UNIDAD 2Unidad de Microprocesador (MPU)

Microprocesadores Otoño 2011

1

Contenido

Unidad de Microprocesador Generalizada

Memoria

Dispositivos de Entrada y Salida

Sistemas basados en Microprocesadores

2

Unidad de Microprocesador

Generalizada

La Unidad de Microprocesador (MPU) es un

dispositivo lógico programable con un determinado

conjunto de instrucciones.

El proceso de ejecución de una instrucción consiste

en adquirir, decodifica y ejecutar la tarea

especifica

3

MPU

El proceso de

comunicación y

operaciones

relacionadas entre el

MPU y dispositivos

externos se clasifica en

dos categorías

Operaciones iniciadas

por el MPU

Operaciones iniciadas

por los periféricos

Adquirir

DecodificarEjecutar

4

Operaciones del MPU

MPU

• Lectura de Memoria

• Escritura de Memoria

• Lectura de I/O

• Escritura de I/O

Perifericos

• Reset

• Interrupción

• Espera

• Solicitud del Bus

5

Unidad de Memoria

La Unidad de Memoria es un

conjunto de registros de 8

bits.

Cada registro esta definido

como una localidad de

Memoria

La localidad de memoria es

identificada por un numero

conocido como dirección.

1 0 0 1 1 0 1 0

0 0 1 0 1 1 1 0

1 0 1 1 1 0 1 0

0 0 0 1 1 1 1 0

1 0 1 0 1 0 1 0

0 0 0 1 1 0 1 0

1 0 1 1 0 1 1 0

0 0 0 1 1 0 1 0

0 0 0 1 1 0 1 0

1 0 1 1 0 1 1 0

0 0 0 1 1 0 1 0

Memoria

Registro de 8 bits

000

001

010

111

Dirección6

Operaciones del MPU

El bus es un conjunto de señales que se activan al

mismo tiempo para proveer información

Los pasos para ejecutar las operaciones del MPU

son:

◦ Identificar la locación de memoria o la dirección del

periférico

◦ Proveer las señales de sincronización y temporización

◦ Transferir los datos

7

Operaciones del MPU

Adquirir

Decodificar

Ejecutar

Identifica dirección de

memoria o periférico

• Provee las señales de

sincronización

• Transfiere datos

• Dirección• Datos• Señales de

Control

8

Buses

Microprocesadores

tales como Z80 y

8085 tienen 16

líneas en su bus de

dirección.

Por lo tanto son

capaces de

direccionar 216

= 64K

Unidad de

Microprocesador

Bus de

Dirección

Señales de

Control

Bus deDatos

Reconocimiento de

Solicitud

Am

A0

Dn

D0

9

Buses

Bus de datos

◦ El tamaño del bus de datos determina el tamaño del numero binario que puede ser transferido.

◦ El tamaño del bus de datos afecta el desempeño y rapidez del microprocesador

Bus de Control◦ El MPU genera una señal de control especifica para las

siguientes operaciones

Lectura de memoria

Escritura de memoria

Lectura I/O

Escritura de I/O

10

Solicitud Externa

Existen varios ocasiones en las que la operación del MPU puede ser interrumpida◦ Reset Empieza nuevamente desde el principio

◦ Interrupción Para tu proceso actual y realiza algo mas critico

◦ Espera Cuando la velocidad de respuesta de la memoria es muy lenta,

retrasa la operación del MPU

◦ Solicitud del Bus Cuando las operaciones del MPU son lentas comparadas con los

periféricos, entonces los periféricos pueden solicitar el uso de los buses

11

Arquitectura Interna del

Microprocesador

Bus

Inte

rno

Decodificador de

Instruccion

Unidad Lógica

Aritmética

(ALU)

Banderas

Registros

Apuntadores a

Memoria

Registros

12

Memoria

Memoria

Primaria

Read-Only Memory (ROM)

Borrable

EPROM

EEPROM

Flash

Permanente

ROM

PROM

Read/Write Memory

Estática

Dinámica

Secundaria

Acceso Aleatorio

Discos

Floppy

Duro

CD-ROMAcceso SerialCintas

Magneticas

13

Memoria Primaria

Memoria de Lectura y Escritura comúnmente conocida como RAM (Random Access Memory)

La memoria RAM es volátil, lo que significa que cuando la alimentación se apaga, pierde toda la información

Existen dos tipos de memoria RAM

◦ Memoria Estática

◦ Memoria Dinámica

14

RAM15

• Almacena los bits como voltaje

• Tiene una baja densidad pero alta velocidad

• Es una memoria cara y consume mayor potencia que la dinámica

• La memoria Cache incluida en los microprocesadores es SRAM

Memoria Estática (SRAM)

• Almacena bits como carga

• Tiene una alta densidad y bajo consumo de potencia

• Es mas barata que la memoria SRAM

• Su principal desventaja es que la carga se fuga, por lo cual se requiere refrescarla. Por lo cual requiere circuitería extra, aumentando el costo del sistema.

• Para memorias pequeñas de menos de 8K es mas apropiada SRAM.

Memoria Dinámica (DRAM)

Read-Only Memory

ROM es una memoria no volátil, es decir, retiene la información aun si la alimentación es apagada.

Esta memoria es usada para almacenar datos y programas que no deben ser alterados

Existen 5 tipos de ROM◦ Masked ROM

◦ PROM, EPROM EEPROM

◦ Flash memory

16

Read-Only Memory

Masked Rom, la información es almacenada mediante un proceso de enmascaramiento y metalización. Este es un proceso caro, pero económico para grandes cantidades de producción.

PROM (Programable ROM). Esta memoria esta formada por una matriz de polisilicio y sus líneas actúan como fusibles. Esta memoria puede ser programada por medio de un programador que quema los fusibles.

17

Read-Only Memory

EPROM (Erasable Programable ROM). ◦ Esta memoria almacena la información como carga de la

compuerta de un transistor. ◦ Esta memoria se programa aplicando voltaje alto para

cambiar la carga del transistor. ◦ La memoria puede ser borrada exponiéndola a luz

ultravioleta a través de su ventana de cuarzo ◦ Debido a la facilidad de programación y borrado es ideal

para el desarrollo de proyectos experimentales ◦ Sus desventajas son Se debe sacar del sistema para borrarla

El chip completo es borrado

El proceso de borrado toma 15 a 20 min

18

Read-Only Memory

EEPROM (Electrically Erasable PROM).

◦ La información puede ser alterada usando señales eléctricas al nivel de registro, y no borrar el chip completo

◦ Esta memoria incluye el modo de borrado completo que se lleva a cabo en 10ms

Memoria Flash◦ Es una variante de las EEPROM

◦ Esta memoria es ideal para aplicaciones de baja potencia

◦ Los niveles de borrado de esta memoria son:

bloque (conjunto de registros)

chip completo.

19

Memoria Primaria

Memoria de Escritura y Lectura (R/WM) esta formada por registros.

Cada registro esta formado por flip-flops

Esta memoria se ocupa para almacenar datos o programas.

ROM esta formada almacena información permanentemente usando un arreglo de transistores.

20

Flip-Flops como elemento de

almacenamiento

La memoria es un circuito que puede almacenar bits

en su elemento básico de almacenamiento conocido

como flip-flop

Para almacenar un nuevo valor en el flip-flop

requerimos de una dato y una señal de habilitación.

DIN

EN

DOUTD Q

EN

Q

D

EN

21

Flip-Flops

DIN

EN

DOUTD Q

EN

Tri-State Buffer en la salida

RD

DIN

EN

DOUTD Q

EN

Celda de Memoria

RD

El bit almacenado puede ser leído solamente si el buffer es habilitado

Al introducir un buffer en la entrada de datos del flip-flop, ahora podemos escribir solo si el buffer es habilitado

WR

22

Registro

DQ

EN

DQ

EN

DQ

EN

DQ

EN

I3 I2 I1 I0

O3 O2 O1 O0

WR

RD

EN

23

Registro

Buffer de Entrada

Registro

Buffer de Salida

I0I1I2I3

O0O1O2O3

WR

RD

EN

Registro de 4 bits

WR

RD

EN

El número de bits almacenados en un registro es llamado palabra de memoria.

24

Registro 4 × 8 bits

Buffer de Entrada

Buffer de Salida

I4I5I6I7

O4O5O6O7

WR

RD

A1

I0I1I2I3

O0O1O2O3

11

10

01

00

Deco

dif

ica

dor

2-4

A2

25

Unidad de Memoria con 8 registros

R7

R6

R5

R4

R3

R2

R1

R0

111

110

101

100

011

010

001

000

Líneas de I/O

RD WR

WRRD

A2

A1

A0

26

Chip Select Signal

R3

R2

R1

R0

0011

0010

0001

0000

Líneas de I/O

CS WR

A2

A1

A0

RD

A3

R3

R2

R1

R0

1011

1010

1001

1000

Líneas de I/O

CS WR

A2

A1

A0

RD

A3

Cuando existen líneas de dirección adicional se puede utilizar la señal de selección del chip. Esta señal habilita a uno de los dos chip y se obtiene la información del registro deseado

27

Requerimientos de un chip de Memoria

Se requiere de

Líneas de dirección para identificar el registro de memoria

Una señal (CS) para habilitar al chip de memoria

Señales de control para lectura y escritura

El número de líneas de dirección requeridas es determinado por el número de registros en la memoria

2n registros requieren n líneas de dirección.

28

Requerimientos de un chip de Memoria

Si existen líneas de dirección adicionales, se usan para la señal CS

La señal de control RD habilita el buffer de salida, y el dato del registro seleccionado esta disponible a la salida

Similarmente, la señal de control WR habilita el buffer de entrada y la información en las líneas de entrada puede ser escrita en el registro seleccionado

29

El MPU usa 8 líneas de dirección para identificar dispositivos de I/O.

A este tipo de direccionamiento se le conoce como Peripherals-mapped I/O

El MPU puede identificar hasta 256 (28 = 256) dispositivos de entrada y 256 de salida

Los dispositivos de entrada y salida son diferenciados por las señales de control I/O Read e I/O Write

Dispositivos de I/O

El rango de direcciones es de 00H a FFH es conocido como el mapa de I/O

Las direcciones son referidas como dirección del dispositivo o número de puerto de I/O

Para conectar dispositivos de I/O se deben resolver dos problemas

Como asignarles una dirección

Como conectarlos al bus de datos

Dispositivos de I/O

En una arquitectura de bus, los dispositivos no pueden conectarse directamente al bus de datos o direcciones.

Todos los dispositivos deben conectarse a través de un dispositivo de interfaz tri-estado

De esta manera, los dispositivos estarán conectados y habilitados solamente si el MPU escoge comunicarse con ellos.

Dispositivos de I/O

Los pasos para comunicarse con los dispositivos de

entrada y salida son los siguientes

El MPU coloca los 8-bit de dirección en el bus

El MPU envía una señal de control para habilitar los

dispositivos de I/O

Se transfieren los datos vía el bus de datos.

Dispositivos de I/O

Arquitectura General de un MPU

Bus

Inte

rno

Decodificador de

Instruccion

Unidad Lógica

Aritmética

(ALU)

Banderas

Registros

Apuntadores a

Memoria

Registros

Bus de Dirección

Señales de Control

Reconocimiento de

Solicitud Bus de Datos

Buffer de Entrada

Buffer de Salida

Deco

dif

icador

Memoria

Dispositivos de

I/O

MPU

Ejemplo de un Sistema basado en

Microprocesadores

MPU

EPRO

M

RA

M

Outp

ut Port

1

Vent

ilador

Cale

ntador

LCD

Conv

ert

idor

A/D

Outp

ut Port

2

Outp

ut Port

3

Input

Port

1

Sens

or

de

tem

pera

tura

Bus de Dirección

Bus de Datos

A15

A0

D7

D0

MEMRD

MEMWR

IOWR

IORD