2.5 Microprocesadores

2.5 Microprocesadores

El primer microprocesador (μP) integrado nació en 1971 de la mano de la Intel
y se llamó 4004. Este microprocesador no era de propósito general, como los
actuales, sino que se diseñó para ser el cerebro de una calculadora. Disponía
de un bus de datos de sólo 4 bits y únicamente podía gestionar 4,5 bytes de
memoria externa y contaba con un juego de 45 instrucciones. Un año más
tarde Intel lanzó el 8008, que con su bus de datos de 8 bits, constaba de un
juego de 66 instrucciones y podía gestionar hasta 16 KB de memoria. Dos años
después aparece el 8080, que puede ser considerado el primer μP serio.
Contaba con un bus de datos de 8 bits y un bus de direcciones de 16 bits, con
lo que era capaz de gestionar hasta 64 KB, un valor muy elevado para la
época. Su juego de instrucciones contaba con 111 instrucciones lo que hacía
que este μP se considerase de propósito general y no para aplicaciones
concretas como los anteriores.
En la siguiente tabla se citan los primeros microprocesadores y algunas
de sus características.

Llegaron los 16 Bits.
Hasta 1978 no aparecieron los primeros μP con buses de datos de 16 bits. Los
primeros micros de 16 bits que aparecieron fueron el 8086 de Intel y el Z8000
de Zilog. También existieron otras empresas con nuevos micros de 16 bits,
como National, Texas Instruments y Motorola con su 68000. De entre todos los
microprocesadores de 16 bits, los que más populares se hicieron fueron los
i8086 y los M68000. Los primeros dieron lugar a los populares PC y los
segundos fueron utilizados por ordenadores que también fueron muy conocidos
o los Atari y los Apple, como el Macintosh.
Entre las principales características de los μP de 16 bits,cuentan su bus de datos de 16 bits, un
mayor número de líneas en el bus de Ilustración 2.1. 80286
direcciones, 20 líneas el i8086 (1MB) y 24 líneas los M68000 (16 MB). El i8086
estaba constituido por 29.000 transistores y trabajaba a una frecuencia de 4,7
MHz alimentándose a 5 voltios. Dado que en esa época casi todos los
dispositivos periféricos trabajaban con buses de datos de 8bits, Intel desarrolló
en 1979 el i8088 que internamente era una copia del i8086 trabajando con un
bus interno de 16 bits, pero en el exterior sólo presentaba ocho líneas de datos,
lo que le permitía compatibilidad total con todos los dispositivos periféricos de 8
bits.
 La familia i80XXX de Intel.
Poco a poco fueron apareciendo nuevos microprocesadores de Intel con
nuevas características y mejoras de las que ya tenían. En la siguiente tabla se
especifican algunas de las mejoras desarrolladas en los microprocesadores de
Intel anteriores al Pentium que se estudiará con mas detalle posteriormente:

 Cisc y Risc.
Una de las premisas que siempre han tenido los fabricantes de
microprocesadores a la hora de crear sus productos ha sido que el juego de
instrucciones facilite al máximo la tarea de los programadores, y por eso, se
comenzaron a fabricar microprocesadores con un amplio juego de
instrucciones, algunas de ellas bastante complejas y con varios operandos.
Este Juego de instrucciones CISC (Complicated Instruction Set Computing) o
complicado juego de instrucciones, permitía a los programadores realizar
menos código en sus programas, pero a cambio, cada instrucción necesitaba
de varios ciclos de reloj para ejecutarse y tanto la decodificación como la
secuenciación eran complicadas, de ahí que, en aplicaciones que necesitaran
mucha velocidad de ejecución no fueran efectivos. Por este motivo, los
fabricantes de microprocesadores se replantearon la filosofía del juego de
instrucciones, creando la nueva estructura RISC (Reduced Instruction Set
Computing) o reducido juego de instrucciones, basada en los siguientes
criterios de funcionamiento:
• Cada instrucción se ejecuta en un solo ciclo de Reloj.
• Juego de instrucciones reducido.
• El formato de las instrucciones es sencillo e igual para todas las
instrucciones. Esto facilita considerablemente el diseño de la unidad
de control.
• Decodificadores y secuenciadores sencillos.
• Sólo se accede a la memoria externa para recoger o depositar datos,
el resto se realiza con los registros internos.
• Las operaciones más complejas se generan a partir de algoritmos,
por ejemplo, la multiplicación de dos números es una instrucción que
no implementan, pero los ordenadores son capaces de multiplicar
utilizando el algoritmo de sumar el multiplicando tantas veces como
indique el multiplicador.
La ventaja de un procesador RISC es la sencillez de la circuitería, que
permite que la ejecución de una instrucción sea mucho más rápida que en un
CISC.
 Otras Características.
Antes de continuar con los microprocesadores actuales, aclararemos algunas
características de los μP que ya han aparecido anteriormente e incluiremos
algunas nuevas que se verán más adelante.
 Bus de datos.
El bus de datos representa al dato más grande que es capaz de procesar el μP
en una sola operación. En realidad no es el bus de datos quien determina esta
capacidad, sino el tamaño de los registros internos del μP. Lo que sucede es
que internamente el bus de datos tiene el mismo número de líneas que el
registro mayor de datos, sin embargo, en el exterior el bus de datos puede ser
mayor o menor que dicho bus. Los microprocesadores actuales, duplican
(dual-pumped) e incluso cuadruplican (quad-pumped) el número de líneas de
datos en el exterior para poder manejar los módulos de memoria con mayor
rango de datos admitidos. Por ejemplo, un Pentium IV utiliza unos registros y
buses de datos internos de 32 bits, sin embargo, su bus de datos externo es de
128 bits que está preparado para ser utilizado con las memorias DDR actuales
(se estudiarán en el tema 3) que son de 128 bits. Así las cosas, cada vez que
escribe un dato en memoria, realmente está escribiendo cuatro datos internos
del μP y cuando lee un dato de la memoria, realmente está leyendo cuatro
datos. De este modo se duplica o cuadruplica la velocidad real del bus de datos
hablándose de los buses 2X (dual-pumped) y 4X (quad-pumped). Un
microprocesador con un bus de datos de 200 MHz reales y 128 bits tendrá una
velocidad efectiva de 800 MHz.
Por tanto, cuando se dice que un micro tiene un bus de datos de 32 bits,
se refiere a que su bus de datos internos es de 32 bits, independientemente del
tamaño del bus externo de datos. De este modo, un micro de 8 bits es capaz
de trabajar con números que van del 0 al 255, es decir, 256 números o lo que
es lo mismo 28. Un μP de 16 bits manejará números entre el 0 y el 65535 y uno
de 32 dispondrá de 4.294.967.296 números, que ya es un valor muy
considerable. Actualmente se fabrican microprocesadores con buses de 64
Bits.

Microcontroladores Microchip

Otra familia de microprocesadores de 8 bits muy empleada es la de Microchip. Usan el termino PIC (Peripheal Interfase Controller) para designar a sus microcontroladores de un solo chip.

Esos utilizan la arquitectura Harvard: con ella las instrucciones son enviadas desde la memoria del programa utilizando buses distintos a los empleados para las variables de acceso

Las características básicas del microcontrolador 16C74 y otros microcontroladores son:

1.    Puertos de entrada/salida

2.    Entradas analógicas

3.    Temporizadores

4.    Entrada/salida serial

5.    Puerto paralelo esclavo

6.    Entrada de cristal

7.    Borrador maestro

Selección de un microcontrolador

Al elegir un microcontrolador se deben considerar los siguientes factores:

1.    Numero de terminales de entrada/salida

2.    Interfaces necesarias

3.    Necesidades de memoria

4.    Cantidad de interrupciones necesarias

5.    Velocidad de procesamiento requerida

Sistemas de medición de temperaturas

El sensor de temperatura da un voltaje proporcional a la temperatura. La salida del sensor de temperatura se conecta a la línea de entrada del ADC del microcontrolador. Este se programa para convertir la temperatura en una salida BCD con la que se conmutan los elementos de un display de dos dígitos de siete elementos.

Como la temperatura puede fluctuar, es necesario utilizar un registro de memoria para guardar los datos suficiente tiempo para permitir su lectura en el display. El registro de almacenamiento, es un flip-flop octal tipo D que se reinicia durante el siguiente flanco de elevación positiva de la entrada de reloj del microcontrolador

Lavadora Domestica

Las señales de los sensores de la temperatura del agua y de la velocidad del motor

Entran a través del puerto de entrada analógico a digital. El puerto A proporciona las

Salidas de los diversos actuadores que se usan para controlar la

maquina y también la entrada del interruptor del nivel del agua. En el puerto B se

Encuentran las salidas para el display. El puerto C produce las señales de salida para

El display y también recibe las señales de entrada del teclado que se usa para

Ingresar en la maquina las diversas selecciones del programa

Programación

Un método común para diseñar programas es el siguiente:

1.    Definir el programa

2.    Definir el algoritmo

3.    Hacer un diagrama de flujo

4.    Traducir el diagrama de flujo/algoritmo a instrucciones que el microprocesador pueda ejecutar

5.    Probar y depurar el programa

Seudocódigo

El seudocódigo se parece a dibujar un diagrama de flujo e implica escribir un programa como una secuencia de funciones u operaciones con el elemento de decisión IF-THEN-ELSE y el elemento de repetición WHILE-DO