Estructura de Computadores Prof. Tatiana Marín Ramírez

Introducción Existen 2 soluciones para implementar un circuito digital que resuelva un determinado problema : a) Lógica cableada : Son circuitos diseñados para para realizar una aplicación concreta. b) Lógica programada : Máquinas flexibles capaces de realizar la mayoría de las funciones necesarias para cualquier aplicación.Trabajan en forman secuencial ejecutando las operaciones.

Máquina Cableada (vigente hasta mediados del siglo XX).

Máquina Programada Von Newman configura la arquitectura básica de los computadores modernos, basada en los siguientes conceptos : - Programa almacenado - Ruptura de la secuencia de programa mediante la toma de decisiones.

Máquina Programada

Máquina Programada

Ventajas de la Máquina Programada Reducen el hardware. Aumenta la fiabilidad del sistema ( menos componentes). Disminución de costos (materiales,mano de obra, mantención). Permite realizar cambios sin afectar la estructura del sistema (sólo el programa)

Ventajas de la Máquina Programada Reduce tiempo de diseño. De lo expuesto se desprende que las máquinas programadas exigen: - Tecnología y manipulación de CI (software). - Experiencia en el empleo de instrucciones y confección de programas (hardware).

Estructura de un computador La organización de la generalidad de los computadores está basada en la estructura de una máquina digital que maneja números binarios (datos) de acuerdo a una secuencia organizada de pasos (programa). Cada paso en la secuencia es llamado un instrucción. La estructura de la máquina tiene 5 características:

Estructura de un computador 1.- Un medio de entrada por el cual datos e instrucciones pueden ser ingresados. 2.-Una memoria, desde la cual datos e instrucciones pueden ser obtenidos y donde los resultados pueden ser almacenados en cualquier orden deseado. 3.-Una unidad de cálculo , la cual es capaz de realizar operaciones aritméticas y lógicas sobre cualquier dato tomado de la memoria.

Estructura de un computador 4.- Una unidad de control ,que interpreta las instrucciones permitiendo escoger alternativas de acción en base a los resultados obtenidos. 5.- Un medio de salida , por el cual los resultados pueden ser entregados al usuario. En la figura 1 se muestra esta organización básica

Estructura de un computador

Estructura de un computador Las máquinas que satisfacen las 5 propiedades indicadas son conocidas como computadores de la clase HARVARD. Si además de estas propiedades, las instrucciones son almacenadas en la misma forma que los datos en la misma memoria,cada una igualmente accesible a la unidad de cálculo,entonces las instrucciones pueden ser tratadas como datos,y la máquina puede modificar sus intrucciones.Esta máquina es llamada computador de la clase PRINCETON o VON NEWMAN.

Estructura de un computador El diseño de todos los microcomputadores esta basado sobre 4 bloques constructivos básicos : - Dispositivos de Entrada (característica 1) - La memoria (característica 2 ) - Un microprocesador (característica 3 y 4 ) - Dispositivos de salida (característica 5 )

Dispositivos de Entrada Convierten las señales de entrada en el apropiado formato binario para el microprocesador .Algunos dispositivos típicos son conversores análogo/digital (ADC),teclado,cinta magnética,disco magnético,disco óptico.Una interfaz es usualmente necesaria para transformar los datos de entrada en una apropiada señal digital.

Dispositivos de salida Convierten los datos de salida binarios en otra forma más usual. Ejemplos de estos dispositivos incluyen impresoras,pantallas CRT, pantallas LCD, conversores digital/análogo (DAC),etc.

La Memoria Tiene la capacidad de almacenar números binarios los cuales describen ,en detalle, las instrucciones que el computador debe ejecutar. También almacena datos (en formato binario) sobre los cuales el computador opera y finalmente entrega al mundo exterior.

El Microprocesador Contiene una unidad central de procesamiento (CPU) la que tiene los circuitos necesarios para acceder a las apropiadas localizaciones de memoria e interpretar las instrucciones resultantes. La ejecución de las instrucciones también tienen lugar en esta unidad.La CPU contiene la unidad lógica/aritmética (ALU),una red combinacional que realiza las operaciones lógicas y aritméticas sobre los datos.

El Microprocesador La CPU también contiene una sección o unidad de control, que controla las operaciones del computador ,y varios registros de datos para el almacenamiento temporal y manipulación de datos e instrucciones. Los microprocesadores se presentan en varios tipos de encapsulados utilizando tecnología VLSI y están disponibles en distintos tamaños de palabras.

Estructura básica de un microprocesador

Funciones de los elementos del microprocesador. Direccionamiento de la instrucción a ejecutar. Se lleva a cabo mediante el Contador de Programa(PC),aunque se incrementa en una unidad ,puede cargarse con cualquier valor permitiendo así alterra la secuencia de ejeccución.

Funciones de los elementos del microprocesador. Decodificador de Instrucciones. Recibe la instrucción en código binario(código de máquina) e interpreta su significado.

Funciones de los elementos del microprocesador. Unidad de Control y Tiempo ó Secuenciador. Encargado de generar y transmitir las señales de sincronismo al sistema,para ejecutar la instrucción previamente decodificada.

Unidad de control

Funciones de los elementos del microprocesador. Unidad Lógico-Aritmética (ALU) Efectúa las operaciones aritméticas y lógicas gobernada por la unidad de control y está relacionada al registro Acumulador que contiene los operandos y los resultados de la operación.

Funciones de los elementos del microprocesador. Registros de Trabajo. - Registro Indice y de Direccionado de la memoria. - Registro o Contador stack pointer(SP) o Puntero de Pila.Direcciona posiciones de memoria que guardan temporalmente ciertos elementos Posee estructura LIFO.

Funciones de los elementos del microprocesador. Registro de Estado. Contiene información sobre el estado interno de la CPU una vez ejecutada una instrucción. Se compone de una serie de bits denominados flags .Los más importantes son :

Registro de Estado C: arrastre aritmético o noveno bit . Desbordamiento en rotaciones y desplazamientos. V: sobrepasamiento ó exceso.Usado en C2 .Suma con signo en donde el bit MSB puede afectar al de signo.

Registro de Estado H: acarreo o arrastre del cuarto bit ,para uso en aritmética BCD. Z: bit cero.La operación anterior dá como resultado cero ó nulo. I: flag para enmascaramiento de ciertas interrupciones. P: paridad.Para comprobación de datos.

ALU y registro de Estado

Otros componentes. Buffer triestado. Generador de señales de reloj. Registros auxiliares. Registro MA – MAR ( MEMORY ADDRESS REGISTER) Registro F – Registro IR – INSTRUCTION REGISTER Registro B – Registro Buffer – MDR (MEMORY DATA REGISTER)

Sistema Básico con Microprocesador

Arquitectura de un sistema con Microprocesador La información que circula por el sistema es de tres tipos : Información de Datos e Instrucciones. Las instrucciones vienen sólo de la memoria mientras que los datos pueden proceder de la memoria o módulos I/O. En este caso palabras de 8 bits(Bus de Datos).

Arquitectura de un sistema con Microprocesador Información de direcciones de la memoria y otros elementos. Enviada por la cpu a la memoria y resto de elementos . Para este caso 16 bits que permite direccionar 65536 posiciones=216 (Bus de direcciones)

Arquitectura de un sistema con Microprocesador Información de control y tiempos. Enviada por la cpu a los elementos del sistema o bien recibe de estos y su misión es informar el estado de todo el sistema.El número de líneas es variable y se denomina Bus de control.

Estructura de Buses compartidos. El tercer estado.

Configuración típica de un Microprocesador.

Pines característicos. Líneas de direccionamiento (16) Líneas de datos(8). Alimentación(+5V) Cristal o red RC(controla reloj interno) Salidas de la señales de reloj(opuestas) Petición de Reset(RESET/IN) Reconocimiento de reset (RESET/OUT)

Pines característicos. HOLD . Solicita estado de alta impedancia. HOLDA. Reconoce estado Hold. Ready: sincroniza con memorias lentas Interrupciones :detienen el procesamiento normal y permiten saltar a otros programas.

Fases de Interrupción Termina la ejecución de la instrucción y guarda el contenido de los registros importantes en el SP. El contador de programa (PC) se carga con la dir. del vector de interrupción. Ejecuta las instrucciones a partir del nuevo contenido del PC. Se regresa al programa principal,recuperando los datos guardados al inicio de la interrup.

Fases de Interrupción

Tipos de Interrupción No enmascarables. Se realizan siempre que se provocan. Enmascarables. Se realizan si un bit del registro de estado, el flag de interrupción está a cierto nivel.

Estructura de Memorias

RAM – dinámica y estática

Tipos de memoria RAM ROM

Hoja datos RAM 6264

Hoja datos RAM 6264

Manejo de las entradas y salidas del sistema (I/O) Por software Mediante interrupciones Acceso directo a memoria (DMA)

Estructura de un módulo de I/O

Sistema Básico con Microprocesador Los bloques constructivos del microcomputador son interconectados por grupos de líneas (una por cada bit a ser transferido) llamado un BUS. En la figura se muestra que los dispositivos de entrada/salida (I/O) comparten el mismo bus. Frecuentemente en los microcomputadores la memoria y los dispositivos I/O comparten el mismo bus.

Diagrama de bloques de microcomputador con Bus único

CPU - Z80

Circuito con Z80

Unidad Aritmética / lógica - ALU 40181

Unidad Aritmética / lógica - ALU 40181