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MICROPROCESADORES Y
CONTROL DE PERIFÉRICOS
EVOLUCIÓN DE LOS MICROPROCESADORES
Prof. Juan Álvarez
CONTENIDO
• Introducción.
• Familias y evolución de los
microprocesadores.
• Piezas y partes de un computador digital.
• La Tarjeta Madre.
INTRODUCCIÓN
Un computador básico está formado por tres
bloques y por los medios de conexión
llamados “buses” o carriles:
• la Unidad Central de Proceso (CPU),
• la Memoria,
• las Interfaces de Entrada/Salida.
A su vez, los buses del sistemas se distinguen
por el tipo de datos que transportan.
INTRODUCCIÓN
DIAGRAMA DE BLOQUES DE UN
COMPUTADOR:
CPU
(ALU, Registros
y Control)
Memoria
Módulos de E/S
Bus de Datos
Bus de Direcciones
Bus de Control
INTRODUCCIÓN
• La CPU coordina todas las actividades
dentro del sistema: secuencia la ejecución de
instrucciones, coordina el movimiento de los
datos, los manipula, los conduce desde la
entrada hasta la salida.
• La memoria sirve para almacenar
instrucciones y los Datos a ser manipulados.
• La CPU puede alcanzar a cualquier dato
almacenado en memoria.
INTRODUCCIÓN
• Como la memoria no es lo suficientemente
grande para almacenar todo el conjunto de
datos requerido para una aplicación
particular, se incorpora al sistema uno o
más puertos de entrada, que la CPU puede
direccionar, para rescatar la data allí
contenida. El sistema también puede
disponer de puertos de salida para permitir
que la CPU pueda comunicar sus resultados
al exterior.
INTRODUCCIÓN
• La CPU unifica el sistema, controla las
funciones realizadas por otros componentes,
siendo capaz de detectar las instrucciones de
memoria, decodificarlas y ejecutarlas. Debe
reconocer y responder a ciertas señales de
control como las de interrupciones y las de
espera.
INTRODUCCIÓN
• Un microprocesador es un circuito integrado
(CI) que responde a las funciones de una
CPU o de varias CPUs trabajando en
paralelo. La memoria está compuesta por
varios CI formando un conjunto de celdas
de memoria para almacenar los Datos. Lo
mismo se puede decir de las interfaces o
puertos de entrada/salida constituidos por
varios circuitos integrados.
INTRODUCCIÓN
• El microprocesador es el resultado del
desarrollo de la tecnología microelectrónica,
de una tendencia persistente y consistente
en reducir el tamaño, el peso y el consumo
de energía de los circuitos electrónicos
digitales.
• Los circuitos integrados se encuentran al
inicio de los planes americanos de llevar un
hombre al espacio.
INTRODUCCIÓN
Las exigencias de estos planes en los cálculos
matemáticos y de ingeniería para las naves
espaciales y en las comunicaciones en
tiempo real, obligaban a disponer de
computadoras livianas y pequeñas, pero lo
necesariamente poderosas y eficientes.
INTRODUCCIÓN
Más tarde, el éxito de la microelectrónica en
el mercado de las computadoras personales
significó un aumento sostenido de la
densidad de integración y la estabilización
del precio del circuito integrado, una
reducción del tamaño, un significativo
aumento de la velocidad y de la frecuencia
de trabajo de los circuitos.
INTRODUCCIÓN
• El microprocesador está al inicio de todo
avance de la tecnología de punta y es el
responsable de las actuales prestaciones de
servicios del computador en una gran
variedad de actividades domésticas y
cotidianas.
EVOLUCIÓN DE LOS MICROPROCESADORES
AÑO
Frecuencia
Área
Número de
Transistores
Densidad de
Transistores
Intel 4004
1941
750 KHz
12 mm2
2300
191
PA8700
2001
1 GHz
468 mm2 150 Millones
320512
LEY DE MOORE
LEY DE MOORE
FAMILIAS DE MICROPROCESADORES
• Desde los primeros años de presencia de los
microprocesadores en el mercado,
sobresalen unos pocos fabricantes de
circuitos integrados de gran escala de
integración. En los años 70, Intel se
distingue por sus modelos 8080 y 8085,
Motorola por sus modelos 6800 y 6809.
FAMILIAS DE MICROPROCESADORES
Estos procesadores de 8 bits en el bus de datos
y 16 bits en el bus de direcciones, eran CPUs
de propósito general que invadieron el
mercado industrial asumiendo el rol de
tratamiento de señales y control de
procesos. Otros fabricantes de procesadores
de este tipo emularon las cualidades de los
prototipos mencionados.
FAMILIAS DE MICROPROCESADORES
• Se pueden citar a Zilog y su modelo Z80, a
MOS Technology y su modelo 6502.
• En la década de los 80, las computadores
personales, que invadieron el mercado
doméstico y los negocios, están basadas en
microprocesadores de 16 bits y luego de 32
bits.
FAMILIAS DE MICROPROCESADORES
• Intel se mantiene a la vanguardia con sus
modelos 8086 y 80286, ambos de 16 bits y
luego con el 80386 y el 80486, estos últimos
de 32 bits en el bus de datos. La clave del
éxito comercial de Intel se debe a la
compatibilidad de sus distintos modelos en
el sentido de que un programa escrito con
un procesador, debía ejecutarse en el
procesador sucesor, con tiempos de
ejecución más rápidos.
FAMILIAS DE MICROPROCESADORES
• Otra característica se manifiesta en la
continua incorporación de aplicaciones.
Intel, como otros fabricantes buscan que el
nuevo procesador sea capaz de realizar
nuevos servicios y controlar nuevos
periféricos. Ello se observa en las nuevas
instrucciones agregadas y en las nuevas
arquitecturas.
FAMILIAS DE MICROPROCESADORES
• Motorola inició la generación de
procesadores de 16 bits con el modelo
68000, no compatible con sus predecesores,
y con una arquitectura superior a la de los
modelos limitados por la compatibilidad de
máquinas obsoletas. Más tarde, aparecen
los modelos 68020, 68030 y 68040 de 32 bits
en el bus de datos, utilizadas en la mayoría
de las estaciones de trabajo científicas y de
ingeniería.
FAMILIAS DE MICROPROCESADORES
• Los fabricantes de microprocesadores se
alinean en dos grupos siguiendo los
conceptos básicos señalados: los
procesadores CISC y los RISC.
• CISC (computadoras con complejo conjunto
de instrucciones) agrupa a las computadoras
cuyos principios de diseño están basados en
los de las grandes computadoras
tradicionales.
FAMILIAS DE MICROPROCESADORES
• Los procesadores CISC utilizan microcódigos
para realizar su conjunto de instrucciones; estos
pueden variar de longitud y usan variados modos
de direccionamiento que exigen una circuitería
complicada para decodificarlos.
• A partir de la década de los 90, Intel produce la
línea de procesadores Pentium para PCs, que son
los potenciales representantes de los procesadores
CISC, donde la complejidad de sus circuitos se
supera con aumento de la velocidad y de la
densidad de integración.
FAMILIAS DE MICROPROCESADORES
• RISC (computadoras con conjunto reducido
de instrucciones) agrupa computadoras con
conceptos de diseño más simple. Los
procesadores RISC mantienen instrucciones
de tamaño constante, con modos de
direccionamiento sencillos, que pueden
ejecutarse en un único ciclo de máquina.
FAMILIAS DE MICROPROCESADORES
• La ventaja de estos procesadores consiste en
que su decodificación y su ejecución es muy
rápida debido a la simplicidad de sus
instrucciones y su circuitería.
• La línea de microprocesadores PowerPC de
Motorola es el de los más potentes de la
arquitectura RISC, que hereda los
conceptos desarrollados en el sistema IBM
801 y en el IBM RISC 6000.
FAMILIAS DE MICROPROCESADORES
A inicios de los años 2000, aparecen los
procesadores de dos o más núcleos.
FAMILIAS DE MICROPROCESADORES
• Una lista de Fabricantes de
Microprocesadores es extensa y su número
e influencia en el mercado varía con el
tiempo. Como ejemplo se pueden citar
algunas de las familias:
• La familia INTEL identificada con la serie
80X86 y las Pentium
• La familia AMD identificada con la serie
K5, K6
FAMILIAS DE MICROPROCESADORES
• La familia XICOR
• La familia CYRIX
• La familia MOTOROLA identificada con la
serie MC68XXX y PowerPC
• La familia NATIONAL Semiconductor
identificada con la serie IMP-XXX
• La familia ZILOG identificada con la serie
ZXXXX
• La familia HEWLET PACKARD
FAMILIAS DE MICROPROCESADORES
• La familia TEXAS INSTRUMENTS
identificada con la serie TMS-XXXX
• La familia FAIRCHILD identificada con la
serie F- X
• La familia ROCKWELL INTERNATINAL
identificada con la serie PPS-X
• La familia SUN identificada por los
procesadores Ultrasparc.
EVOLUCIÓN DE LOS PROCESADORES INTEL
Los microprocesadores Intel para PCs han
evolucionado en varios aspectos:
• Crecimiento exponencial de la frecuencia de
reloj
• Crecimiento exponencial de la densidad de
integración
• Incremento del número de bits en el Bus de
Datos y en el Bus de Direcciones
EVOLUCIÓN DE LOS PROCESADORES INTEL
• Incremento de la Memoria Caché
• Continua incorporación de aplicaciones
• En el siguiente cuadro y la subsiguientes
figuras se da un resumen de varios de estos
aspectos.
EVOLUCIÓN DE LOS PROCESADORES INTEL
Microprocesador
Año de
aparición
Tamaño
de
Registros
Bus de
Datos
Espacio de
Memoria
Caché
8086
1978
16 PG
16 bits
1MB
---
80286
1982
16 PG
16 bits
16MB
---
80386
1985
32 PG
32 bits
4GB
---
1989
32 PG
80 FPU
32 bits
4GB
L1 8KB
80486
EVOLUCIÓN DE LOS PROCESADORES INTEL
Microprocesador
Pentium
Pentium
Pro
Pentium 2
Pentium 3
Pentium 4
Año de
aparición
Tamaño de
Registros
Bus de
Datos
Espacio de
Memoria
Caché
1993
32 PG
80 FPU
64 bits
4GB
L1 16KB
1995
32 PG
80 FPU
64 GB
L1 16KB
L2 256KB
64 GB
L1 32KB
L2 512KB
64 GB
L1 32KB
L2 512KB
1997
32 PG
80 FPU
64 MMX
1999
32 PG
80 FPU
64 MMX
2000
32 PG
80 FPU
64 MMX
64 bits
64 bits
64 bits
64 bits
64 GB
L1 8KB
L2 256KB
12KBex
EVOLUCIÓN DE LOS PROCESADORES INTEL
EVOLUCIÓN DE LOS PROCESADORES INTEL
LA COMPUTADORA PERSONAL
LA COMPUTADORA PERSONAL
El Hardware de una computadora personal
está compuesto por la caja y los periféricos.
De los periféricos visibles se observa:
• El monitor
• El teclado
• El mouse
• La impresora
• El scanner
• El webcam
• Los parlantes
LA COMPUTADORA PERSONAL
La caja contiene la fuente de alimentación y
además otros periféricos:
• El disco duro
• El Cdrom
• La diskettera
• La tarjeta de red
• El fax-modem
Pero la parte mas importante de la
computadora se aloja en la caja y es la
tarjeta madre.
LA COMPUTADORA PERSONAL
Disco Duro
LA COMPUTADORA PERSONAL
CD ROM
LA COMPUTADORA PERSONAL
Pantalla del Monitor
LA COMPUTADORA PERSONAL
IMPRESORAS
LA COMPUTADORA PERSONAL
PERIFÉRICOS PARA JUEGOS
LA COMPUTADORA PERSONAL
WEB CAM
LA COMPUTADORA PERSONAL
MOUSE
LA COMPUTADORA PERSONAL
Equipo profesional de sonido
LA COMPUTADORA PERSONAL
TARJETA MADRE
TARJETA MADRE
Intel
D945GTPL
Tarjeta Madre para un Pentium D
TARJETA MADRE
Intel D945GTPL
Procesador:
Intel Pentium D LGA775 socket a 800 MHz
Intel Pentium 4 LGA775 socket a 800 MHz
Intel Celeron D LGA775 socket a 533 MHz
Chipset:
Intel 945G Chipset
Memoria:
4 x 240-pin DDR2 SDRAM
DDR2 667, DDR2 533, DDR2 400 MHz
Máximo 4GB
Puertos:
2 PCI Convencionales
1 PCI Express x1
1 PCI Express x16
8 USB 2.0
1 serial
1 paralelo
4 Serial ATA
1 parallel ATA IDE UDMA 33, ATA-66/100
1 diskette drive
PS/2 teclado y mouse
I/O:
Legacy I/O controller for diskette drive, serial, parallel, and PS/2 ports
Video:
Intel GMA 950
Audio:
8-channel (7.1) Sigmatel 9223* audio codec
Red:
Gigabit (10/100/1000 Mbits/sec)
Tipo:
microATX
[243.84 mm by 243.84 mm])
TARJETA MADRE
ASUS P4P800
placa madre
i865PE
TARJETA MADRE
1. Atx 12v conenctor: Conector de energía de la
placa a la fuente.
2. CPU soket . A 478 pin supeficie de montaje para
procesadores Intel Pentium 4 , soporta
800/533/400 MHz de bus, que permite una
velocidad mayor de transferencia de 6.4 GBps .
3. North bridge controller. De Intel 82865 control de
de memoria provee un enlace de procesamiento
con 800/533/400 MHz de frecuencia.
4. DDR dimm sockets . Estos cuatro zocalos de 184
pin DIMM soportan arriba de 4GB de memoria
usando PC3000/2700/2100 DDR dimms.
5. ATX power connector. Este conector de 20 pin se
conecta al Atx +12v de poder.
TARJETA MADRE
6. Super I/O controller. De inteface Winbond 83627.
Este chipset soporta una buen rendimiento de
disquetera.
7. Floppy Disk connector . Este conector provee una
conección segura a la disquetera.
8. IDE connectors. Estos dobles canales de bus
master IDE soporta ultra DMA 100/66, pio
modes 3 & 4 IDE componentes.
9. AGP spot. Este puerto de acelerador grafico
(APG) soporta 1.5v APG8X modo de tarjeta
gráfica para aplicación 3D.
10. Serial ATA connectors. Estos dos conectores de
7pin se acomoda al delgado cable para
dispositivos de Serial ATA.
TARJETA MADRE
11. Speech Controller. El Winbond 83791S +
W55F10 facilita la funcionalidad del sonido.
12. Raid connector. Estos dobles canales de bus
principal IDE soporta Ultra DMA/133
dispositivos IDE.
13. Flash Rom. Este soporte lógico inalterable de
4MB contiene un programa de BIOS.
14. South bridge controller.
15. Ata 133 Raid Controller. Este controlador
provee un alto rendimiento en RAID 0,RAID
1,RAID 0+1 Y JBOD RAID.
TARJETA MADRE
16. Standby power led. Este led se prende cuando
hay energía en la placa.
17. Wi-Fi slot. Para el uso de Internet inalámbrico
con conección de transmisión de 11MBps en una
banda de 2.4Ghz.
18. IEEE 1394 controller. El VIA 6307 controlador
soporta funciones con un máximo de
transferencia de datos de 400 MBps.
19. PCI slots. Son 5 slots expandibles de 32-bit PCI
2.3.
20. Audio Codec. El ADI D1985 permite una salida
de audio de 6 canales.
TARJETA MADRE
TARJETA MADRE
21. LAN controler. El 3Com 3C940 Gigabit Ethernet
es un solo chip para LAN en la placa madre,
provee interface y soporte de 1000/100/10 MBps
de transferencia de datos.
22. PS/2 Mouse port. Este conector es para conectar
un PS/2 mouse.
23. Parallel port. Este puerto permite conectar una
impresora, escáner y otros dispositivos.
24. IEEE1394 port. Este puerto permite conectar
dispositivos de audio y video de alta velocidad.
25. RJ-45 port. Este puerto permite conectar a una
red local por medio de un hub.
TARJETA MADRE
26. Line in jack. Esta salida permite conectar una
salida de audio alternativo.
27. Line Out jack. Esta salida permite conectar
parlantes o audífonos.
28. Microphone jack. Esta salida es para conectar un
micrófono.
29. USB 2.0 ports 3 and 4. Estas dos salidas de 4 pin
universales permiten conectar dispositivos USB
2.0.
30. USB 2.0 ports 1 and 2. Estas dos salidas de 4 pin
universales permiten conectar dispositivos USB
2.0.
TARJETA MADRE
31. Serial port. Esta salida de 9 pin COM1 es para
específicos dispositivos.
32. S/PDIF jack. Es para una conexión de audio
externa.
33. PS/2 keyboard port. Esta salida es para conectar
el teclado.
TARJETA MADRE
Detalles de la tarjeta madre:
A: ranura para procesador
B: ranuras para memorias
C: puerto de video AGP
D: conectores IDE
E: ranuras PCI
F: ranuras ISA
G: chipset
H: chipset
TARJETA MADRE
TARJETA MADRE
MICROPROCESADORES DE 8 BITS
Los microprocesadores deben contar con un
mínimo de elementos internos los cuales se
observan en todos los computadores:
• Una unidad de ejecución de instrucciones
• Una unidad de lectura y decodificación de
instrucciones
• Una unidad de control
• Registros de almacenamiento temporal de
datos
MICROPROCESADORES DE 8 BITS
En la siguiente figura se ilustra el diagrama
de bloques del microprocesador Intel 8085,
sucesor del procesador 8080 y 8008, con 8
bits en el bus de datos y 16 bits en el bus de
direcciones. Este procesador muestra
claramente las unidades básicas
mencionadas.
Diagrama de Bloques del Microprocesador Intel 8085
MICROPROCESADORES DE 8 BITS
En el grupo ejecutivo se distingue a la Unidad
Aritmética y Lógica (ALU), el Acumulador
y el Registro de Estado.
• La Unidad Aritmética y Lógica realiza las
operaciones aritméticas, lógicas y de
desplazamiento. Los resultados de las
operaciones de la ALU suelen guardarse en
el registro Acumulador, datos adicionales
acerca de la misma operación se guardan en
el Registro de Estado.
MICROPROCESADORES DE 8 BITS
• El Acumulador es un registro donde se
guardan temporalmente datos y suele
trabajar frecuentemente con la ALU.
• El Registro de Estado, también llamado
Registro de Banderas (Flag Register) o
Registro de Señalizadores, guarda
información adicional acerca de la última
operación de la ALU. También suele
guardar información del estado de
operación del microprocesador.
MICROPROCESADORES DE 8 BITS
En el grupo administrativo se observa al
Registro de Instrucciones, al Decodificador
de Instrucciones, a la Unidad de
Temporización y Control.
• En el Registro de Instrucciones se guarda el
código de operación de la instrucción que se
va a ejecutar.
MICROPROCESADORES DE 8 BITS
El Decodificador de Instrucciones interpreta
los códigos de operación de las
instrucciones, determina la secuencia de
microoperaciones para ejecutar las
instrucciones y establece la secuencia de
microcódigos para tal fin.
MICROPROCESADORES DE 8 BITS
La Unidad de Temporización y Control recibe
las señales del Decodificador de
Instrucciones y se encarga de controlar la
ejecución de las instrucciones. Esta unidad
tiene conexión interna con todos los bloques
de la CPU que le permite actuar sobre ellos
para habilitar su participación en la
ejecución secuencial de las
microoperaciones.
MICROPROCESADORES DE 8 BITS
El circuito integrado (CI) del procesador 8085
esta constituido por 40 patillas que era el
mayor número de patillas que podía tener
un chip en aquella época. Intel incorporó en
este CI alrededor de unas veinte patillas de
control para habilitar un mayor variedad de
aplicaciones. El diagrama de patillas se
ilustra en la siguiente figura.
Patillas del Microprocesador Intel 8085
MICROPROCESADORES DE 8 BITS
• Las 8 patillas de datos se multiplexan con
las 8 primeras patillas de direcciones, AD0,
AD1, AD2, …,AD7, por la limitación
impuesta por el número de patillas en el
chip.
• Vcc y GND corresponden a las patillas de
alimentación, en tanto que en las patillas X1
y X2 se conecta el cristal de cuarzo para
fijar la frecuencia de reloj. CLK es una
salida de la señal de reloj.
MICROPROCESADORES DE 8 BITS
• Los 8 bits más significativos del bus de
direcciones se encuentran en las patillas A8,
A9, A10, A11, A12, A13, A14 y A15.
• Las patillas INTR, Trap, RST5.5, RST6.5,
RST7.5 e INTA, corresponden a los
controles de interrupción para la
comunicación con las interfaces E/S.
MICROPROCESADORES DE 8 BITS
• RESET IN recibe la orden de
reinicialización y RESET OUT permite
avisar a los demás dispositivos del inicio de
aquella orden.
• SOD y SID son las patillas para salida e
ingreso de datos seriales respectivamente.
• HOLD, HLDA, READY y ALE son patillas
para controlar el flujo de datos por los
buses.
MICROPROCESADORES DE 8 BITS
• Las patillas S0, S1 e IO/M informan sobre el
estado operativo del procesador.
• Los controles RD y WR permiten avisar a
los otros dispositivos de la intención de leer
o de escribir datos ya sea en la memoria o
en algún puerto.