Descargar archivo adjunto

DEPARTAMENTO DE ELECTRONICA
Introducción a los microprocesadores / microcontroladores
Capítulo 3
Arquitectura de procesadores.
Un Procesador más ambicioso.
Si quisiéramos ahora ampliar las posibilidades de operación del procesador
analizado en el capítulo 1, o sea tener mas instrucciones disponibles, lo que se
podría hacer sería agregar 1 bit mas para instrucciones con lo que lograríamos tener
disponibles el doble de las instrucciones con respecto a las anteriores o sea
pasaríamos a tener 8 instrucciones, pero este aumento en las instrucciones tendría
como contrapartida la disminución de 1 bit de datos que en muchos casos puede no
perjudicar tanto; cabe señalar que ahora la utilización de este procesador como
controlador de semáforos para un cruce de calles quedaría supeditado a casos muy
restringidos debido a que no se dispondrán de 6 salidas independientes sino
solamente de 5.
El circuito propuesto para este nuevo procesador se podría representar por:
Bus de Datos
Rst
P5 P4 P3 P2 P1 P0
Q0
Contador de
Pst
Programa
A0
Qn
An
Ck
1 Hz
Ck
Pst
Rst
Decodificador
de
Instrucciones
D0
D4
D5
D6
D7
REG
L A
eA
REG
L B
eB
+
A
L
U
P
P
P 3
2
P0 1
Le
Le
Le
Le
MUX
Bus de Instrucciones
LeA
LeB
Le P0..P4
Arquitectura de Microcontroladores Cap 3
Memoria
+
Electrónica Digital I
hoja 1 de 16
DEPARTAMENTO DE ELECTRONICA
Este circuito permite realizar la operación suma mediante el bloque que hemos
denominado ALU ( Unidad Aritmético Lógica ), aunque para nuestro caso alcanzaría
solamente con un circuito sumador. Se denominó con el término Bus de
Instrucciones a las líneas por las cuales circula la información correspondiente a los
bits D5 ... D7 , estos datos son tomados por el decodificador de instrucciones que
activará las distintas líneas de comando las cuales irán habilitando tanto sean las
que controlan al contador como las que habilitan los registros, puertos o la entrada +
de la ALU. Por el Bus de Datos circulará la información correspondiente a los datos
con los que este procesador operará, estos datos pueden ser de varios tipos, ya
sean los de la operación a realizar, los que correspondan a la dirección a la cual se
quiera producir un salto de programa, o al puerto por el cual se quiera mostrar el
resultado de la operación suma que sale de la ALU.
El decodificador de instrucciones cada vez que deba realizar la operación suma,
ejecutará distintas operaciones, primero habilitar el comando suma que realizará la
operación referida entre el Registro A y el Registro B, luego y dentro del mismo ciclo
de máquina se deberá accionar el latch enable LeA
para que el resultado de la
operación quede almacenado en el registro A al cual llamaremos acumulador. Como
puede observarse la operación suma engloba a varias sub-operaciones que se
realizan dentro del mismo ciclo de máquina; esto ocurrirá también con otro tipo de
instrucciones.
Como ahora se disponen de 3 bits para las instrucciones se podrán realizar 8
posibles operaciones diferentes con este procesador. Estas operaciones las
podemos sintetizar el el juego de instrucciones detallado a continuación.
Arquitectura de Microcontroladores Cap 3
Electrónica Digital I
hoja 2 de 16
DEPARTAMENTO DE ELECTRONICA
El nuevo “set” de instrucciones será:
D7
D6
D5
Abreviaturas
0
0
0
STOP
1
0
0
CONT
0
1
0
RST
1
1
0
JMP
0
0
1
CARGA A
1
0
1
CARGA B
0
1
1
SUMA AB
1
1
1
OUT
Operación que se realiza
El contador de programa se bloquea, deteniéndose la
ejecución del programa.
El contador de programa queda habilitado para
continuar ejecutando el programa
El contador de programa (PC) se resetea
reiniciándose la ejecución del programa.
El “ PC ” se presetea con el valor a donde saltará y
proseguirá con la ejecución del programa.
Se habilita el LeA para que el dato que acompaña a la
instrucción, sea cargado en el registro A.
Se habilita el LeB para que el dato que acompaña a la
instrucción, sea cargado en el registro B.
La ALU realiza la operación suma el registro A con el
registro B y carga el resultado en el registro A.
Se habilita el puerto P0 ... P3 correspondiente, por
dónde saldrá el valor del registro acumulador A.
Como se podrá observar, las cuatro primeras instrucciones son iguales a las del
procesador de 2 bits de instrucciones, por lo que si se pone el bit D5 en “0” un
programa hecho para funcionar con el procesador anterior puede utilizarse en este
procesador sin realizar ningún cambio en el programa, a esto se lo denomina
compatibilidad hacia atrás, por lo que los programas anteriores siguen manteniendo
su vigencia. Este caso se presentó por ejemplo al realizarse el cambio de las
computadoras personales PC XT (procesador de 8 bits ) a las PC AT ( procesador
de 16 bits ).
Arquitectura de Microcontroladores Cap 3
Electrónica Digital I
hoja 3 de 16
DEPARTAMENTO DE ELECTRONICA
Se mostrará el uso de este procesador con tres ejemplos:
El programa debe tener las instrucciones necesarias para que el procesador
•
realice la suma del número 2 con el número 3 y muestre el resultado por el puerto 1.
Para el desarrollo de este programa realizaremos primero un diagrama de flujos
que muestre el proceso a seguir, aunque para programas muy sencillos resulta muy
obvio.
C
A
2
B
3
A
A+B
P1
A
F
Las instrucciones de este programa podrían escribirse de la siguiente manera:
PC
00
01
02
03
04
05
D7
0
1
0
1
0
D6
0
0
1
1
0
D5
1
1
1
1
0
Arquitectura de Microcontroladores Cap 3
D4
0
0
X
0
X
D3
0
0
X
0
X
D2
0
0
X
0
X
D1
1
1
X
0
X
D0
0
1
X
1
X
Comentario
Carga A con el número 2
Carga B con el número 3
Suma A con B
“Sale” por puerto 1
Stop
Electrónica Digital I
hoja 4 de 16
DEPARTAMENTO DE ELECTRONICA
•
El siguiente programa muestra por el puerto 3 un contador que iniciándose en
0 se incremente de 1 en forma sucesiva.
El programa debería organizarse mediante el siguiente diagrama de flujos:
C
A
0
B
1
P3
A
A
A+B
Las instrucciones para este programa serían las siguientes:
PC
00
01
02
03
04
05
D7
0
1
1
0
1
D6
0
0
1
1
1
D5
1
1
1
1
0
Arquitectura de Microcontroladores Cap 3
D4
0
0
0
X
0
D3
0
0
0
X
0
D2
0
0
0
X
0
D1
0
0
1
X
1
D0
0
1
1
X
0
Comentario
Carga A con el número 0
Carga B con el número 1
“Sale” por puerto 3
Suma A con B
Salta a Dirección 02
Electrónica Digital I
hoja 5 de 16
DEPARTAMENTO DE ELECTRONICA
•
Programa que muestra por el puerto 2 un contador que iniciándose en 5 se
incremente de 3.
Para este caso podríamos basarnos en el programa anterior y sólo habría que
realizar muy pocos cambios para lograr el objetivo. Estos cambios corresponden al
valor inicial con que se quiere que inicie el contador, el valor de incremento para
cada estado distinto del contador y el puerto por el cual se quiere mostrar el
resultado del mismo. Ya que la estructura como puede imaginarse es exactamente
la misma a la del programa anterior, el programa actual quedará:
PC
00
01
02
03
04
05
D7
0
1
1
0
1
D6
0
0
1
1
1
D5
1
1
1
1
0
D4
0
0
0
X
0
D3
0
0
0
X
0
D2
1
0
0
X
0
D1
0
1
1
X
1
D0
1
1
0
X
0
Comentario
Carga A con el número 5
Carga B con el número 3
“Sale” por puerto 2
Suma A con B
Salta a Dirección 02
Suele ser engorroso recordar los códigos correspondientes a cada una de las
instrucciones, al realizar un programa para ser utilizado con los distintos
procesadores, para evitar esto, se desarrollaron “programas ensambladores” que
tienen la finalidad de traducir ( ensamblar ) un archivo de texto con instrucciones
cortas y sencillas de recordar (lenguaje nemotécnico), a los valores determinados de
unos y ceros que corresponden al código de cada instrucción (lenguaje de máquina).
Arquitectura de Microcontroladores Cap 3
Electrónica Digital I
hoja 6 de 16
DEPARTAMENTO DE ELECTRONICA
Suele utilizarse una forma organizada para escribir estos programas. Como se
dijo estos programas se realizan mediante un archivo de texto y constan de cuatro
columnas:
Etiquetas: Instrucción
Operando
; Comentario
• La primera corresponde a las llamadas etiquetas o labels (nombres de fantasía),
seguidos del símbolo “ : “ , estas etiquetas le indican al programa ensamblador,
informaciones tales como direcciones de memoria, valores de referencia, etc.
que serán reemplazados en el momento del ensamblado por el valor
correspondiente, y si es necesario, calcular dicho valor, por ejemplo la dirección
de memoria a donde se produciría un salto.
• La segunda corresponde a las instrucciones que estarán escritas por
abreviaturas o nombres cortos ( nemónico) que representan a estas
instrucciones, que luego serán traducidas al código de máquina correspondiente.
• La tercera a los operandos, Registros, direcciones, valores ,etc. con los cuales
las instrucciones realizarán los cálculos, transferencias, reemplazos, etc
necesarios para la operación .
• La cuarta a los comentarios que pueden o no escribirse, los cuales deben ir
precedidos con un “ ; “ .
Arquitectura de Microcontroladores Cap 3
Electrónica Digital I
hoja 7 de 16
DEPARTAMENTO DE ELECTRONICA
Veamos como quedaría escrito el programa anterior con este método de escritura,
utilizando el set de instrucciones dado anteriormente.
Etiquetas: Instrucción
PEPE:
Operando
ORG
0000
CARGA
CARGA
OUT
SUMA
JMP
A,#5
B,#3
#2
AB
PEPE
; Comentario
; Carga A con el número 5
; Carga B con el número 3
; Mostrar por puerto 2 el valor de A
; Suma A con B y lo guarda en A
; Salta a PEPE para repetir la operación
END
Al programa se le agregaron 2 líneas con respecto a la programación, estas
líneas son información que utiliza el Programa Ensamblador como referencia , la
primera línea le indica a partir de que dirección de memoria debe cargar el programa
( ORG 0000 ) y la última le indicará la terminación del programa ( END ).
Como puede observarse, resulta mucho más fácil escribir un programa utilizando
los nemónicos de las instrucciones, que el propio código de máquina debido a que
como el nombre lo indica ayudan a la memoria a reconocer la función de la
instrucción y no un simple código numérico el cual el más difícil de asociar.
Arquitectura de Microcontroladores Cap 3
Electrónica Digital I
hoja 8 de 16
DEPARTAMENTO DE ELECTRONICA
Supongamos ahora que se quiere realizar un programa para contar la cantidad
de alumnos aprobados en un curso.
Para realizar este programa será necesario tener información sobre el valor de
las notas del curso, en que lugar de memoria se encuentran ubicadas dichas notas y
la cantidad total de alumnos o dónde se encuentra ubicada la última nota a
considerar. El diagrama de flujos
C
Inicializar Cantidad
de Aprobados
Leer Dirección
inicial de Notas
Leer Nota
No
Aprobó
Si
Incrementar Cantidad
de aprobados
Incrementar Dirección
de Notas
No
Se Consideró
todo el curso
Si
Guardar Cantidad de
Aprobados
F
Arquitectura de Microcontroladores Cap 3
Electrónica Digital I
hoja 9 de 16
DEPARTAMENTO DE ELECTRONICA
El procesador que se necesitaría para realizar estas operaciones, debería
poseer mas instrucciones que el planteado anteriormente, pero si se sigue
aumentando la cantidad de instrucciones en base a aumentar el número de bits
correspondiente a las mismas, se deberá disminuir la cantidad de bits
correspondientes a los datos por lo que el valor del dato máximo que podría manejar
este nuevo procesador sería menor o igual a la mitad del número máximo actual
que es el 31, debido a que se dispone de 5 bits para los datos.
Teniendo en cuenta que el decodificador de instrucciones tiene la propiedad de
realizar varios pasos para cada instrucción, debido a que por cada ciclo de máquina
hay varios pulsos de clock, se podría pensar en escribir las instrucciones en una
dirección de memoria y el dato asociado a ella en la dirección siguiente, con lo que
se lograría trabajar con valores desde 0 a 255 pues se dispondrían de los 8 bits para
dichos datos; pero esto no ocurriría en todos los casos, pues habría instrucciones
que no requerirían de un dato asociado o también podría darse el caso de querer
direccionar una memoria externa con una cantidad total de datos mucho mayor a los
256 datos que se pueden direccionar con los 8 bits originales, pero se podría utilizar
por ejemplo un número formado por dos datos ubicados en direcciones sucesivas
por lo que se llegaría a un valor de 65536 datos distintos; en este caso la instrucción
asociada con este dato debería ser tomada por el decodificador de instrucciones y
este saber que los datos escritos en las dos direcciones siguientes del programa no
corresponderán a instrucciones sino al dato de 16 bits que se quiere manejar.
Para realizar esto se propone el siguiente circuito:
Arquitectura de Microcontroladores Cap 3
Electrónica Digital I
hoja 10 de 16
DEPARTAMENTO DE ELECTRONICA
Bus de Instrucciones y de Datos
P7
P0
Contador de
Programa
Q0
A0
Qn
An
Ck Pst Rst
Memoria
D0
D7
X Hz
REG
A
Le
REG
TMP
Le
Decodificador
de
Instrucciones
A
L
U
-+
N
Z
P
P
P 3
2
P0 1
Le
Le
Le
Le
BAN
CO
REG
Bus de Control
Este diagrama presenta algunos cambios con respecto al diagrama anterior, el
registro B se cambió por un registro temporal y se agregó un banco de registros que
incluye al registro B y también a un grupo de registros que será utilizado por el
procesador para realizar algunas operaciones en forma directa: la ALU puede
realizar operaciones de suma, resta, operaciones lógicas, y devolver información
referida a si el resultado de la operación es 0 o negativo.
También se puede observar que el bus de datos es el mismo que el bus de
instrucciones, por lo que puede inferirse que en la memoria estarán escritas las
instrucciones y los datos alternadas de manera conveniente para que el
decodificador de instrucciones las interprete correctamente.
Además se muestra un nuevo Bus denominado Bus de Control y es el
encargado de llevar todas las señales de control que manejarán los distintos
elementos que constituyen este procesador ya sean los puertos, los registros, la
ALU, el contador. etc.
También podría eliminarse el registro temporal asociado a la ALU ya que el dato
a procesar por la misma podría tomarse desde cualquier registro del banco u un dato
propiamente dicho escrito en el programa que está almacenado en la memoria. Y
para generalizar aún más el diagrama se podrían unificar los buses de datos e
Arquitectura de Microcontroladores Cap 3
Electrónica Digital I
hoja 11 de 16
DEPARTAMENTO DE ELECTRONICA
instrucciones con el bus de control ya que el decodificador de instrucciones es una
unidad que controlaría las operaciones que sean necesarias para procesar una
determinada instrucción considerando lo que es instrucción, lo que es dato y lo que
son las acciones de control.
La arquitectura que tiene este procesador recibe el nombre de Arquitectura von
Neumann. Es una arquitectura fundamentalmente secuencial con las siguientes
características básicas:
•
Las operaciones se realizan en forma secuencial.
•
Unicidad del microprocesador.
•
Procesamiento de las instrucciones y los datos en forma conjunta.
•
Todo el programa está almacenado en una memoria.
La arquitectura von Neumann caracteriza a las arquitecturas de computadoras
que utilizan una única memoria para almacenar las instrucciones y los datos, no
ocurre así en los procesadores con “arquitectura Harvard” que poseen memorias
separadas.
Los ordenadores con arquitectura Von Neumann constan de cinco partes:
•
La ALU, (unidad aritmético-lógica).
•
La unidad de control, (decodificador de instrucciones).
•
La memoria.
•
Dispositivos de entrada/salida.
•
BUS de datos (datos instrucciones y control), proporciona un medio de
transporte de los datos entre las distintas partes.
La ejecución de un programa en un procesador con arquitectura von Neumann,
está basada en los siguientes pasos realizados en forma secuencial:
Arquitectura de Microcontroladores Cap 3
Electrónica Digital I
hoja 12 de 16
DEPARTAMENTO DE ELECTRONICA
1. Obtener la próxima instrucción desde la memoria, en la dirección
apuntada por el contador de programa y
guardarla en el registro de
instrucción.
2. Incrementar el contador de programa en la “longitud” de la instrucción
para apuntar a la siguiente, recordar que hay instrucciones que poseen
datos asociados escritos en las direcciones de memoria sucesivas y otras
que no.
3. Descodificar la instrucción mediante la unidad de control. Ésta tiene el
propósito de organizar las operaciones con el resto de componentes del
procesador para realizar una acción específica.
4. Al ejecutar una instrucción, ésta si es necesario, puede cambiar el valor
del contador del programa, permitiendo así operaciones repetitivas. El
contador puede cambiar también cuando se cumpla una cierta condición
aritmética, haciendo que el ordenador pueda 'tomar decisiones', que
pueden alcanzar cualquier grado de complejidad, mediante la aritmética y
lógica anteriores.
5. Vuelve al paso 1.
La mayoría de los procesadores están basados en esta arquitectura, aunque
pueden incluir otros dispositivos adicionales, (por ejemplo, para gestionar las
interrupciones de dispositivos externos como ratón, teclado, etc), una interrupción es
una acción que realiza el procesador dependiendo, no de una instrucción u
operación lógica, sino de una detención del programa para atender a una operación
por hardware o de un reloj externo, etc. Al recibir una petición de interrupción, las
acciones que se realizan, pueden sintetizarse en los siguientes pasos:
1. Terminar de ejecutar la instrucción en curso.
2. Guardar en una memoria tipo pila la dirección de memoria siguiente a la
instrucción en curso, para ser utilizada al retornar de la interrupción.
3. Saltar a la dirección de memoria asignada por el fabricante del procesador
para la interrupción.
Arquitectura de Microcontroladores Cap 3
Electrónica Digital I
hoja 13 de 16
DEPARTAMENTO DE ELECTRONICA
4. Ejecutar las instrucciones que el programador destinó para esta
interrupción a partir de la dirección de memoria asignada o realizar un
salto a otra zona de memoria libre donde se encontrarán escritas estas
instrucciones.
5. Al terminar de ejecutar las instrucciones correspondientes a la
interrupción, se debe sacar de la memoria pila la dirección de la próxima
instrucción para cargarla en el contador de programa, dicha instrucción es
la que correspondía ejecutar al momento de producirse la interrupción,
por lo que se proseguirá con la ejecución normal del programa.
Tradicionalmente los microprocesadores se basan como se dijo, en la estructura
de Von Neumann, que se caracteriza por disponer de una única memoria principal
en la que se almacenan los datos y las instrucciones. A esta memoria se accede a
través de un sistema de buses único:
•
Bus de datos
•
Bus de direcciones
•
Bus de control
En cambio el modelo basado en la arquitectura Harvard, dispone de dos
memorias:
•
•
Memoria de datos
Memoria de Programa
Además cada memoria dispone de su respectivo bus, lo que permite, que la
CPU pueda acceder de forma independiente y simultánea a la memoria de datos y a
la de instrucciones. Como los buses son independientes éstos pueden tener distintos
contenidos en la misma dirección .
Arquitectura de Microcontroladores Cap 3
Electrónica Digital I
hoja 14 de 16
DEPARTAMENTO DE ELECTRONICA
El término Arquitectura Harvard originalmente se refería a las arquitecturas de
computadoras que utilizaban dispositivos de almacenamiento físicamente separados
para las instrucciones y para los datos (en oposición a la Arquitectura von
Neumann). El término proviene de la computadora Harvard Mark I, que almacenaba
las instrucciones en cintas perforadas y los datos en interruptores.
Todas las computadoras constan principalmente de dos partes, la CPU que
procesa los datos, y la memoria que guarda los datos. Cuando hablamos de
memoria manejamos dos parámetros, los datos en sí, y el lugar donde se
encuentran almacenados (o dirección). Los dos son importantes para la CPU, pues
muchas instrucciones frecuentes se traducen a algo así como "toma los datos de
ésta dirección y añádelos a los datos de ésta otra dirección" , sin saber en realidad
qué es lo que contienen los datos.
En los últimos años la velocidad de las CPUs ha aumentado mucho en
comparación a la de las memorias con las que trabaja, así que se debe poner mucha
atención en reducir el número de veces que se accede a ella para mantener el
rendimiento. Si, por ejemplo, cada instrucción ejecutada en la CPU requiere un
acceso a la memoria, no se gana nada incrementando la velocidad de la CPU - este
problema es conocido como 'limitación de memoria'.
Se puede fabricar memoria mucho más rápida, pero a costa de un precio muy
alto. La solución, por tanto, es proporcionar una pequeña cantidad de memoria muy
rápida conocida con el nombre de caché. Mientras los datos que necesita el
procesador estén en la caché, el rendimiento será mucho mayor que si la caché
tiene que obtener primero los datos de la memoria principal. La optimización de la
caché es un tema muy importante de cara al diseño de computadoras.
La arquitectura Harvard ofrece una solución particular a este problema. Las
instrucciones y los datos se almacenan en cachés separadas para mejorar el
rendimiento. Por otro lado, tiene el inconveniente de tener que dividir la cantidad de
caché entre los dos, por lo que funciona mejor sólo cuando la frecuencia de lectura
Arquitectura de Microcontroladores Cap 3
Electrónica Digital I
hoja 15 de 16
DEPARTAMENTO DE ELECTRONICA
de instrucciones y de datos es aproximadamente la misma. Esta arquitectura suele
utilizarse en DSP, o Procesador de Señales Digitales, usados habitualmente en
productos para procesamiento de audio y video como así también en distintos
electrodomésticos.
Arquitectura de Microcontroladores Cap 3
Electrónica Digital I
hoja 16 de 16