Microcontroladores

Unidad I. Arquitectura de computadoras

Facultad de Ingeniería/Campus Mexicali

Ing. Oscar Alonso Rosete Beas

Sesion 4 Rev:2 ciclo 2020-1

Microcontroladores

Sesión Previa

• Sistema embebido

• Computadora

• Arquitectura von neumann

• Procesador

• Microprocesador

Agenda

1.1. Introducción a los sistemas embebidos
1.2.Conceptos básicos de arquitectura de computadoras
1.3. Procesador

Unidad I. Arquitectura de computadoras

Equipos

• Equipo 1: Javier Aguilar, Damian Romero , Heraclio Avila y Hector Olguin.

• Equipo 2: Juan Silva, Pedro Martinez, Daniel Luna, Luis Camacho

• Equipo 3: Gerardo Macedo, Adrian Lopez, Jaime Virrey

• Equipo 4: Vania Cabuto, Ricardo Garcia, Luis Manuel Torres

• Equipo 5: Fracisco Bejarano, Eva Real, Gabriel Trigo

Unidad I: Arquitectura de computadoras

1.1. Introducción a los sistemas embebidos
1.2.Conceptos básicos de arquitectura de computadoras
1.3. Procesador
1.4. Memoria
1.5. Periféricos de entrada Salida
1.6. Arquitectura de microcontroladores

1.2.Conceptos básicos de arquitectura de computadoras

Como ingenieros.....creamos

Describir en equipos de laboratorio 1 aplicación documentada y 1 no documentada (propuesta por ustedes) de un microcontrolador o 1 sistema embebido en :

• Industria

• Casa habitación/sociedad en general.

En una presentación deberá describir la problemática a resolver, con que dispositivos sera resuelto, clasificar el dispositivo central como microcontrolador o sistema embebido y justificar la selección de su dispositivo. Subir a blackboard.

La extensión mínima sera de 1 diapositiva por aplicación.

Arquitectura von neumann

​

Generalmente tienen:

• Memoria caché
• Bus del Sistema
• Controlador de memoria
• Bus de I/O

Cada sistema es distinto, pero tienen elementos similares

Debe de tener:

• Procesador, memoria

• Interacción con medio externo (I/O)

Arquitectura Harvard vs Von Neumann (Programa almacenado)

La arquitectura Harvard utiliza una memoria separada para datos y para el programa con direcciones y buses independientes. Von Neumann utiliza la misma memoria.

• Microchip PIC family uses Harvard architecture
• Motorolla 68HC11 uses Von Neumann (Princeton)

Harvard

Von Neumann

1.2.Conceptos básicos de arquitectura de computadoras

Procesador

Es el componente más importante de una computadora, ya que todo lo demás se encuentra centrado en el. En esencia, el procesador es la sección que hace el cómputo.

Es un dispositivo capaz de manipular información de acuerdo a una secuencia de instrucciones. Estas instrucciones se denomina código máquina, las cuales pueden ser modificadas para adecuarse a la aplicación(son programables), una secuencia de instrucciones se denomina programa.

1.2.Conceptos básicos de arquitectura de computadoras

Microprocesador

Un microprocesador incorpora las funciones de una unidad de procesamiento central (CPU/ procesador) en un circuito integrado.

Con excepción de las “supercomputadoras”, casi la totalidad de los procesadores modernos son microprocesadores, por lo que los términos son utilizados de manera intercambiable.

1.2.Conceptos básicos de arquitectura de computadoras

Microprocesador

De manera análoga a una caja musical (se hace una secuencia de giros y se produce música) en un microprocesador se le envía una serie de patrones de bits y estas activan o desactivan partes del núcleo de procesamiento (puede ejecutar adiciones, guardar un byte en memoria)

Cada procesador tiene una serie de instrucciones específico.

1.2.Conceptos básicos de arquitectura de computadoras

Microprocesador

Microprocesadores utilizados  en la actualidad son las series Intel Pentium, Freescale/IBM PowerPC, MIPS, ARM y SPARC entre otros.

También se les llaman CPU.

1.2.Conceptos básicos de arquitectura de computadoras

Elementos que componen un microprocesador

Pueden diferir ampliamente en sus diseños, sin embargo de acuerdo al modelo Von Neumann, el ciclo se implementa a través de la combinación de los siguientes 4 componentes:

• Buses internos de CPU: interconecta ALU, registros y CU.
• ALU (unidad aritmético lógica): Implementa las operaciones ISA.
• Registros: un tipo de memoria rápida
• CU (unidad de control): administra el ciclo de obtención y ejecución.

1.2.Conceptos básicos de arquitectura de computadoras

Buses internos de cpu

Un bus es un grupo físico de líneas de señal que tiene relacionada una función. Buses permiten la transferencia de señales eléctricas entre distintas partes.

-John Catsoulis-Designing Embedded Hardware(2005, O'Reilly Media)
 

Los buses internos de un CPU son mecanismos que interconectan sus componentes internos (ALU, CU y registros).

-Tammy Noergaard (Eds.) - Embedded Systems Architecture. A Comprehensive Guide for Engineers and Programmers (2013, Newnes)

1.2.Conceptos básicos de arquitectura de computadoras

Ancho de bus

El ancho de bus es el número de líneas de señal dedicadas para transferencia de información. Un bus de 8 bits transfiere 8 bits de datos en paralelo. 

Buses internos de cpu

La mayoría de los microprocesadores disponibles hoy utilizan la arquitectura de sistema denominada three-bus. Estos tres buses son bus de direcciones, bus de información y bus de control.

John Catsoulis-Designing Embedded Hardware(2005, O'Reilly Media)

Three bus architecture

Bus de información

Transportan información bidireccionalmente, entre registros y ALU.

Bus de direcciones

Transporta la ubicación de los registros que contienen información que debe ser transferida.

Bus de control

Transporta información de señales de control, tales como temporizador y señales de control entre registros, ALU y CU.

1.2.Conceptos básicos de arquitectura de computadoras

ALU

Implementa operaciones de comparación, logica y operaciones matemáticas definidas por ISA.

ISA Architecture Models

An instruction set architecture (ISA) is an abstract model of a computer. It is also referred to as architecture or computer architecture.

Architectural complexity classification: CISC and RISC.

1.2.Conceptos básicos de arquitectura de computadoras

ISA Architecture Models

The ISA defines the operations that can be used by programmers to create programs for that architecture, the operands (data) that are accepted and processed by an architecture, storage, addressing modes used to gain access to and process operands, and the handling of interrupts.

-Tammy Noergaard (Eds.) - Embedded Systems Architecture. A Comprehensive Guide for Engineers and Programmers (2013, Newnes)

1.2.Conceptos básicos de arquitectura de computadoras

ALU (Arithmetic Logic Unit)

Es un circuito lógico combinatorio que puede tener una o más entradas y solamente una salida. La salida del ALU es dependiente de las entradas aplicadas en ese instante, y no de condiciones pasadas. Conformado por compuertas lógicas, medio sumador y como bloque de construcción más básico sumador completo.

-Tammy Noergaard (Eds.) - Embedded Systems Architecture. A Comprehensive Guide for Engineers and Programmers (2013, Newnes)

1.2.Conceptos básicos de arquitectura de computadoras

Circuitos lógicos combinatorios

Cuando compuertas lógicas se conectan para producir una salida específica para cierta combinación de variables de entrada, sin almacenamiento de información, el circuito resultante es combinatorio. Las variables de salida son dependientes en todo momento de la combinación de variables de entrada.

-Digital Logic Circuits. A.P.Godse, D.A.Godse

1.2.Conceptos básicos de arquitectura de computadoras

ALU son multifunción

Provee operaciones de adición, así como otras operaciones  lógicas y matemáticas, diseñado a partir de la circuiteria sumadora y circuiteria adicional incorporada para realizar sustracciones (complemento a dos), AND lógico, OR lógico, entre otras.

La ubicación donde es guardado a la información obtenida por el ALU varía dependiendo de la arquitectura. En la PowerPC se guarda en un registro denominado acumulador. También pueden ser guardados en memoria (una stack u otro lugar) o una combinación híbrida de estas ubicaciones.

1.2.Conceptos básicos de arquitectura de computadoras

Las 8 operaciones básicas ALU

• Suma
• Suma con acarreo
• Resta
• Resta con prestamo
• Negación
• Incremento
• Decremento
• Traspaso de bits (Pass through)

-Sistemas digitales: principios y aplicaciones. Ronald J. Tocci, Neal S. Widmer

Actividad individual

a) En base al siguiente video, la información vista en clase describir que es un ALU y una investigación de bases de datos confiables

b) Realizar mapa conceptual del ALU.

El mapa conceptual mejor elaborado contará con 3 décimas en el examen.

Actividad en equipos

1.2.Conceptos básicos de arquitectura de computadoras

Primer Tarea

Historia de los microprocesadores
Investigue la evolución de los microprocesadores, y las características de cada modelo listado (velocidades, construccion, nivel de integración etc.) así como las características generales de cada generación.
Entrega bajo criterios de evaluación estipulados en blackboard (1 semana)