TEMA 13. INTRODUCCION A SISTEMAS...

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Raúl Rengel Estévez: [email protected]ía Jesús Martín Martínez : [email protected]

TEMA 13. INTRODUCCION TEMA 13. INTRODUCCION A SISTEMAS A SISTEMAS PROGRAMABLES Y PROGRAMABLES Y MICROSMICROS

IEEE 125 Aniversary: http://www.flickr.com/photos/ieee125/with/2809342254/

http://www.tech-faq.com/wp-content/uploads/images/integrated-circuit-layout.jpg

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TEMA 13. LÓGICA TEMA 13. LÓGICA PROGRAMADAPROGRAMADA

-- IntroducciónIntroducción

-- ProgramabilidadProgramabilidad

-- PLDsPLDs ((ProgrammableProgrammable LogicLogic DeviceDevice ))

-- Microprocesadores. Arquitectura de Microprocesadores. Arquitectura de vonvonNeumannNeumann

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TEMA 13. LÓGICA PROGRAMADATEMA 13. LÓGICA PROGRAMADA

INTRODUCCIÓNINTRODUCCIÓN

Los sistemas que hemos estudiado hasta ahora ejecutan, en Los sistemas que hemos estudiado hasta ahora ejecutan, en general, general, una única funciónuna única función (lógica rígida): LOGICA CABLEADA(lógica rígida): LOGICA CABLEADA

La La economía de hardwareeconomía de hardware es fundamental si se desean realizar es fundamental si se desean realizar determinadas operacionesdeterminadas operaciones

Los circuitos secuenciales suponen una reducción notable de losLos circuitos secuenciales suponen una reducción notable de loscostes hardware en comparación con los costes hardware en comparación con los combinacionalescombinacionales, a costa de , a costa de incrementar el tiempo de operaciónincrementar el tiempo de operación

El objetivo es que El objetivo es que una misma estructura física sea capaz de efectuar una misma estructura física sea capaz de efectuar múltiples operacionesmúltiples operaciones: LOGICA PROGRAMADA: LOGICA PROGRAMADA

Programación: a este nivel, entendemos como tal la determinaciónProgramación: a este nivel, entendemos como tal la determinación, a , a priori, del comportamiento de un sistemapriori, del comportamiento de un sistema

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PROGRAMABILIDADPROGRAMABILIDAD

Existen diferentes niveles de programación, según el modo de Existen diferentes niveles de programación, según el modo de efectuarla: sistemas secuenciales efectuarla: sistemas secuenciales síncronossíncronos programables, cuya programables, cuya expresión final son los expresión final son los microprocesadoresmicroprocesadores

El nivel más básico es la programación El nivel más básico es la programación a nivel hardwarea nivel hardware: : PLD o PLD o ProgrammableProgrammable LogicLogic DeviceDevice son conjuntos de puertas lson conjuntos de puertas lóógicas gicas generadas tecnolgeneradas tecnolóógicamente iguales que gicamente iguales que ““se programanse programan”” en la etapa en la etapa finalfinal

Ventajas Ventajas PLDsPLDs son:son:

•• Reemplazan a varios componentes discretos (reducción nº Cis, Reemplazan a varios componentes discretos (reducción nº Cis, espacio, conexiones, coste… aumento de fiabilidad).espacio, conexiones, coste… aumento de fiabilidad).

•• Pueden ser reprogramados (eliminan errores de grabación y Pueden ser reprogramados (eliminan errores de grabación y permiten mayor flexibilidad)permiten mayor flexibilidad)

•• Diseño sencillo (permiten programar a “alto nivel” y tienen Diseño sencillo (permiten programar a “alto nivel” y tienen posibilidad de simulación)posibilidad de simulación)

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Los tres tipos de Los tres tipos de PLD o PLD o ProgrammableProgrammable LogicLogic DeviceDevice más simples son:más simples son:

•• La memoria de solo lectura (ROM): matriz AND fija y OR programaLa memoria de solo lectura (ROM): matriz AND fija y OR programableble

•• El array lógico programable (PLA): matriz AND programable y matEl array lógico programable (PLA): matriz AND programable y matriz OR riz OR programableprogramable

•• El array de lógica programable (PAL): matriz AND programable y El array de lógica programable (PAL): matriz AND programable y matriz OR fijamatriz OR fija

www.sec.upm.es/docencia/plan_92/ed/descargaED/tema6.pdf

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Memoria de solo lectura (Memoria de solo lectura (ROMROM): programada adecuadamente): programada adecuadamente

•• Permiten crear funciones de lógica combinacional arbitrarias coPermiten crear funciones de lógica combinacional arbitrarias con un nº n un nº determinado de entradas: es el dispositivo lógico de mayor propódeterminado de entradas: es el dispositivo lógico de mayor propósito sito general posiblegeneral posible

•• Se emplea un decodificador para Se emplea un decodificador para

generar los generar los mintermsminterms::

((Práctica decodificadorPráctica decodificador))

••Tipos de programación:Tipos de programación:

•• Máscara: ROMMáscara: ROM•• Fusibles: PROM, Fusibles: PROM, •• EPROM y EEPROMEPROM y EEPROM


Floyd, T. 2000

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Memoria de solo lectura (Memoria de solo lectura (ROMROM): programada adecuadamente): programada adecuadamente

•• Desventajas:Desventajas:

•• LentasLentas•• Consumen mucha potenciaConsumen mucha potencia•• Sólo se utiliza parte de su capacidad en cada aplicaciónSólo se utiliza parte de su capacidad en cada aplicación



Mano, M. et al. 2005

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Array Lógico ProgramableArray Lógico Programable (PLA), año 1973(PLA), año 1973

•• No decodifica todas las variables y no genera todos los No decodifica todas las variables y no genera todos los minitérminosminitérminos

•• El decodificador se sustituye por un plano de puertas El decodificador se sustituye por un plano de puertas AND programableAND programable y y un plano de puertas un plano de puertas OR programableOR programable

•• Puede ser programable por máscaras o por campo (por el cliente)Puede ser programable por máscaras o por campo (por el cliente), en , en cuyo caso se habla de FPLAcuyo caso se habla de FPLA

BCACFCBAACBAF

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ArraysArrays de Lógica Programablede Lógica Programable(PAL), año 1978(PAL), año 1978

•• Tienen un plano OR fijo y uno Tienen un plano OR fijo y uno AND programable (omite la AND programable (omite la matriz OR programable)matriz OR programable)

•• Dispositivos Dispositivos más rápidosmás rápidos y y baratosbaratos que los PLAque los PLA

•• Más fácil de programar que el Más fácil de programar que el PLA, pero no tan flexiblePLA, pero no tan flexible

•• En ocasiones una salida puede En ocasiones una salida puede realimentar a las ANDrealimentar a las AND

•• Pueden incluir flipPueden incluir flip--flopsflops para para implementar circuitos implementar circuitos secuencialessecuenciales

Floyd, T. 2000

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ArraysArrays de Lógica Programablede Lógica Programable(PAL), año 1978(PAL), año 1978

•• Ejemplo:Ejemplo:

CBABCACFCBAACBAF

2

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PROGRAMABILIDAD: PROGRAMABILIDAD: PLDsPLDs

www.sec.upm.es/docencia/plan_92/ed/descargaED/tema6.pdf

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Posibilidad de programación por señales lógicasPosibilidad de programación por señales lógicas

B

A

P f

Circuito que efectúa la operación AND si P=“0” y OR si P=“1”Circuito que efectúa la operación AND si P=“0” y OR si P=“1”

D. Pardo, et al. 2006

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Los sistemas programables hardware son muy útiles, pero Los sistemas programables hardware son muy útiles, pero no son la no son la mejor soluciónmejor solución para tener un alto nivel de para tener un alto nivel de programabilidadprogramabilidad

Son necesarios sistemas mucho más flexibles, donde la programacSon necesarios sistemas mucho más flexibles, donde la programación esté ión esté basada en basada en soluciones softwaresoluciones software

Los sistemas microordenadores actuales están basados en la Los sistemas microordenadores actuales están basados en la arquitectura de arquitectura de vonvon NeumannNeumann

La operación del sistema consiste (de manera simplificada):La operación del sistema consiste (de manera simplificada):

La función a realizar recibe el nombre de La función a realizar recibe el nombre de programaprograma

Cada paso para completar la función recibe el nombre de Cada paso para completar la función recibe el nombre de instruccióninstrucción(operación fundamental muy simple)(operación fundamental muy simple)

ProgramaPrograma: secuencia (de manera : secuencia (de manera síncronasíncrona con la señal de reloj) ordenada con la señal de reloj) ordenada de de instruccionesinstrucciones

La realización de este tipo de estructuras con un sistema secueLa realización de este tipo de estructuras con un sistema secuencial ncial como los vistos hasta ahora sería inviablecomo los vistos hasta ahora sería inviable

MICROPROCESADORES. ARQUITECTURA DE VON NEUMANNMICROPROCESADORES. ARQUITECTURA DE VON NEUMANN

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MemoriaMemoria

CPU:CPU:

Unidad de controlUnidad de control

Unidad de proceso: Unidad de proceso:

ALU + registrosALU + registros

Unidad de E/S Unidad de E/S

Reloj : sincroniza todo el sistema compensando los retardos de los diferentes módulo. El sistema µP es un sistema secuencial, la secuencia que realiza es la ejecución continua de instrucciones.


Arquitectura de Arquitectura de vonvon Neumann: Neumann: propone la organización del sistema en propone la organización del sistema en un un conjunto de unidadesconjunto de unidades con funcionalidades bien definidas y complementariascon funcionalidades bien definidas y complementarias


http://perso.wanadoo.es/pictob/microprg.htm

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Arquitectura de Arquitectura de vonvon Neumann: Neumann: propone la organización del sistema en propone la organización del sistema en un un conjunto de unidadesconjunto de unidades con funcionalidades bien definidas y complementariascon funcionalidades bien definidas y complementarias



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Generador de pulsos(Reloj)

Memoria Principal

Unidad Aritmético-Lógica

Unidad de Control

Línea de controlLínea de datos

Registros

Unidad de Entrada--Salida

Periférico

Periférico

Periférico

Puntero

Memoria principalMemoria principal

•• Está compuesta por un conjunto de celdas de igual tamañoEstá compuesta por un conjunto de celdas de igual tamaño•• En un instante dado se puede seleccionar una de estas celdas meEn un instante dado se puede seleccionar una de estas celdas mediante diante una dirección determinadauna dirección determinada•• En la celda se puede leer (recuperar el valor almacenado previaEn la celda se puede leer (recuperar el valor almacenado previamente) o mente) o escribir (almacenar un nuevo valor)escribir (almacenar un nuevo valor)•• En la memoria se almacenan los datos y las instrucciones de máqEn la memoria se almacenan los datos y las instrucciones de máquinauina




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CPU : Unidad de Control + Unidad de Proceso + RegistrosCPU : Unidad de Control + Unidad de Proceso + Registros



http://johnkingworld.com/aplus/lessons-cpus.html

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Unidad de ControlUnidad de Control

Interpreta y ejecuta las instrucciones que le llegan desde la memoria:

•• Lee las instrucciones de máquina: Lee las instrucciones de máquina: opcodeopcode (a través del bus de datos) almacenadas en la (a través del bus de datos) almacenadas en la memoria principal memoria principal registro de instruccionesregistro de instrucciones•• El decodificador de instrucciones selecciona las posiciones de El decodificador de instrucciones selecciona las posiciones de esa instrucción en la ROM esa instrucción en la ROM interna de la CPU (microinstrucciones).interna de la CPU (microinstrucciones).•• El secuenciador genera las señales de control necesarias para qEl secuenciador genera las señales de control necesarias para que todo el computador ue todo el computador funcione y ejecute las instrucciones leídasfuncione y ejecute las instrucciones leídas•• El registro apuntador llamado El registro apuntador llamado contador de programacontador de programa (CP) que indica la posición de (CP) que indica la posición de memoria en la que está almacenada la instrucción a ejecutarmemoria en la que está almacenada la instrucción a ejecutar

TEMA 13. LÓGICA PROGRAMADATEMA 13. LÓGICA PROGRAMADAMICROPROCESADORES. ARQUITECTURA DE VON NEUMANNMICROPROCESADORES. ARQUITECTURA DE VON NEUMANN

http://johnkingworld.com/aplus/lessons-cpus.htmlhttp://www.just2good.co.uk/cpuArchitecture.php

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Unidad de ControlUnidad de Control

Ejemplo del Microprocesdor 8085 de Intel

TEMA 13. LÓGICA PROGRAMADATEMA 13. LÓGICA PROGRAMADAMICROPROCESADORES. ARQUITECTURA DE VON NEUMANNMICROPROCESADORES. ARQUITECTURA DE VON NEUMANN

http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Intel_8085_arch.svg

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MICROPROCESADORES. UNIDAD DE CONTROLMICROPROCESADORES. UNIDAD DE CONTROL

La unidad de controlLa unidad de control se puede implementar de varias manerasse puede implementar de varias maneras

Mediante Mediante lógica “cableada”:lógica “cableada”: se basa en su construcción mediante se basa en su construcción mediante puertas lógicas, por lo que es un diseño muy costoso y difícil dpuertas lógicas, por lo que es un diseño muy costoso y difícil de e modificar, aunque es muy rápidomodificar, aunque es muy rápido

Mediante Mediante microprogramaciónmicroprogramación: la idea básica consiste en emplear : la idea básica consiste en emplear una memoria para almacenar el estado de las señales de control una memoria para almacenar el estado de las señales de control en cada periodo de cada instrucciónen cada periodo de cada instrucción

Cada palabra, que define un periodo de una instrucción, se llamaCada palabra, que define un periodo de una instrucción, se llamamicroinstrucción, conteniendo las señales de control propias de microinstrucción, conteniendo las señales de control propias de cada caso cada caso

Hoy en día, en la mayor parte de los procesadores se emplea una Hoy en día, en la mayor parte de los procesadores se emplea una combinación entre ambas soluciones, empleando lógica cableada combinación entre ambas soluciones, empleando lógica cableada para las operaciones más sencillas y habituales y para las operaciones más sencillas y habituales y microprogramación para las operaciones más complejasmicroprogramación para las operaciones más complejas

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Unidad de Proceso u operativa Unidad de Proceso u operativa

(incluye Unidad Aritmético Lógica)(incluye Unidad Aritmético Lógica)

•• Realiza una serie de operaciones aritméticas y lógicas elementaRealiza una serie de operaciones aritméticas y lógicas elementales (suma, les (suma, resta, AND, OR, etc.)resta, AND, OR, etc.)

•• Los datos vienen de la memoria principal y se suministran a la Los datos vienen de la memoria principal y se suministran a la ALU mediante ALU mediante dos registros: dos registros: acumuladoracumulador y registro 2º operandoy registro 2º operando

•• Almacenarse también el Almacenarse también el registro de estadoregistro de estado ((bitbit de paridad, cero, acarreo, de paridad, cero, acarreo, overflowoverflow, etc.), etc.)


http://johnkingworld.com/aplus/lessons-cpus.html

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MICROPROCESADORES. EJECUCIÓN DE LAS OPERACIONESMICROPROCESADORES. EJECUCIÓN DE LAS OPERACIONES

La CPU se encarga de ejecutar las instruccionesLa CPU se encarga de ejecutar las instrucciones

Fases de ejecución de las instrucciones de máquina:Fases de ejecución de las instrucciones de máquina:1.1. BúsquedaBúsqueda de la instrucción: FETCH de la instrucción: FETCH La unidad de control envía a la La unidad de control envía a la

memoria principal la dirección de la instrucción a ejecutar (conmemoria principal la dirección de la instrucción a ejecutar (contenido tenido del CP), activando las señales de control necesarias para obtenedel CP), activando las señales de control necesarias para obtener la r la mencionada instrucción. Se lleva al registro de instrucciones demencionada instrucción. Se lleva al registro de instrucciones de la la unidad de control.unidad de control.

2.2. La unidad de control recibe la instrucción, la La unidad de control recibe la instrucción, la decodificadecodifica: : activan las activan las señales dseñales de control y las señales correspondientes del secuenciador. e control y las señales correspondientes del secuenciador.

3.3. Búsqueda de operandosBúsqueda de operandos: y lee los operandos de memoria, activando : y lee los operandos de memoria, activando las correspondientes señales de controllas correspondientes señales de control

4.4. EjecuciónEjecución de la instrucción: Bajo las directrices de la unidad de de la instrucción: Bajo las directrices de la unidad de control, se realiza la operación en la ALU sobre los operandos ycontrol, se realiza la operación en la ALU sobre los operandos y se se guarda el resultado en memoria o en un registroguarda el resultado en memoria o en un registro

5.5. Se incrementa el contador de programa y se pasa a la siguiente Se incrementa el contador de programa y se pasa a la siguiente instruccióninstrucción

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Unidad de Entrada/SalidaUnidad de Entrada/Salida

•• Comunica el computador con el mundo exteriorComunica el computador con el mundo exterior

•• Realiza la transferencia de información con las unidades exteriRealiza la transferencia de información con las unidades exteriores ores llamadas periféricos (teclado, pantalla, impresora, unidades de llamadas periféricos (teclado, pantalla, impresora, unidades de disco, etc.) disco, etc.)

•• Permite, entre otras operaciones, cargar datos y programas en lPermite, entre otras operaciones, cargar datos y programas en la a memoria principal y sacar resultados impresosmemoria principal y sacar resultados impresos

Generador de pulsos(Reloj)

Memoria Principal

Unidad Aritmético-Lógica

Unidad de Control

Línea de controlLínea de datos

Registros

Unidad de Entrada--Salida

Periférico

Periférico

Periférico

Puntero



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MICROPROCESADORES. MICROPROCESADORES.

Unidad de Entrada/SalidaUnidad de Entrada/Salida

La unidad de E/S se encarga deLa unidad de E/S se encarga deadaptar y adecuar la comunicación adaptar y adecuar la comunicación

entre la CPU y estos dispositivosentre la CPU y estos dispositivos La comunicación puede ser de varios La comunicación puede ser de varios tipos: tipos:

hombre máquina, hombre máquina, máquinamáquina--máquinamáquina, , máquinamáquina--procesoproceso Dos posibilidades:Dos posibilidades:

E/S programada: el procesador debe estar ejecutando un programaE/S programada: el procesador debe estar ejecutando un programaespecialespecial

E/S concurrente (autónoma): no necesitan el soporte del procesaE/S concurrente (autónoma): no necesitan el soporte del procesadordor

Cualquier periférico necesita un módulo adicional (Cualquier periférico necesita un módulo adicional (interfaceinterface) que realiza la ) que realiza la conexión del mismo con los buses del conexión del mismo con los buses del mircoprocesadormircoprocesador..

http://www.monografias.com/trabajos44/computacion/computacion2.shtml

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MICROPROCESADORESMICROPROCESADORES

Hoy en día, en la mayor parte de los procesadores se emplea una Hoy en día, en la mayor parte de los procesadores se emplea una combinación entre ambas soluciones, empleando lógica cableada combinación entre ambas soluciones, empleando lógica cableada para las operaciones más sencillas y habituales y para las operaciones más sencillas y habituales y microprogramación para las operaciones más complejasmicroprogramación para las operaciones más complejas

Los procesadores, según su set de instrucciones se dividen en doLos procesadores, según su set de instrucciones se dividen en dos s categoríascategorías

CISC: conjunto de instrucciones complejo. Cada instrucción puedeCISC: conjunto de instrucciones complejo. Cada instrucción puedeejecutar varias operaciones de bajo nivelejecutar varias operaciones de bajo nivel

RISC: conjunto de instrucciones reducido. En estos sistemas, se RISC: conjunto de instrucciones reducido. En estos sistemas, se consideran operaciones elementales que se ejecutan en el mismo consideran operaciones elementales que se ejecutan en el mismo tiempo tiempo

Los procesadores modernos más comunes (Intel, AMD) son CISC Los procesadores modernos más comunes (Intel, AMD) son CISC con un conjunto de instrucciones que se realizan con con un conjunto de instrucciones que se realizan con microoperacionesmicrooperaciones, permitiendo aunar en parte las ventajas de la , permitiendo aunar en parte las ventajas de la operación paralela de los RISC con el conjunto de instrucciones operación paralela de los RISC con el conjunto de instrucciones amplio de los CISCamplio de los CISC

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Agradecimientos Daniel Pardo Collantes, Área de Electrónica, Departamento de Física Aplicada. Universidad de

Salamanca.

Referencias Pardo Collantes, Daniel; Bailón Vega, Luís A., “Fundamentos de Electrónica Digital”.Universidad

de Salamanca. Ediciones Universidad de Salamanca. 2006. Tema VI: Memorias y Dispositivos de lógica programable (PLDs). Dpto de Sistemas Electrónicos y de Control.

Universidad Politénica de Madrid. Mano M. Morris; Kime, Charles R., “Fundamentos de diseño lógico y de computadoras”, 3ª Edición, Pearson-

Prentice Hall, 2005 www.sec.upm.es/docencia/plan_92/ed/descargaED/tema6.pdf http://perso.wanadoo.es/pictob/microprg.htm http://johnkingworld.com/aplus/lessons-cpus.html http://www.just2good.co.uk/cpuArchitecture.php http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Intel_8085_arch.svg http://www.monografias.com/trabajos44/computacion/computacion2.shtml

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