructura de un microprocesador Bus Datos Externo

Bus Datos Interno

Acumulador

SP

PC

R0 R1

RN

ALU

Reg Instr

Control y Decodificación

Banderas

Bus Direcciones Interno

Bus Direcciones Externo 13. Microcomputadores

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13-9

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Estructura de un microprocesador Acumulador

¾ Registro de uso general ¾ Mayor parte de operaciones sobre él o relacionadas con él ¾ Muy ligado con la ALU

Registros índice „ „

Almacenan información sobre direcciones Normalmente se pueden incrementar o decrementar de forma automática para acceso secuencial de direcciones

13. Microcomputadores

13-10

5

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Estructura de un microprocesador Registro instrucciones

¾ Registro que almacena el opcode para su ejecución ¾ Conectado a unidad de control y decodificación de instrucciones

Contador de programa

Almacena la dirección de memoria del siguiente byte de programa. Al finalizar la ejecución de una instrucción, el contador del programa apunta a la siguiente instrucción a ejecutar. Se incrementa cada vez que se extrae un byte, señalando al siguiente de manera automática.

„

„

13-11

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Estructura de un microprocesador Unidad Aritmé Aritmético Ló Lógica (ALU)

¾ Realiza operaciones aritméticas y lógicas necesarias para ejecutar distintos opcodes ) Resta, suma, incremento, decremento ) AND, OR, XOR ) Desplazamiento izquierda, derecha, rotación de palabras de datos

Registro de estado (Banderas) „

Relacionado con la ALU „ „ „

„

Indican estados de operaciones Existen reglas de cuando cambian Existen instrucciones que dependen de banderas Æ saltos

Ejemplo „

Z (Zero) se pone a 1 si el resultado de una operación es cero y a cero si el resultado es distinto de cero

13. Microcomputadores

13-12

6

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Estructura de un microprocesador Unidad de control y decodificació decodificación ¾ Corazón del procesador ¾ Extrae de forma secuencial instrucciones y las ejecuta

Ciclo Ciclo de de Búsqueda Búsqueda ¾ Secuencia fija de señales de control ¾ Objetivo: pone el opcode en el registro de instrucciones Decodificador de Instrucciones

Registro Instrucciones

opcode

Ciclo Ciclo de de Ejecución Ejecución ¾ Después de decodificar la instrucción se genera la secuencia apropiada de señales de control para poder ejecutarla. Esta secuencia de señales es el ciclo de ejecución. ¾ Depende de cada instrucción.

13-13

13. Microcomputadores

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Búsqueda y ejecución de una instrucción. Ejemplo 1 byte

LDA 3F “Cargar acumulador con dato 3F”

Ciclo Ciclo de de Búsqueda Búsqueda 11

CP(CF01) ÖAB (Address Bus)

22

Habilita señal de lectura en memoria “LDA” ÖDB (Data Bus)

33

DB(“LDA”) ÖRI

44

CP =CP+1 (CF02)

13. Microcomputadores

CP

3F “LDA”

CF03 CF02 CF01 CF00

13-14

7

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Búsqueda y ejecución de una instrucción. Ejemplo El código de la instrucción se decodifica y se lanza la secuencia de señales apropiada Ciclo Ciclo de de Ejecución Ejecución 55

CP(CF02) ÖAB (Address Bus)

66

Habilita señal de lectura en memoria 3F ÖDB (Data Bus)

77

DB(3F) ÖA

88

CP =CP+1 (CF03)

El contador del programa se queda apuntando a la siguiente instrucción a ejecutar. 13-15

13. Microcomputadores

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Estructura de un microprocesador Puntero de pila „ „ „

Registro especial que poseen la mayoría de microprocesadores. Almacena dirección que apunta a la posición actual de memoria de la pila. Hay instrucciones cuyo opcode origina tratamiento de información en la posición definida por el apuntador de pila.

SP

SP

1001

1000

Push A „ „

13. Microcomputadores

pila

pila

pila

Introduce A Incrementa SP

SP A

1000

Pull „ „

Decrementa SP Extrae valor 13-16

8

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Tipos de memoria Las memorias son dispositivos capaces de almacenar información, que se puede leer o modificar por el procesador cuando éste ejecuta una instrucción de lectura o escritura en memoria. Primaria (RAM, ROM, acceso rápido) y secundaria (disco duro o unidades de disco, acceso relativamente lento). RAM (Random (Random Access Memory) Memory) „

„ „

Memoria de Acceso Aleatorio. Suele almacenarse información que debe cambiarse durante la ejecución de un programa. El tiempo de acceso a cualquier dato es el mismo. Es volátil, sin alimentación de cc. se pierden los datos. Tipos de RAM (dos técnicas diferentes): „ RAM estática (Biestables). La información se mantiene siempre que haya alimentación. „ RAM dinámica (Matriz de carga/descarga de condensadores). Necesita refresco, es decir, actualizar el valor de los condensadores. 13-17

13. Microcomputadores

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Tipos de memoria ROM (Read (Read Only Memory) Memory) „ „ „

Memoria de sólo lectura. El procesador no puede escribir en ella. No volátil. Almacenan programas o información que no deba cambiar. Programados por el fabricante del dispositivo por litografía.

PROM (Programmable (Programmable Read Only Memory) Memory) „ „

Memoria ROM programable por el usuario. Una sola programación.

EPROM (Erasable (Erasable and Programmable Read Only Memory) Memory) „

Memoria PROM que se puede borrar (rayos ultravioletas, ventana de mica) y volver a programar por medio de un programador EPROM.

EEPROM (Electrically (Electrically Erasable and Programmable Read Only Memory) Memory) „

Memoria EPROM que se puede borrar y volver a programar eléctricamente sin quitarla de su sitio en el circuito electrónico.

13. Microcomputadores

13-18

9

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Estructura de una memoria 00

Direcciones 2Na bits

1

0

1

0

0

1

0

0

1

0

0

1

0

0

1

0

01

10

DEC

Bus direcciones Na bits A1 = 0 A0 = 1

11

Selecciona la línea 01

Lectura/Escritura

CONTROL D3

D2 0

1

D1

D0 0

0

Bus datos Nd bits 13-19

13. Microcomputadores

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Dispositivo típico de memoria Vcc (alimentación)

Bus de direcciones Bus de control

Lectura Escritura CS

Memoria

Tierra

Bus de datos

Ejemplo: Memoria 1 kbytes • Si la longitud de palabra de la memoria es de 8 bits, se necesitan 10 bits para direccionar 1 kbytes (1k direcciones x 8 bits de datos = 1 kbytes) • Si la longitud de palabra de la memoria es de 16 bits, se necesitan 9 bits para direccionar 1 kbytes (512 direcciones x 16 bits de datos =1 kbytes)

CS (Chip Select): Habilita la selección del chip, cuando se encuentra deshabilitado el dispositivo no responde al resto de señales de control.

13. Microcomputadores

13-20

10

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Configuración de la memoria

Mapa de memoria

Configurar mapa de memoria Bus datos 8 bits ROM 2 kbytes EPROM 2 kbytes RAM 4 kbytes Tamañ Tamaño

Líneas bus direcciones

Direcciones

RAM

4 kbytes

12 lí líneas

A0 – A11

EPROM

2 kbytes

11 lí líneas

A0 - A10

ROM

2 kbytes

11 lí líneas

A0 - A10

Total

8 kbytes

13 lí líneas

A0 - A12

1FFF

RAM 4Kbytes 1000 0FFF 0800 07FF 0000

EPROM 2Kbytes ROM 2Kbytes

8 kbytes = 23·210 Æ 13 líneas 13-21

13. Microcomputadores

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Configuración de la memoria Decodificació Decodificación de direcciones Mapa Mapa de de memoria memoria 1FFF

RAM 4Kbytes EPROM 2Kbytes ROM 2Kbytes

12 11

A11

1

1

1

0

0

1

EPROM

0

0

ROM

0001 1111 1111 1111 0001 1000 0000 0000 0001 0111 1111 1111

1000 0FFF

0001 0000 0000 0000 0000 1111 1111 1111

0800 07FF

0000 1000 0000 0000 0000 0111 1111 1111

0000

0000 0000 0000 0000

13. Microcomputadores

A12

RAM

13-22

11

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Configuración de la memoria Circuito Circuito decodificador decodificador de de direcciones direcciones A12

Solución 1

CS RAM

A12

A11

1

1

CS EPROM

RAM

A11

1

0

0

1

EPROM

0

0

ROM

CS ROM A12 Solución 2

A11

CS RAM E0

S1

CS EPROM

en

S0

CS ROM

DEC

13-23

13. Microcomputadores

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Configuración de la memoria Esquema de memoria con conexió conexión de buses Bus de direcciones A12 CS

RAM

A11

A0-A11

Bus de datos

D0-D7

R/W

Decodificador de direcciones

CS

EPROM

A0-A10 D0-D7

R

Señal escritura sólo en RAM

A0-A10 CS

ROM

D0-D7

R

13. Microcomputadores

13-24

12

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Periféricos de E/S típicos Tipo Tipo

Sirven Sirven para para

Ejemplos Ejemplos (estándares) (estándares)

E/S E/S paralelo paralelo

Control Control yy comunicaciones comunicaciones (entrada, (entrada, salida, salida, bidir) bidir)

Centronics Centronics (impresoras) (impresoras)

E/S E/S serie serie

Comunicaciones Comunicaciones

UART, UART, USART, USART, USB, USB, I2C, I2C, FireWire, FireWire, CAN, CAN, etc. etc.

Temporizadores Temporizadores yy contadores contadores

Control Control (en (en general) general) Datado Datado (en (en particular) particular)

Perro Perro guardián guardián (watchdog) (watchdog)

Control Control de de la la ejecución ejecución correcta correcta de de un un programa programa

Convertidores Convertidores A/D A/D yy D/A D/A

Adquisición Adquisición yy generación generación DSP: DSP: Digital Digital Signal Signal Processing Processing

Controladores Controladores específicos específicos

Discos Discos duros, duros, disquetes, disquetes, etc. etc.

SCSI, SCSI, IDE, IDE, ATAPI, ATAPI, VGA, VGA, ... ...

13-25

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Puertos y registros de Entrada/Salida Puerto Puerto de de E/S E/S ‰ Circuitería que permite leer y/o gobernar señales externas. ‰ Diferentes tipos: E/S paralelo, E/S serie, E/S analógica, controladores, ...

Registros Registros de de E/S E/S

Señales externas uP

Mem

E/S Direcciones Datos Control

‰ Registros asociados a los puertos de E/S. Cada puerto de E/S puede tener asociados varios registros (o un registro afectar a varios puertos). ‰ Existen registros asociados a los datos (las señales a controlar) y al control del flujo de información (el modo de operación). ‰ Los registros de E/S se acceden mediante instrucciones de lectura/escritura o de entrada/salida.

Puertos Puertos de de E/S E/S paralelo paralelo ‰ Puerto de E/S en el que se controlan varias señales externas al mismo tiempo. ‰ El tamaño (nº de bits) del puerto suele coincidir con la longitud de palabra del uP. ‰ Pueden ser de entrada, salida, o programables (E/S)

13. Microcomputadores

13-26

13

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Puertos de E/S en el 68HC11 ‰ Los puertos de E/S en el 68HC11 pueden operar en varios modos

Puertos Puertos de de E/S E/S ‰ Puerto B: sólo salidas, también usado como bus de direcciones. ‰ Puerto C: programable, también usado como bus de datos/direcciones. ‰ Puerto E: sólo entradas, compartido con el CAD. ‰ Puerto A: Mixto, especializado en tratamiento de interrupciones. ‰ Puerto D: programable, compartido con la E/S serie.

13-27

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Microprocesadores y Microcontroladores ¾ Microprocesador (uP): circuito de computación integrado en un chip Microprocesador ALU

Memoria

CU REGS

Dispositivos de Entrada y Salida

(interruptores, relés, teclado, ratón, pantalla, disco, etc.)

¾ Microcontrolador (uC): Dispositivo integrado que incluye un microprocesador, memoria y dispositivos periféricos (dispositivos de entrada/salida, convertidores A/D, puertos de comunicación, etc.). Microcontrolador Memoria CPU (micro) ALU CU

E/S

(interruptores, relés, teclado, ratón, pantalla, disco, etc.)

REGS

13. Microcomputadores

13-28

14