Procesador de 8 bits

Introducción

Procesador

El procesador (CPU, por Central Processing Unit o Unidad Central de Procesamiento), es por decirlo de alguna manera,el cerebro del ordenador. Permite el procesamiento de información numérica, es decir, información ingresada en formatobinario, así como la ejecución de instrucciones almacenadas en la memoria.

Es un circuito electrónico que funciona a la velocidad de un reloj interno, gracias a un cristal de cuarzo que, sometido auna corriente eléctrica, envía pulsos, denominados "picos". La velocidad de reloj (también denominada ciclo),corresponde al número de pulsos por segundo, expresados en Hertz (Hz). De este modo, un ordenador de 200 MHzposee un reloj que envía 200.000.000 pulsos por segundo. Por lo general, la frecuencia de reloj es un múltiplo de lafrecuencia del sistema (FSB, Front-Side Bus o Bus de la Parte Frontal), es decir, un múltiplo de la frecuencia de la placamadre.

Con cada pico de reloj, el procesador ejecuta una acción que corresponde a su vez a una instrucción o bien a una parte deella. La medida CPI (Cycles Per Instruction o Ciclos por Instrucción) representa el número promedio de ciclos de relojnecesarios para que el microprocesador ejecute una instrucción. En consecuencia, la potencia del microprocesador puedecaracterizarse por el número de instrucciones por segundo que es capaz de procesar. Los MIPS (millions of instructionsper second o millones de instrucciones por segundo) son las unidades que se utilizan, y corresponden a la frecuencia delprocesador dividida por el número de CPI.

Esta conformado por un conjunto de circuitos electrónicos altamente integrado para cálculo y control computacional, esutilizado como Unidad Central de Proceso en un sistema microordenador y en otros dispositivos electrónicos complejoscomo cámaras fotográficas , impresoras, etc. y como añadido en pequeños aparatos extraíbles de otro aparato máscomplejo como por ejemplo: equipos musicales de automóviles, etc.

El primer microprocesador (Intel 4004) se inventó en 1971. Era un dispositivo de cálculo de 4 bits, con una velocidad de108 kHz. Desde entonces, la potencia de los microprocesadores ha aumentado de manera exponencial.Los procesadores modernos están integrados por millones de transistores y otros componentes empaquetados en unacápsula cuyo tamaño varía según su las necesidades de las aplicaciones a las que van dirigidas, y que van actualmentedesde el tamaño de un grano de lenteja hasta el de casi una galleta. Las partes lógicas que componen un procesador son,entre otras: unidad aritmético-lógica, registros de almacenamiento, unidad de control, Unidad de ejecución, memoriacaché y buses de datos control y dirección.

Procesador de 8 Bits

En arquitectura de computadoras, 8 bits es un adjetivo usado para describir enteros, direcciones de memoria u otrasunidades de datos que comprenden hasta 8 bits (1 octeto) de ancho, o para referirse a una arquitectura de CPU y ALUbasadas en registros, bus de direcciones o bus de datos de ese ancho.

Las CPU de 8 bits normalmente usan un bus de datos de 8 bits y un bus de direcciones de 16 bits lo que causa que sumemoria direccionable esté limitada a 64 kilobytes; sin embargo esto no es una "ley natural", ya que existenexcepciones.

El primer microprocesador de 8 bits ampliamente utilizado es el Intel 8080, que se usó en computadores de aficionados afinales de los años 1970 y principio de los años 1980, muchos corriendo el sistema operativo CP/M. En el sistemabinario, hay 28 (256) posibles permutaciones para 8 bits.

Definiciones:

ALULa unidad central de proceso UCP es el verdadero cerebro de la computadora; su misión consiste en coordinar ycontrolar o realizar todas Las operaciones del sistema. Se compone de elementos cuya naturaleza es exclusivamenteelectrónica (circuitos). Es el verdadero cerebro de la computadora; su misión consiste en coordinar y controlar o realizartodas Las operaciones del sistema. Se compone de elementos cuya naturaleza es exclusivamente electrónica (circuitos).Sus partes principales son Las siguientes:El Procesador (P). Que a su vez se compone de:

� La unidad de control (UC).� La unidad aritmético – lógica (UAL).� La Memoria Central (MC).� La unidad central de proceso también incorpora un cierto número de registros rápidos (pequeñas unidades de

memoria) de propósito especial, que son utilizados internamente por la misma.

Unidad de control (UC)La unidad de control (UC) es el centro nervioso de la computadora; desde ella se controla y gobiernan todas lasoperaciones (búsqueda, decodificación, y ejecución de la instrucción). Para realizar su función, consta de los siguienteselementos:

� Registro de contador de programas (CP)� Registro de Instrucciones (RI)� Decodificador (D)� Reloj (R)� Generador de Señales o Secuenciador (S)

Registro de contador de programas (CP).También denominado registro de control de Secuencia (RCS), contiene permanentemente la dirección de memoria de lapróxima instrucción a ejecutar. Si la instrucción que se está ejecutando en un instante determinado es de salto o deruptura de secuencia, el RCS tomará la dirección de la instrucción que se tenga que ejecutar a continuación; estadirección la extraerá de la propia instrucción en curso. El primer paso para la ejecución de una instrucción, consiste en ir a buscarla en memoria, el CP indica cual es ladirección de memoria donde se halla esa instrucción. Una vez obtenida y antes de continuar con los siguientes pasos unaseñal de control incrementa el CP en una unidad, por lo cual los programas deben estar escritos (cargados) en posicionesconsecutivas de memoria. El CP pasa la dirección al Registro de Direcciones

Registro de Direcciones (RD). Contiene la dirección de memoria donde se encuentra la próxima instrucción y esta comunicado con el Bus deDirecciones. El tamaño de este registro determina el tamaño de la memoria que puede direccionar. Con la dirección dememoria, se transfiere a través el Bus de Datos desde la memoria central al Registro de Datos en la UC la instruccióncorrespondiente. Esta transferencia se realiza mediante señales de control. Una vez que la instrucción se encuentra en laUCP, el código de la instrucción pasa al registro de instrucciones.

Registro de Instrucciones (RI).Contiene la instrucción que se está ejecutando en cada momento. Esta instrucción llevará consigo el código de operación(CO), acción de que se trata, y en su caso los operandos o las direcciones de memoria de los mismos. Pasa el CO aldecodificador.

Decodificador (D). Se encarga de extraer y analizar el código de operación de la instrucción en curso (que está en el RI) y dar las señalesnecesarias al resto de los elementos para su ejecución por medio del Generador de Señales.

Generador de Señales(GS). En este dispositivo se generan órdenes muy elementales (microórdenes) que, sincronizadas por los impulsos del reloj,hacen que se vaya ejecutando poco a poco la instrucción que está cargada en el RI.

Reloj (R).Proporciona una sucesión de impulsos eléctricos a intervalos constantes (frecuencia constante), que marcan los instantesen que han de comenzar los distintos pasos de que consta cada instrucción.

Unidad aritmético–lógica (UAL)Esta unidad es la encargada de realizar las operaciones elementales de tipo aritmético (generalmente sumas o restas) y detipo lógico (generalmente comparaciones). Para realizar su función, consta de los siguientes elementos:

� Banco de registros (BR). Está constituido por 8, 16 ó 32 registros de tipo general que sirven para situar datesantes de cada operación, para almacenar datos intermedios en las operaciones y para operaciones internas delprocesador.

� Circuitos operadores (CIROP). Compuesto de uno o varios circuitos electrónicos que realizan operacioneselementales aritméticas y lógicas (sumador, complementador, desplazador, etc).

� Registro de resultado (RR). Se trata de un registro especial, en el que se depositan los resultados que producenlos circuitos operadores.

� Señalizadores de estado (SE). Registro con un conjunto de biestables en los que se deja constancia de algunascondiciones que se dieron en la última operación realizada.

La memoria central (MC)

Es la parte de la unidad central de proceso de una computadora donde están almacenadas las instrucciones y los datosnecesarios para que un determinado proceso pueda ser realizado.La memoria central está constituida por una multitud de celdas o posiciones de memoria, numeradas de formaconsecutiva, capaces de retener, mientras la computadora esté conectada, la información necesaria.Por otra parte, es una memoria de acceso directo, es decir, puede accederse a una de sus celdas conociendo su posición.Para esta memoria el tiempo de acceso es más corto que para Las memorias auxiliares, por tanto, los datos que manejanlos procesos deben residir en ella en el momento de su ejecución.Es importante no confundir los términos celda o posición de memoria con el de palabra de computadora, ya que estaúltima es el conjunto de posiciones de memoria que pueden introducirse o extraerse de la memoria de una solo vez(simultáneamente).

La memoria central tiene asociados dos registros para la realización de operaciones de lectura o escritura, y undispositivo encargado de seleccionar una celda de memoria en coda operación de acceso sobre la misma:

� Registro de dirección de memoria (RDM). Contiene la dirección de memoria donde se encuentran o va a seralmacenada la información (instrucción o dato), tanto si se trata de una lectura como de una escritura de o enmemoria central, respectivamente.

� Registro de intercambio de memoria (RIM). Si se trata de una operación de lectura, el RIM es quien recibe eldato de la memoria señalado por el RDM, para su posterior envío a uno de Los registros de la UAL. Si se tratade una operación de escritura, la información a grabar tiene que ester en el RIM, para que desde él se transfieraa la posición de memoria indicada por el RDM.

� Selector de memoria (SM). Es el dispositivo que, tras una orden de lectura o escritura, conecta la celda dememoria cuya dirección figure en el RDM con el RIM, posibilitando la transferencia de Los dates en un sentidoo en otro.

MBREl Master Boot Record (MBR) es un pequeño programa que es ejecutado en cada Inicio del sistema operativo y seencuentra ubicado en el primer sector absoluto (Track 0, head 0, sector 1) del disco duro en una PC y que busca la Tablade Particiones para transferirla al Sector de Arranque (Boot). El MBR está compuesto por código ejecutable y las entradas de la Tabla de Particiones.

Registros

Cuando el procesador ejecuta instrucciones, la información almacena en forma temporal en pequeñas ubicaciones dememoria local de 8, 16, 32 o 64 bits, denominadas registros. Dependiendo del tipo de procesador, el número total deregistros puede variar de 10 a varios cientos.

Los registros más importantes son: � Registro acumulador (ACC), que almacena los resultados de las operaciones aritméticas y lógicas; � Registro de estado (PSW, Processor Estado: Word o Palabra de Estado del Procesador), que contiene los

indicadores de estado del sistema (lleva dígitos, desbordamientos, etc.); � Registro de instrucción (RI), que contiene la instrucción que está siendo procesada actualmente; � Contador ordinal (OC o PC por Program Counter, Contador de Programa), que contiene la dirección de la

siguiente instrucción a procesar; � Registro del búfer, que almacena información en forma temporal desde la memoria.

Señales de ControlLas señales de control son señales electrónicas que orquestan las diversas unidades del procesador que participan en laejecución de una instrucción. Dichas señales se envían utilizando un elemento denominado secuenciador. Por ejemplo, laseñal Leer/Escribir permite que la memoria se entere de que el procesador desea leer o escribir información.

Ciclo de CPUUn ciclo de CPU es un pulso electromagnético que genera el oscilador de cuarzo presente en todo procesador omicroprocesador de computadora. Un ciclo de CPU, es para la computadora, lo que para el ser humano es un latido decorazón.La velocidad de funcionamiento del microprocesador viene determinada por el ritmo de los impulsos de su reloj.Este reloj u oscilador es un circuito electrónico encargado de emitir a un ritmo constante impulsos eléctricos.El funcionamiento de este reloj es comparable con un metrónomo con su péndulo que oscila de izquierda a derecha. Elintervalo de tiempo que el péndulo tarda en recorrer esa distancia y regresar a su punto inicial se denomina ciclo.

Código de operaciónEn informática, un opcode (operation code) o código de operación, es la porción de una instrucción de lenguaje demáquina que especifica la operación a ser realizada. Su especificación y formato serán determinados por la arquitecturadel conjunto de instrucciones (ISA) del componente de hardware de computador - normalmente un CPU, peroposiblemente una unidad más especializada. Una instrucción completa de lenguaje de máquina contiene un opcode y,opcionalmente, la especificación de unos o más operandos - sobre los que la operación debe actuar. Algunas operacionestienen operandos implícitos, o de hecho ninguno.

Arquitectura Interna.El Procesador de 8 bits se caracteriza por:

� Tiene una arquitectura Von Neumann� �El formato de los cálculos es secuencial.� �Su procesador es tipo RISC.

ARQUITECTURA VON NEUMANN

La arquitectura de Von Neumann es una familia de arquitecturas de computadoras que utilizan el mismo dispositivo dealmacenamiento tanto para las instrucciones como para los datos

Los ordenadores con esta arquitectura constan de cinco partes: La unidad aritmético-lógica o ALU, la unidad de control, la memoria, un dispositivo de entrada/salida y el bus de datosque proporciona un medio de transporte de los datos entre las distintas partes.

Un ordenador con esta arquitectura realiza o emula los siguientes pasos secuencialmente:� Enciende el ordenador y obtiene la siguiente instrucción desde la memoria en la dirección indicada por el

contador de programa y la guarda en el registro de instrucción.� Aumenta el contador de programa en la longitud de la instrucción para apuntar a la siguiente.� Decodifica la instrucción mediante la unidad de control. Ésta se encarga de coordinar el resto de componentes

del ordenador para realizar una función determinada.� Se ejecuta la instrucción. Ésta 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 queel ordenador pueda 'tomar decisiones', que pueden alcanzar cualquier grado de complejidad, mediante laaritmética y lógica anteriores.

� Vuelve al paso 1.

Arquitectura Interna

Memoria de Datos y Programas

Controlador Sección E/S

Bus de Datos

CPU

Arquitectura Interna

Memoria de Datos y Programas

Controlador Sección E/S

Bus de DatosArquitectura Interna

Memoria de Datos y Programas

Controlador Sección E/S

Arquitectura Interna

Memoria de Datos y Programas

Controlador Sección E/S

Arquitectura Interna

Memoria de Datos y Programas

Controlador Sección E/S

Arquitectura Interna

Memoria de Datos y Programas

Controlador Sección E/S

Arquitectura Interna

Memoria de Datos y Programas

Controlador Sección E/S

Bus de Datos

CPU

FORMATO DE CÁLCULOS SISD

En computación, SISD (siglas en inglés de Single Instruction, Single Data, en español: "una instrucción, un dato") es untérmino que se refiere a una arquitectura en la que un sólo procesador, un uniprocesador, ejecuta un sólo flujo deinstrucciones, para operar sobre datos almacenados en una única memoria.

Esta arquitectura pertenece a Von Neumann que corresponde a computadoras que tienen un solo CPU ejecutando unainstrucción a la vez, esta estructura secuencial es aquella en la que una acción (instrucción) sigue a otra en secuencia. Lastareas se suceden de tal modo que la salida de una es la entrada de la siguiente y así sucesivamente hasta el fin delproceso, corresponde a la realización en secuencia sin tomas de decisión, de un conjunto de operaciones elementales, eneste tipo de computadoras solo se puede buscar o almacenar un elemento de datos a la vez.

Los programas y datos se encontraron en una memoria externa para ejecutar una instrucción la computadora ejecuta:

1. Traer el código de instrucción a ejecutar2. Decodificación de la instrucción3. Traer los comandos (si se requiere)4. Ejecutar la instrucción y guardar el resultado

En un procesador secuencial sólo se puede ejecutar una instrucción y hasta que ésta no termine, no se puede comenzarcon la ejecución de la siguiente. Además:

• Todos los registros se cargan simultáneamente.• Todos los valores se propagan a través de las redes combinacionales hasta estabilizarse en las entradas de los

registros.• Todos los elementos de almacenamiento están sincronizados al mismo flanco de reloj.

Este es el modelo tradicional de computación secuencial donde una unidad de procesamiento recibe una sola secuenciade instrucciones que operan en una secuencia de datos.

PROCESADOR TIPO RISC

RISC: (Reduced Instruction Set Computer). Computadora con Conjunto de Instrucciones Reducidas.Es un tipo de microprocesador con las siguientes características fundamentales:

� Incrementar el tamaño del conjunto de registros.� Mayor velocidad en la ejecución de instrucciones.� Implementar medidas para aumentar el paralelismo interno.� Añadir cachés enormes.� Añadir otras funcionalidades, como E/S y relojes para minicontroladores.� Construir los chips en líneas de producción antiguas que de otra manera no serían utilizables.� No hacer nada, ofrecer el chip para aplicaciones de bajo consumo de energía o de tamaño limitado.

Las características que generalmente son encontradas en los diseños RISC son:� Codificación uniforme de instrucciones (ejemplo: el código de operación se encuentra siempre en la misma

posición en cada instrucción, la cual es siempre una palabra), lo que permite una decodificación más rápida.� Un conjunto de registros homogéneo, permitiendo que cualquier registro sea utilizado en cualquier contexto y

así simplificar el diseño del compilador (aunque existen muchas formas de separar los ficheros de registro deentero y coma flotante).

� Modos de direccionamiento simple con modos más complejos reemplazados por secuencias de instruccionesaritméticas simples.

� Los tipos de datos soportados en el hardware (por ejemplo, algunas máquinas CISC tiene instrucciones paratratar con tipos byte, cadena) no se encuentran en una máquina RISC.

Instrucciones

Las instrucciones son muy simples y suelen ejecutarse en un ciclo máquina. Una instrucción es una operación elementalque el procesador puede cumplir, se almacenan en la memoria principal, esperando ser tratadas por el procesador. Lasinstrucciones poseen dos campos:

� El código de operación, que representa la acción que el procesador debe ejecutar; � El código operando, que define los parámetros de la acción, depende a su vez de la operación. Puede tratarse

tanto de información como de una dirección de memoria.

Código de Operación Campo de Operación

El número de bits en una instrucción varía de acuerdo al tipo de información (entre 1 y 4 bytes de 8 bits). Las instrucciones pueden agruparse en distintas categorías. A continuación presentamos algunas de las más importantes:

� Acceso a Memoria: acceso a la memoria o transferencia de información entre registros. � Operaciones Aritméticas: operaciones tales como suma, resta, división o multiplicación. � Control: controles de secuencia, conexiones condicionales, etc. � Operaciones Lógicas: operaciones tales como Y, O, NO, NO EXCLUSIVO, etc

Hay cinco operaciones binarias básicas: AND, OR, NOT, XOR y ADD. La resta, multiplicación y división se derivan deestas cinco anteriores. Cualquiera sea la longitud de la palabra o palabras objeto de la operación, siempre se hace de a unbit por vez de derecha a izquierda (tal como si fuera una suma o resta con números decimales). Esto permite unadefinición de cada operación que es independiente de la longitud del o de los operando(s). La operación NOT es la únicaque se realiza sobre un sólo operando (es unaria), y las otras cuatro sobre dos operandos.La operación AND (Y) tiene resultado 1 si sus dos operandos son ambos 1La operación OR (O) tiene resultado 1 si cualquiera de sus operandos es 1La operación XOR tiene resultado 1 si los operandos son distintos (uno en 0 y el otro en 1)La operación NOT (NO) tiene resultado 1 si el operando es 0 y viceversaLa operación ADD (SUMA) se define igual que con los números decimales

ORLa puerta lógica O, más conocida por su nombre en inglés OR, realiza la operación de suma lógica.La ecuación característica que describe el comportamiento de la puerta OR es:

ANDLa puerta lógica Y, más conocida por su nombre en inglés AND, realiza la función booleana de producto lógico. Susímbolo es un punto (·), aunque se suele omitir. Así, el producto lógico de las variables A y B se indica como AB, y selee A y B o simplemente A por B.La ecuación característica que describe el comportamiento de la puerta AND es:

XORLa OR - exclusiva se denomina la puerta de << algunos pero no todos >>. El termino OR - exclusiva con frecuencia sesustituye por XOR. La tabla de verdad para la función XOR se muestra en la tabla 10 . un cuidadoso examen muestraque esta tabla de verdad es similar a la tabla de verdad OR, excepto que cuando ambas entradas son 1 la puerta XORgenera un 0.

NOTLa puerta lógica NO (NOT en inglés) realiza la función booleana de inversión o negación de una variable lógica. Unavariable lógica A a la cual se le aplica la negación se pronuncia como "no A" o "A negada".La ecuación característica que describe el comportamiento de la puerta NOT es:

DISEÑO

Diagrama de Bloques

REG.INSTR.

REG.DAT.

MEMORIA DEL PROGRAMA

PC

GCM

CISC

CLR

CLR

DEC.INSTR.

NO OP

CARGAR

OR

AND

XOR

NOT

BORRA

MOV. IZQ.

DIV

MULT

RESTA

DECREM

SUMA

INCREM

MOV. DER.

ACC ACC TEMP.

CLKCLK

8 8 8

11

10

9

8

7

6

5

4

3

2

1

0

12

13

14

8

8

8

8

8

8

8

8

8

8

8

8

8

8

8

8

88

8

CLK

RELOJ MAESTRO

EDCBA

3210

7654

111098

141312

CLK

Pantallas

Error que dato mayor a 8 bits

Referencias

Procesadores Programables El Microprocesador - Enrique Mandado –Marcombo

http://es.wikipedia.org/wiki/Puerta_l%C3%B3gica

http://www.monografias.com/trabajos14/sistemanumeracion/sistemanumeracion.shtml

http://www.todo-programacion.com.ar/archives/2005/04/la_unidad_centr.html

http://es.wikipedia.org/wiki/Microcontrolador_PIC