Tema 1: OPERACIÓN BÁSICA DE UN MICROPROCESADOR.

Presentación del tema: "Tema 1: OPERACIÓN BÁSICA DE UN MICROPROCESADOR."— Transcripción de la presentación:

1 Tema 1: OPERACIÓN BÁSICA DE UN MICROPROCESADOR.
Objetivos específicos: 1. Identificar los cambios evolutivos de los microprocesadores. 2. Identificar la arquitectura de un microprocesador. 3. Explicar la operación típica de un microprocesador. 4. Describir la configuración conceptual de un sistema mínimo basado en un microprocesador. 5. Describir los conceptos de: poleo, interrupciones y DMA.

2 Contenidos: Introducción a los microprocesadores. 2. Arquitectura Básica de un microprocesador. 3. Sistema de Bus común. 4. Operación Típica de un microprocesador. 5. Bloques funcionales de un sistema mínimo basado en un microprocesador. 6. Poleo, interrupciones y DMA.

3 Introducción a los microprocesadores.
Antes de comentar la evolución de los microprocesadores, se debe primero entender que fue lo que puso a estos dispositivos en primer plano. Para eso, comencemos con la historia de la necesidad de realizar operaciones básicas (suma y resta). Empezando con los antiguos babilonios que empezaron a usar el ábaco (calculadora primitiva hecha con cuentas o esferas ahuecadas), alrededor del año 500 A.C.

4 Maquina calculadora por Blas Pascal en 1642
Su mecanismo estaba conformado por engranes y ruedas.

5 En las décadas de 1940 y 1950 se tenía maquinas computadoras gigantescas; construidas con relevadores y tubos de vacío (bulbos). ENIAC (Electronic Numerical Integrator And Computer 1946) Computador e Integrador Numérico Electrónico: Primera computadora digital electrónica en la historia.

6

7 EDVAC (Electronic Discrete Variable Automatic Computer) Calculador Discreto Electrónico Automático Variable, Segunda computadora programable. Tuvo el primer programa diseñado para ser almacenado

8 IBM 701 (Unidad Central de Proceso (CPU)) 1953
IBM 701 (Unidad Central de Proceso (CPU)) Conocido como la "calculadora de Defensa" mientras era desarrollado. Chasis del procesador Consola del operador

9 Con el descubrimiento se los semiconductores (germanio) en la década de los 40’s, se construyó el dispositivo electrónico llamado “transistor”; eso permitió la construcción de maquina más poderosas que las maquinas anteriores.

10 Conforme fue evolucionado esta tecnología; surgieron los componentes electrónicos de estado sólido en la década de 1960; esto llevo a que las maquinas computadoras se redujeran sus dimensiones (en forma drástica) y a la vez más poderosas. Microelectrónica Con el advenimiento de los circuitos integrados se llegó al perfeccionamiento del microprocesador de los computadores.

11 Evolución Histórica de los Microprocesadores
Microprocesadores de 4 bits: En 1971 Intel Corporation lanza comercialmente el primer microprocesador, el “4004” con un tamaño de palabra de 4 bits y una capacidad de direccionamiento de memoria de 4096 palabras. Con un conjunto de 45 instrucciones diferentes. Solo se podía emplear en aplicaciones limitadas. Era una minúscula placa de silicio de 7mm de lado que integraba 2300 transistores y ejecutaba 60,000 operaciones por segundo a una frecuencia de 108 Khz. Su potencia era igual a la de la computadora ENIAC.

12 Microprocesadores de 8 bits (1972):
Al darse cuenta Intel de la viabilidad del 4004 introduce, al año siguiente, el primer microprocesador de 8 bits, el 8008, el cual contenía 3500 transistores. El hecho de que el 8008 procesara 8 bits de datos simultáneamente y que pudiera acceder a mucha más memoria, le permitía operar unas tres o cuatro veces más rápido que sus predecesores de 4 bits. La frecuencia de reloj era de 200KHz y su memoria direccionable era de 16K bytes contaba con un conjunto de 48 instrucciones. Se utilizó en aplicaciones más avanzadas, pero el uso demandante del microprocesador pronto limitó su utilidad. En 1973 Intel introduce el 8080.

13 El 8080 es considerado el primer procesador moderno de 8 bits.
Microprocesadores de 8 bits (1973): El 8080 es considerado el primer procesador moderno de 8 bits. Diez veces más rápido que el 8008 y direccionaba 64k bytes. Pronto otras empresas empezaron a introducir comercialmente sus propias versiones de procesadores de 4 y 8 bits.

14 Microprocesador Z-80 El Z-80 era realmente compatible con el microprocesador 8080. Zilog, además de diseñar un buen producto, mejoró notablemente la arquitectura respecto la del 8080. Entre las ventajas pueden citarse: mayor cantidad de instrucciones (158 contra 74), frecuencia de reloj más alta, circuito para el apoyo de refresco de memorias RAM dinámicas, compatibilidad de código objeto (los códigos de operación de las instrucciones son iguales) y una sola tensión para su funcionamiento (+5V).

15 Ejemplo de Instrucciones de transferencia de 8 Bits 8080/Z80
Se observa la compatibilidad en el código máquina.

16 En 1977 Intel introduce el microprocesador 8085, considerado una nueva versión del 8080 ya que, entre otras cosas, también direccionaba 64Kbytes de memoria y empleaba el mismo conjunto de instrucciones. El generador de reloj se integra en el mismo circuito integrado (era externo en el 8080) y utiliza una sola fuente de alimentación. Fue fabricado por NEC, AMD, Toshiba y Hitachi bajo licencia de Intel.

17 Estructura Interna 8085

18 La unidad de control recibe el código de la instrucción, que se almacena en el registro de instrucciones, antes de ser interpretada. Se convierte en microinstrucciones, que son operaciones elementales que se realizan conforme a las señales del bloque temporizador y de control. La ALU se alimenta de dos operandos, uno desde el registro acumulador y el otro desde un registro temporal. El resultado de la operación se carga en el acumulador. El banco de registros se compone de 6 registros de 8 bits, que pueden trabajar en parejas como si fuesen de 16 bits. Contiene el contador de programa que apunta la dirección de la siguiente instrucción y el puntero de la pila, que apunta la cima de la pila donde se guardan las direcciones de retorno al programa principal cuando hay llamadas a subrutinas o interrupciones.

19 Dispone de un colosal juego de interrupciones externas formado por los pines: INTR, RST5.5, RST6.5, RST7.5 y TRAP. Dispone de las patitas SID y SOD, por las que se puede introducir o sacar información en serie, bit a bit.

20 Diagrama de pines del microprocesador

21 Los pines del 8085 pueden agruparse en conjuntos, que realizan la misma función, de la siguiente forma: Bus de direcciones: pines A0-A15. Bus de datos: pines D0-D7. Bus de control. Pines para la alimentación. Pines para la frecuencia de funcionamiento. Pines para la atención de interrupciones. El correcto funcionamiento de este microprocesador exige que tanto los voltajes de alimentación, como la temperatura de trabajo y los rangos de las corrientes y voltajes en todas sus pines, se hallen dentro de los límites que establece el fabricante.

22 Microprocesadores de 16 bits
En 1978 Intel introduce el 8086 y un año más tarde el Ambos son microprocesadores de 16 bits. Bus de direcciones de 20 bits: 1 Mbyte o 512K palabras (16 bits) en el 8086 1 Mbyte en el 8088 Bus de datos interno de 16 bits Bus de datos externo de 16 bits en el 8086 8 bits en el 8088 Original del IBM PC/XT 89 instrucciones Sin coprocesador aritmético interno

23 Se modifica progresivamente la arquitectura de von Neumann con objeto de disponer de un repertorios de instrucciones y unos recursos físicos adecuados que se adapten mejor a: los sistemas operativos avanzados, los lenguajes de alto nivel, la productividad en el desarrollo de programas y reducir los costes de las aplicaciones. Con esta orientación aparece: el 8086 con 29,000 TRT's y el de Intel, el de Motorola el Z8000 de Zilog y el de National Semiconductor.

24 En resumen, las mejoras técnicas sustanciales que aportaron los micros de 16 bits fueron:
Aumento considerable en la velocidad de funcionamiento. Se hizo frecuente el uso de 5 y 10 MHz. Aumento de la capacidad de memoria, puesto que el bus de direcciones típico de estas UCP sobrepasaba las 20 líneas. un consumo de 350 mA a 5 VDC. En esta época surgen los microcomputadores profesionales y nuevas aplicaciones en campos como la Robótica y la Visión Artificial.

25 El microprocesador 8086. En 1978 INTEL lanza el primer microprocesador de 16 bits al mundo. En el diseño del 8086 surgieron ciertas el software desarrollado para el 8085. Por eso también fabricó la versión 8088, que se diferenciaba de la anterior en que el bus de datos externo era de 8 líneas, con lo cual se podían conectar directamente todos los módulos y dispositivos que trabajaban con ese tamaño de palabra, que eran prácticamente todos los de la época. A INTEL le tocó la lotería cuando el más importante fabricante de computadores del mundo, IBM, eligió el 8088 para construir el computador personal o PC, idea que inundó de máquinas la faz de la tierra.

26 Los modelos 25 y 30 de los equipos PS/2 de IBM, disponen de un 8086 a 8 MHz.
IBM PS/2 modelo 25 IBM PS/2 modelo A partir de ese momento las ventas de microprocesadores se dispararon, porque los PC han ido creciendo y masificándose a la sombra de los nuevos modelos de microprocesadores de INTEL.

27 La placa base original del IBM Personal Computer, IBM 5150

28

29 Arquitectura interna del 8086/8088

30 El banco de registros es muy completo y se divide en cuatro secciones:
1ª. Registros generales. 2ª. Registros punteros de dirección. 3ª. Registros especiales: Puntero de Instrucciones (IP) y Registro de Estado (FLAGS). 4ª. Registros de segmento. Los registros generales son 4 de 16 bits cada uno, pudiendo trabajar con 8 bits (AX (Acumulador), BX (Base), CX (Contador) y DX (Dato)). Los registros punteros y los de segmento sirven para direccionar la memoria. El registro especial IP apunta la memoria de instrucciones, concretamente la dirección de la siguiente instrucción a ejecutar.

31 El registro especial FLAGS contiene 16 bits, de los cuales sólo 9 son significativos, y actúan como señalizadores o banderas de situaciones anómalas. Su misión se expresa a continuación, reproduciéndose su distribución en la figura. C : Acarreo o llevada en el bit de más peso. P: : Paridad. Z: Señalizador de resultado cero. S: Señalizador de signo. T: Trap. Cuando T = 1 los programas se ejecutan "instrucción a instrucción". I: Señalizador de la máscara de interrupciones mascarables. D: Dirección de la exploración de las cadenas de caracteres. O: Señalizador de desbordamiento del resultado.

32

33 Diagrama de pines del microprocesador
Si se conecta al positivo la patita MN/MX# hace que el 8086 trabaje en modo mínimo y si se conecta a tierra en modo máximo. El modo mínimo está diseñado para sistemas sencillos en los que sólo se precisa un procesador. Por el contrario, el modo máximo es capaz de soportar muchos recursos y varios procesadores. En este modo se usa un dispositivo especial denominado "controlador de bus" (8288) que genera todas las señales de control sobre la base de S0, S1 y S2.

34 4004 8008 8080 8086 8088 Fecha 15/11/71 1/4/72 1/4/74 8/6/78 1/6/79 Velocidadde reloj 108KHz 200KHz 2MHz 5MHz,8MHz, 10MHz 5MHz,8MHz Anchuradel bus 4bits 8bits 16bits Númerode transistores 2.300 3.500 6.000 29.000 Memoria direccionable 640bytes 16Kbytes 64Kbytes 1Mbyte Memoriavirtual -- Descripción Primerchip para microcompu- tadora Manipulaciónde datos/caracteres 10veces mejor desempeño queel8008 10vecesmejor desempeñoque el8080 Idénticoal 8086excepto porelbusde datosexterno

35 80286 Intel386DX Intel386SX Intel486DX Fecha 1/2/82 17/10/85 16/6/88 10/4/89 Velocidadde reloj 6MHz,8MHz, 10MHz,12.5MHz 16MHz,20MHz, 25MHz,33MHz 25MHz, 33MHz,50MHz Anchuradel bus 16bits 32bits Númerode transistores 1,2millones Memoria direccionable 16megabytes 4gigabytes virtual 1gigabyte 64terabytes Descripción 3-6vecesmejor desempeñoque el8086 Primerchipen manejar32bits Busdedatosde 16bitsque permiteprocesar 32bitsabajo costo Cachenivel1 enelchip

36 transistores direccionable
80486SX Pentium PentiumPro PentiumII Fecha 22/4/91 22/3/93 1/11/95 7/5/97 Velocidadde reloj 16MHz,20MHz, 25MHz,33MHz 60MHz,66MHz 150MHz, 166MHz, 180MHz,200MHz 200MHz,233MHz, 266MHz,300MHz Anchuradel bus 32bits 64bits Númerode transistores 1,185millones 3,1millones 5,5millones 7,5millones Memoria direccionable 4gigabytes 64gigabytes virtual 64terabytes Descripción Idénticoal486DX perosin coprocesador matemático Arquitectura superescalar Laarquitecturade ejecucióndinámica maneja procesadoresdealto rendimiento BusDual independiente, ejecucióndinámica, tecnologíaIntelMMX

37 1993. Aparece el Intel Pentium introduciendo el uso de técnicas superescalares, que permiten que varias instrucciones se ejecuten en paralelo. 1995. Intel presenta el Pentium Pro que continua la tendencia iniciada con el Pentium hacia la organización superescalar, con el uso de registros, predicción de ramificaciones (saltos), análisis del flujo de datos y ejecución especulativa. 1997. Aparición del Intel Pentium II que incorpora la tecnología Intel MMX, que se diseñó específicamente para procesar de forma eficiente datos de vídeo, audio y gráficos. En 1999 el Pentium III, incorpora instrucciones adicionales en punto flotante para procesar software de gráficos 3D. En el 2000 el Pentium 4, trabaja a velocidades superiores y mejora las instrucciones con el nombre de SSE2 (streaming SIMD extensions 2, 144 nuevas) algunas capaces de manejar cálculos de doble precisión de 128 bits en punto flotante. La idea es reducir el número de operaciones necesarias para realizar las tareas, entre otros muchos avances tecnológicos.

38 SIMD: Single Instruction, Multiple Data; instrucción única, datos múltiples. Estas instrucciones permiten realizar una única operación compleja con varios datos en vez de realizar varias operaciones más simples, pudiendo hacer hasta 4 operaciones en punto flotante por cada ciclo de reloj.