Unidad 4Microprocesadores

ACI605 Tecnología de Hw. computacional

G. Becerra2014

Unidad 4 1. Microprocesadores y Micro-controladores.2. Longitud de palabra.3. Capacidad de direccionamiento4. Número de instrucciones.5. Número de registros internos6. Velocidad del microprocesador.7. Ciclo de instrucciones.8. Capacidad de interrupción.9. Alimentación.10. Tipos de tecnologías

Microprocesadores y Micro-controladores

1. Microprocesadores y Micro-controladores Cuando no existían los microprocesadores, los circuitos

de control se fabricaban en base a elementos discretos como el transistor, resistencias, etc. El diseño de circuitos complejos significaban muchos componentes electrónicos, lo cual desembocaba en muchos circuitos con muchos ajustes y fallos.

En 1971 aparece el primer Microprocesador, el cual origina, posteriormente, un cambio en el diseño de la mayoría de los equipos. Desde allí los diseños electrónicos serian mucho mas pequeños y simples. Después aparece el microcontrolador que facilita aún mas el diseño de éstos.

Microprocesadores y Micro-controladores

Partes de un Microprocesador (CPU), excluyendo la RAM.

Microprocesadores y Micro-controladores

Microprocesadores y Micro-controladores

Cuando se diseña con microprocesadores, puede ser necesario, agregar otros componentes integrados adicionales como por ejemplo memorias RAM (Random Access Memory) y ROM (Read Only Memory), circuitos integrados para las puertas de entrada y salida y decodificadores de direcciones, etc. El o los microprocesadores están unidos a otros componentes en la placa madre de un PC, en la cual existen slot (ranuras) para conectarlos a otros dispositivos de almacenamiento o comunicación a través de una red de paquetes.

Ahora, un microcontrolador en un dispositivo que contiene todos los componentes nombrados en primer término junto con el microprocesador. Los micro-controladores vienen instalados directamente en los equipos que se quiere controlar y recibe el nombre de controlador empotrado o embebido (embedded controller)

Microprocesadores y Microcontroladores

Estructura de un sistema abierto basado en un microprocesador. La disponibilidad de los buses hacia el exterior permite que se agreguen otros dispositivos.

Microprocesadores y Micro-controladores

Un micro-controlador es un dispositivo electrónico que tiene en su interior las tres unidades básicas de una computadora: Unidad Central de Procesamiento (CPU), Memoria y los puertos de Entrada/Salida (E/S). Están fabricados en un circuito integrado o chip y existen numerosos modelos de distintos fabricantes que ofrecen distintas prestaciones y funcionalidades.

El micro-controlador es un sistema cerrado. Todas las partes del microprocesador están contenidas en su interior y sólo salen al exterior las líneas E/S (Entrada y/o Salida) que gobiernan los periféricos.

(PIC) Peripheral Interface Controller

Existen en el mercado una gran variedad de marcas de micro-controladores (uC), Motorola (familia 68XX), Microchip (familia PIC´s; arquitectura RISC y Harvard), Intel (familia 80XX), NEC, etc.La familia PIC, es una de las mas populares en el ámbito industrial. El uC PIC 16F628 incorpora tres características:procesador tipo RISC (Procesador con un Conjunto Reducido de Instrucciones)Procesador segmentado, es decir, se pueden realizar simultáneamente las dos fases en que se descompone cada instrucción, ejecución de la instrucción y búsqueda de la siguiente.Arquitectura HARVARD, es la separación en dos tipos de memoria (de Datos e Instrucciones)En el PIC 16F628 el ancho de los datos es de un byte, mientras que la de las instrucciones es de 14 bits.

PICF628APines de I/O (Entrada/Salida)

PICF628A PUERTOS: RA0-RA7:

Los pines RA0-RA4 y RA6–RA7 son bidireccionales y manejan señales TTL (Transistor-Transistor-Logic), es decir, tensiones entre 0 volt a 5 volts.

Otros pines:VDD: Pin de alimentación positiva. De 2 a 5,5 VccVSS: Pin de alimentación negativa. Se conecta a tierra ó a Vcc (-, alimentación tensión continua)MCLR: Master Clear (Reset). Si el nivel lógico de este terminal es bajo (0 Vcc), el micro-controlador permanece inactivo. Este Reset se controla mediante la palabra de configuración del PICOSC1/CLKIN: Entrada de oscilador externoOSC2/CLKOUT: Salida del oscilador. El PIC 16F628 dependiendo de cómo se configure, puede proporcionar una salida de reloj por medio de este pin.

Características del PICF628A

Micro-controladores

Ventajas de uso de Micro-Controladores.

1. Reducción en la cantidad de espacio en la implementación de un diseño dado.

2. Reduce el costo de implementación.3. Permite el desarrollo de aplicaciones específicas de

manera más rápida y eficiente.4. Los fabricantes dan buen soporte sobre las aplicaciones

mas comunes.

2. Longitud de palabra.

Para muchas operaciones que se realizan en el computador, el byte (8 bits) es una unidad de información muy pequeña; así las ALU suelen operar con datos de mayor longitud, normalmente de un número entero de bytes, siendo valores habituales los siguientes: 8, 16, 32, 64 o 128 bits. Se denomina palabra al conjunto de bits que forma un dato con el que opera la ALU, y coincide, en general, con el número de bits de la mayoría de los registros del procesador. La longitud de una palabra es el número de bits que la forman; así, si una ALU opera con datos de 32 bits, la longitud de palabra de ese procesador es de 32 bits. Con frecuencia la longitud de la palabra coincide con el ancho del bus de datos que conecta el procesador con la memoria RAM.

Microprocesadores

Microprocesadores

Microprocesadores

La longitud de palabra determina de forma indirecta la velocidad del computador, ya que:

Si en un programa se establece que los cálculos deben realizarse con una precisión de 32 bits y la longitud de palabra es de 16 bits, el número de instrucciones del programa al menos se duplica ya que todos los datos habrá que proporcionarlos (con el programa adecuado) a la ALU divididos en dos partes de 16 bits cada una de ellas, primero la menos significativa y después la más significativa.

Por otra parte, si el tamaño de las instrucciones se ajusta al de la palabra, será el caso mas conveniente, ya que en la propia instrucción va codificada la identificación de la misma (código de operación).

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3. Capacidad de direccionamiento.

Como hemos visto, un procesador debe comunicarse con sus periféricos y para ello todo el sistema posee 3 buses; el bus de Control, el Bus de datos y el Bus de direcciones. Este último es el que define el número de direcciones máximo a que puede acceder.

Si se tienen n bits (ó n hilos) para el bus de direcciones, se podrá acceder hasta un máximo de posiciones.

Independientemente de cuanta memoria máxima sea capaz de direccionar, los computadores, generalmente, no los fabrican para el máximo de memoria disponible.

Ejemplo, si el bus de direcciones de un procesador es de 32 hilos ó 32 bits, su capacidad máxima de direccionamiento será de = 4.294.967.296, es decir, de algo mas de 4 GB.

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Ejercicios:1. Un disco duro tiene una capacidad máxima de 1 Terabyte, si

tiene ocupado un espacio de 10,2 Gigabytes. ¿ Cuanto espacio le queda libre?

2. Un pendrive tiene ocupado 12000 Kilobits de su espacio con información y la parte libre indica 14,56 Gigabytes. De cuanto es su capacidad total?

3. Una cinta magnética tiene una parte dañada de 20,45 kilobits y su capacidad máxima es de 8 gigabytes. ¿ Cuanto espacio libre tiene?

4. Un DVD RW, contiene 2,34 Gigabits y su capacidad total es de 8 Gigabytes. ¿ Cuanto espacio en gigabits posee?

Microprocesadores4. Número de instrucciones en un procesador. El conjunto de instrucciones que un procesador soporta

definirá que códigos entiende y por tanto cuales puede llegar a ejecutar. No es igual por tanto el conjunto de instrucciones de un procesador de un PC de escritorio y el que se encuentra en un Smartphone o en un micro-controlador.

Siempre hay que tener en cuenta que cuando un nuevo conjunto de instrucciones aparece tenemos que esperar a que sea implementado en los nuevos programas y a veces que el sistema operativo los soporte. Es decir, la mejora prometida, puede tardar un tiempo en verse realmente utilizada.

Debido a que se producen continuos cambios en las tecnologías de fabricación de los micros, cada vez es más sencillo para los fabricantes cambiar la arquitectura de estos para que sean capaces de soportar un mayor número de ellas. La otra es la seguridad, por la cual debemos tener siempre el sistema operativo y los programas actualizados.

Microprocesadores¿Qué tipos de instrucciones existen?

Aritméticas. Una de las más sencillas, es decir, sumas, restas, multiplicaciones. Los procesadores son capaces de trabajar con número reales y con operaciones mucho más complejas.

Lógicas. Estas incluyen las comparaciones. Muy importantes para cualquier tipo de programa.

Control de flujo. Permiten saltar a otra parte, a veces se combinan con las anteriores para permitir el salto en caso de ser necesario.¿Cuales podemos encontrar en un PC?

x86. Es la mínima necesaria para ser capaz de ejecutar el sistema operativo Windows. En concreto estas instrucciones trabajan con datos de 32 bits. También es conocido como IA-32.

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x64. Es una extensión de la anterior para permitir trabajar con datos de 64 bits. También conocida por sus variantes AMD64, Intel64, IA-64.

MMX. Las aplicaciones multimedia (Intel) necesitan instrucciones que sean capaces de procesar muchos datos al mismo tiempo. Por ejemplo pueden sumar 8 números enteros de 8 bits con una sola instrucción.

3d Now. Es la respuesta de AMD a las MMX de Intel. Esta es más avanzada que la anterior. Su objetivo es acelerar las aplicaciones que trabajan con sonido, video, etc.

SSE. Este conjunto y todos los que vienen después, SSE2, SSE3, SSE4, SSE4a vienen a añadir más posibilidades de aceleración a las aplicaciones multimedia. Están basadas en la experiencia dada por los creadores de esas aplicaciones que conocen aquellas instrucciones que más se usan.

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Otros tipos de instrucciones Quizás la más popular en la actualidad es el conjunto de

instrucciones ARM (Advanced RISC Machine, de 32 bits) en sus distintas versiones debido a que están implementadas en gran cantidad de Smartphone y sistemas de Hardware libre (Arduino).

Microprocesadores6. Número de registros internos.

Todo procesador está formado por un conjunto de registros que almacenen datos, una unidad aritmético-lógica que realiza operaciones con ellos y una unidad de control que se encarga de coordinar a todos los componentes. Un reloj interno determina la velocidad de trabajo de estos elementos internos.

Registros: almacenan temporalmente los datos de la instrucción que está ejecutando en ese momento la unidad aritmético-lógica. El tamaño de estos registros se mide en bits y determina el tamaño máximo de los datos que se puede manipular en una sola operación. Son unas casillas (memorias) que se rellenan con unos y ceros.

En los procesadores actuales estos registros son de 32 o de 64 bits.

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Por lo anterior decimos que un procesador es de 32 ó 64 bits.

Si dobláramos el tamaño de los registros necesitaremos la mitad de accesos con lo que el computador podría llegar a ser el doble de rápido.

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Microprocesadores7. Velocidad de Microprocesador ó Rendimiento.

Existen muchos factores que afectan al funcionamiento del procesador y su rendimiento global dependerá de varios factores simultáneamente. Por eso es complicado decidir en algunas ocasiones cuál es el procesador más adecuado para satisfacer unas necesidades concretas. A continuación se exponen los parámetros más relevantes que afectan al rendimiento de un procesador.

La Frecuencia de reloj. Cuando nos referimos a la potencia de un procesador

normalmente tendemos a dar una medida en gigaherz (GHz). Pero ¿qué significa realmente que un procesador funciones a 1,8 GHz? La respuesta la tenemos en uno de los componentes internos: el reloj.

Así, un procesador que funcione a 1,8 GHz quiere decir que su reloj interno oscila 1.800.000.000 de veces por segundo.

Microprocesadores Y como las operaciones dentro del procesador se sincronizan

con los tics del reloj, la velocidad máxima del procesador vendrá marcada por la frecuencia del reloj interno.

La implicancia que esto tiene en la velocidad del procesador es inmediata. Supongamos que tenemos un procesador que sólo necesitara un ciclo para completarlas. Si funciona a 1,8 GHz quiere decir que es capaz de ejecutar 1,8x instrucciones por segundo (casi 2 billones). Si aumentamos la frecuencia del reloj al doble (3,6 GHz) resulta que, en un segundo, ahora el computador es capaz de ejecutar 3,6x instrucciones por segundo. El resultado es un procesador el doble de rápido.

Arquitectura y tamaño de los Registros Sin embargo, no se pueden comparar dos procesadores

atendiendo únicamente a su velocidad. Hay otros factores que se deben tener en cuenta, como el tipo de arquitectura o el tamaño de los registros internos del procesador (32 o de 64 bits).

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Tecnología de núcleo múltiple Aunque estemos comparando procesadores de las mismas

arquitecturas y tamaño de registro, hay otra característica que se ha convertido en algo importante en los últimos años y ha hecho que se detenga la carrera de los Mega Hertz: la capacidad de multi-procesamiento.

Habitualmente, en un PC no estamos ejecutando un programa únicamente: solemos tener abiertas entre 3 y 5 aplicaciones como mínimo y tenemos la sensación de que todas ellas se están ejecutando a la vez. Pero esto no es así. Si sólo hay un procesador, se van intercalando un limitado número de instrucciones de cada uno de los programas por turnos. El cambio es tan rápido que ni nos damos cuenta de que se produce.

En el año 2006 Intel introdujo una gran revolución: incluir en el mismo procesador dos núcleos de procesamiento.

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Esto prácticamente duplica la potencia del PC, al poder ejecutar dos programas en paralelo realmente. En estos últimos años, todos los PC de sobremesa y muchos portátiles ya incorporan esta tecnología. Un PC profesional incluye a lo menos 8 núcleos.

Un procesador con dos núcleos permite ejecutar en paralelo dos instrucciones a la vez de programas distintos. Si en un momento estamos ejecutando un programa muy exigente (por ejemplo, estamos jugando o convirtiendo una película a otro formato), el procesador está ocupado casi al 100% y eso repercute en una desatención de las demás tareas y un aumento de la lentitud del sistema. Si tenemos dos núcleos, puede dedicarse uno de ellos a esa tarea más “pesada” y queda otro núcleo libre para seguir usando el computador normalmente con el resto de aplicaciones.

MicroprocesadoresEl nuevo iPad, gracias a su nuevo chip A7 de 64 bits a 1,4 Ghz, alcanza una puntuación de 1408 en el test de un sólo núcleo y 2643 en el test de núcleos múltiples.

Microprocesadores8. Ciclo de una instrucción.

El proceso de ejecución de una instrucción es el siguiente (ver Figura 1):

1. la unidad de interface con el bus lee la siguiente instrucción del programa y los datos asociados, que le llegan a través del FSB (Front Side Bus). Canales de buses que unen el procesador con los periféricos.

2. la unidad de decodificación traduce la instrucción y se la pasa a la unidad de control para que decida qué hacer con ella

3. si la instrucción necesita ejecutar alguna operación matemática, se la pasa a la ALU.

4. la ALU realiza la operación y deja el resultado en un registro5. la unidad de control le pasa el resultado de la operación a la

unidad de interfaz con el bus y la guarda en la memoria RAM a través del FSB.

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Aproximación al diseño interno de un Microprocesador

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Este ejecución se ejecuta de forma continua hasta que se alcanza el final del programa.

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Lectura-escritura en una RAM (en byte 8 bits)

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9. Capacidad de Interrupción. Una interrupción IRQ (del inglés Interrupt Request,

también conocida como petición de interrupción) es una señal recibida por el procesador de un PC, indicando que debe "interrumpir" el curso de ejecución actual y pasar a ejecutar código específico para tratar esta situación.

Una interrupción es una suspensión temporal de la ejecución de un proceso, para pasar a ejecutar una subrutina de servicio de interrupción, la cual, por lo general, no forma parte del programa, sino que pertenece al Sistema Operativo o al BIOS. Una vez finalizada dicha subrutina, se reanuda la ejecución del programa.

Un PC típico dispone en su Placa madre de un controlador de interrupciones 8259 de Intel. Este dispositivo electrónico dispone de hasta 16 líneas IRQ, numeradas desde el 00 hasta el 15.

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En las nuevas placas base este circuito está integrado junto con el resto del chipset y permite hasta 24 interrupciones.

Una interrupción puede ser requerida por cualquier periférico que necesite llevar o sacar información del sistema. De acuerdo al periférico, cada señal interrupción (IRQ) de ellos tiene una jerarquía o prioridad, a la cual responde el procesador.Tipos de Interrupciones.

1. Interrupciones de hardware. Estas son asíncronas a la ejecución del procesador, es decir, se pueden producir en cualquier momento independientemente de lo que esté haciendo el CPU en ese momento. Las causas que las producen son externas al procesador y a menudo suelen estar ligadas con los distintos dispositivos de E/S.

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2. Interrupción por Excepciones. Son aquellas que se producen de forma sincrónica a la ejecución del procesador y por tanto podrían predecirse si se analiza con detenimiento la traza del programa que en ese momento estaba siendo ejecutado en la CPU. Normalmente son causadas al realizarse operaciones no permitidas tales como la división por 0, el desbordamiento, el acceso a una posición de memoria no permitida, etc.

3. Interrupciones por software. Las interrupciones por software son aquellas generadas por un programa en ejecución. Para generarlas, existen distintas instrucciones en el código máquina que permiten al programador producir una interrupción.

Microprocesadores9. Alimentación. La Alimentación tiene que ver directamente con el

funcionamiento del PC, es decir, desde el procesador, las memorias y los diferentes dispositivos periféricos necesitan una determinada tensión de alimentación continua para que funcionen.

En los PC de hoy, la alimentación del procesador es una de las mas críticas, ya que el valor normalmente esta bajo los 3 volts y su corriente de alimentación puede llegar al orden de los amperes, por lo que normalmente junto al procesador en la placa madre, hay una fuente de poder pequeña pero poderosa para éste. Sobre el procesador existe un disipador metálico y un ventilador (cooler) o un sistema similar.

Los demás componentes son alimentados desde la denominada fuente de poder, que es una unidad que se encarga de transformar los 220 volts, 50 herz de entrada, en tensiones continuas de salida: +12 v, -12v, +5v, -5v, +3,3v.

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Fuente de poder, tabla de tensiones continuas de la fuente de poder y Placa madre de un PC.

Microprocesadores10. Arquitectura ó Tipos de Tecnologías de los procesadores.

La arquitectura de un procesador hace referencia a su diseño interno. Básicamente podemos encontrar dos famílias de arquiteturas: RISC y CISC.

Las arquitecturas RISC (reduced instruction set computer) se basan, como su propio nombre indica, en un conjunto de instrucciones reducido, pero eso no quiere decir que estos procesadores sean poco potentes. Todo lo contrario: la simplicidad de su diseño favorece que las instrucciones se ejecuten rápidamente, aunque sea necesario ejecutar varias de ellas para tener el mismo resultado que con una sola instrucción más compleja. Es la base de los procesadores que suelen incorporar los grandes sistemas como los mainframes debido a las posibilidades de paralelismo y de multi-tarea real que ofrece su diseño. Los procesadores ARM, incorporados en multitud de plataformas móviles y de videojuegos emplean también esta arquitectura.

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Por otra parte, las arquitecturas CISC (complex instruction set computer) usan una aproximación distinta. Disponen de un juego de instrucciones complejo y muy elaborado, incluyendo hasta instrucciones especiales para la gestión de datos multimedia.

Son las arquitecturas en las que se basan los procesadores para los computadores personales, como los de Intel o AMD.

Hoy, el conjunto de instrucciones de un procesador del tipo mencionado anteriormente son híbridos, es decir, posen tanto instrucciones RISC como CISC.

Microprocesadores Cuando se habla de la tecnología de un procesador, se

refiere a como esta construido éste. Normalmente en unidades llamadas nanómetros (.

Los nanómetros de un procesador apuntan al tamaño que tienen los transistores de ese procesador. A menor número de nanómetros, mayor será el número de transistores que tenga el procesador y menor será la distancia que haya entre ellos, y menor es la energía que se usa para comunicarlos entre ellos; generándose menos calor.

Las ventajas que se obtienen son: menor consumo de energía, menor producción de calor y mayor cantidad de transistores. Lo anterior implica mayor velocidad de procesamiento.El aumento de transistores en un procesador esta definido según la teoría de Moore (cada 18 meses se duplica el número de transistores en un procesador).

Fin de la Unidad 4.