Tema13 intro sist_programmicros

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Raúl Rengel Estévez: raulr@usal.es
María Jesús Martín Martínez : mjmm@usal.es
TEMA 13. INTRODUCCIONTEMA 13. INTRODUCCION
A SISTEMASA SISTEMAS
PROGRAMABLES YPROGRAMABLES 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. LÓGICATEMA 13. LÓGICA
PROGRAMADAPROGRAMADA
-- IntroducciónIntroducción
-- ProgramabilidadProgramabilidad
-- PLDsPLDs ((ProgrammableProgrammable LogicLogic DeviceDevice ))
-- Microprocesadores. Arquitectura deMicroprocesadores. Arquitectura de vonvon
NeumannNeumann

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TEMA 13. LÓGICA PROGRAMADATEMA 13. LÓGICA PROGRAMADA
INTRODUCCIÓNINTRODUCCIÓN
 Los sistemas que hemos estudiado hasta ahora ejecutan, enLos sistemas que hemos estudiado hasta ahora ejecutan, en
general,general, una única funciónuna única función (lógica rígida): LOGICA CABLEADA(lógica rígida): LOGICA CABLEADA
 LaLa economía de hardwareeconomía de hardware es fundamental si se desean realizares fundamental si se desean realizar
determinadas operacionesdeterminadas operaciones
 Los circuitos secuenciales suponen una reducción notable de losLos circuitos secuenciales suponen una reducción notable de los
costes hardware en comparación con loscostes hardware en comparación con los combinacionalescombinacionales, a costa de, a costa de
incrementar el tiempo de operaciónincrementar el tiempo de operación
 El objetivo es queEl objetivo es que una misma estructura física sea capaz de efectuaruna 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 deExisten diferentes niveles de programación, según el modo de
efectuarla: sistemas secuencialesefectuarla: sistemas secuenciales síncronossíncronos programables, cuyaprogramables, cuya
expresión final son losexpresión final son los microprocesadoresmicroprocesadores
 El nivel más básico es la programaciónEl nivel más básico es la programación a nivel hardwarea nivel hardware:: PLD oPLD o
ProgrammableProgrammable LogicLogic DeviceDevice  son conjuntos de puertas lson conjuntos de puertas lóógicasgicas
generadas tecnolgeneradas tecnolóógicamente iguales quegicamente iguales que ““se programanse programan”” en la etapaen la etapa
finalfinal
 VentajasVentajas 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 yPueden ser reprogramados (eliminan errores de grabación y
permiten mayor flexibilidad)permiten mayor flexibilidad)
•• Diseño sencillo (permiten programar a “alto nivel” y tienenDiseño sencillo (permiten programar a “alto nivel” y tienen
posibilidad de simulación)posibilidad de simulación)

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 Los tres tipos deLos tres tipos de PLD oPLD 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 ORriz OR
programableprogramable
•• El array de lógica programable (PAL): matriz AND programable yEl 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 nºn un nº
determinado de entradas: es el dispositivo lógico de mayor propódeterminado de entradas: es el dispositivo lógico de mayor propósitosito
general posiblegeneral posible
•• Se emplea un decodificador paraSe emplea un decodificador para
generar losgenerar 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 losNo decodifica todas las variables y no genera todos los minitérminosminitérminos
•• El decodificador se sustituye por un plano de puertasEl decodificador se sustituye por un plano de puertas AND programableAND programable yy
un plano de puertasun 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
BCACF
CBAACBAF


2
1

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 ArraysArrays de Lógica Programablede Lógica Programable
(PAL), año 1978(PAL), año 1978
•• Tienen un plano OR fijo y unoTienen un plano OR fijo y uno
AND programable (omite laAND programable (omite la
matriz OR programable)matriz OR programable)
•• DispositivosDispositivos más rápidosmás rápidos yy
baratosbaratos que los PLAque los PLA
•• Más fácil de programar que elMás fácil de programar que el
PLA, pero no tan flexiblePLA, pero no tan flexible
•• En ocasiones una salida puedeEn ocasiones una salida puede
realimentar a las ANDrealimentar a las AND
•• Pueden incluir flipPueden incluir flip--flopsflops parapara
implementar circuitosimplementar circuitos
secuencialessecuenciales
Floyd, T. 2000

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 ArraysArrays de Lógica Programablede Lógica Programable
(PAL), año 1978(PAL), año 1978
•• Ejemplo:Ejemplo:
CBABCACF
CBAACBAF


2
1

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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, peroLos sistemas programables hardware son muy útiles, pero no son lano son la
mejor soluciónmejor solución para tener un alto nivel depara tener un alto nivel de programabilidadprogramabilidad
 Son necesarios sistemas mucho más flexibles, donde la programacSon necesarios sistemas mucho más flexibles, donde la programación estéión esté
basada enbasada en soluciones softwaresoluciones software
Los sistemas microordenadores actuales están basados en laLos sistemas microordenadores actuales están basados en la
arquitectura dearquitectura 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 deLa función a realizar recibe el nombre de programaprograma
 Cada paso para completar la función recibe el nombre deCada 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) ordenadacon la señal de reloj) ordenada
dede instruccionesinstrucciones
 La realización de este tipo de estructuras con un sistema secueLa realización de este tipo de estructuras con un sistema secuencialncial
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/SUnidad 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 deArquitectura de vonvon Neumann:Neumann: propone la organización del sistema enpropone la organización del sistema en
unun 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 deArquitectura de vonvon Neumann:Neumann: propone la organización del sistema enpropone la organización del sistema en
unun 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 control
Línea 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 mediantediante
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) omente) 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 principalmemoria principal  registro de instruccionesregistro de instrucciones
•• El decodificador de instrucciones selecciona las posiciones deEl decodificador de instrucciones selecciona las posiciones de esa instrucción en la ROMesa 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 computadorue todo el computador
funcione y ejecute las instrucciones leídasfuncione y ejecute las instrucciones leídas
•• El registro apuntador llamadoEl 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
http://www.just2good.co.uk/cpuArchitecture.php

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 Unidad de ControlUnidad de Control
Ejemplo del Microprocesdor 8085 de Intel
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
 MedianteMediante lógica “cableada”:lógica “cableada”: se basa en su construcción mediantese 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 dee
modificar, aunque es muy rápidomodificar, aunque es muy rápido
 MedianteMediante microprogramaciónmicroprogramación: la idea básica consiste en emplear: la idea básica consiste en emplear
una memoria para almacenar el estado de las señales de controluna 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 llama
microinstrucción, conteniendo las señales de control propias demicroinstrucción, conteniendo las señales de control propias de
cada casocada caso
 Hoy en día, en la mayor parte de los procesadores se emplea unaHoy en día, en la mayor parte de los procesadores se emplea una
combinación entre ambas soluciones, empleando lógica cableadacombinación entre ambas soluciones, empleando lógica cableada
para las operaciones más sencillas y habituales ypara 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 operativaUnidad 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 laLos datos vienen de la memoria principal y se suministran a la ALU medianteALU mediante
dos registros:dos registros: acumuladoracumulador y registro 2º operandoy registro 2º operando
•• Almacenarse también elAlmacenarse también el registro de estadoregistro de estado ((bitbit de paridad, cero, acarreo,de paridad, cero, acarreo,
overflowoverflow, etc.), etc.)

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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: FETCHde la instrucción: FETCH  La unidad de control envía a laLa unidad de control envía a la
memoria principal la dirección de la instrucción a ejecutar (conmemoria principal la dirección de la instrucción a ejecutar (contenidotenido
del CP), activando las señales de control necesarias para obtenedel CP), activando las señales de control necesarias para obtener lar la
mencionada instrucción. Se lleva al registro de instrucciones demencionada instrucción. Se lleva al registro de instrucciones de lala
unidad de control.unidad de control.
2.2. La unidad de control recibe la instrucción, laLa unidad de control recibe la instrucción, la decodificadecodifica:: activan lasactivan 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 dede 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 sese
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 siguienteSe 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 exterioresores
llamadas periféricos (teclado, pantalla, impresora, unidades dellamadas 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 laa
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 control
Línea 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 de
adaptar y adecuar la comunicaciónadaptar y adecuar la comunicación
entre la CPU y estos dispositivosentre la CPU y estos dispositivos
 La comunicación puede ser de variosLa 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 programa
especialespecial
 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 delconexión 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 unaHoy en día, en la mayor parte de los procesadores se emplea una
combinación entre ambas soluciones, empleando lógica cableadacombinación entre ambas soluciones, empleando lógica cableada
para las operaciones más sencillas y habituales ypara 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 doss
categoríascategorías
 CISC: conjunto de instrucciones complejo. Cada instrucción puedeCISC: conjunto de instrucciones complejo. Cada instrucción puede
ejecutar varias operaciones de bajo nivelejecutar varias operaciones de bajo nivel
 RISC: conjunto de instrucciones reducido. En estos sistemas, seRISC: conjunto de instrucciones reducido. En estos sistemas, se
consideran operaciones elementales que se ejecutan en el mismoconsideran operaciones elementales que se ejecutan en el mismo
tiempotiempo
 Los procesadores modernos más comunes (Intel, AMD) son CISCLos procesadores modernos más comunes (Intel, AMD) son CISC
con un conjunto de instrucciones que se realizan concon 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 instruccionesoperación 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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