2 INTRODUCCION MICROPROCESADORES

Capitulo 1

Introducción a los Microprocesadores y Microcontroladores Conceptos Generales Orientador:

José Fernando Pérez V 1

Introducción a los Microprocesad Microprocesadores ores y Microcontroladores

Diagrama de bloques General de una Aplicación Electrónica con Procesamiento Digital


Diagrama de bloques General de una Aplicación Electrónica con Procesamiento Digital


Tecnologías usadas en el procesamiento digital

TTL: Lógica Transistor Transistor CMOS: Metal Óxido Semiconductor Complementario ECL: Lógica de Emisor Acoplado

programable PAL : Arreglo Lógico programable GAL : Arreglo lógico lógico genérico PLDs: Dispositivos Dispositivos de Lógica Programable FPGA: Campos Campos de Matrices de Puertas Programables

Microprocesadores Microcontroladores DSP’s : Procesador digital de Señales Psoc: Program System on Chip


DEFINICIONES

Microprocesador: es un circuito de gran escala de integración que contiene la CPU completa de una computadora en un único circuito integrado. i ntegrado.

CPU

Unidad de Control

Bus de Direcciones

Bus de Control Bus de Datos

Registros

ALU (Unidad Aritmético Lógica)

4

Introducción a los Microprocesadores y Microcontroladores

Sistema básico Microprocesado

Bus de Direcciones

CPU

E/S

MEMORIA Bus de Datos Bus de Control

Reloj

5


Sistema básico de un computador

Teclado Monitor

Ratòn Unidades de Memoria: RAM, ROM, DISCO, ETC

Puerto de Entrada

Impresora

Puerto de Salida

Bus de direcciones CPU

Bus de Datos Bus de Control

Computadora 6


Fecha de presentació n

Velocidad de reloj

Anch o de bus

Número de transistores

Historia y evolución de los procesadores

Memoria direccionab le

Memoria virtual

Breve descripción

4004

15/11/71

108 KHz.

4 bits

2.300 (10 micras)

640 byte

Primer chip con manipulación aritmética

8008

1/4/72

108 KHz.

8 bits

3.500

16 KBytes

Manipulación Datos/texto

8080

1/4/74

2 MHz.

8 bits

6.000

64 KBytes

10 veces las (6 micras) prestaciones del 8008

8086

8/6/78

5 MHz. 8 MHz. 10 MHz.

16 bits

29.000 (3 micras)

1 MegaByte

10 veces las prestaciones del 8080

8088

1/6/79

5 MHz. 8 MHz.

8 bits

29.000

80286

1/2/82

8 MHz. 10 MHz. 12 MHz.

16 Bits

134.000 (1.5 micras)

16 Megabytes

1 Gigabyte

De 3 a 6 veces las prestaciones del 8086

Microprocesador Intel 386 DX®

17/10/85

16 MHz. 20 MHz. 25 MHz. 33 MHz.

32 Bits

275.000 (1 micra)

4 Gigabytes

64 Terabytes

Primer chip x86 capaz de manejar juegos de datos de 32 bits

Microprocesador Intel 386 SX®

16/6/88

16 MHz. 20 MHz.

16 Bits

275.000 (1 micra)

4 gigabytes

64 Terabytes

Bus capaz de direccionar 16 bits procesando 32bits a bajo coste

Idéntico al 8086 excepto en su bus externo de 8 bits

7


Fecha de presentació n

Microprocesador Intel 486 DX®

Microprocesador Intel 486 SX®

10/4/89

22/4/91

Velocidad de reloj

25 MHz. 33 MHz. 50 MHz.

16 MHz. 20 MHz. 25 MHz.

Anch o de bus



Memoria direccionab le

Memoria virtual

Breve descripción

32 Bits

(1 micra, 0.8 micras en 50 MHz.)

4 Gigabytes

64 Terabytes

Caché de nivel 1 en el chip

32 Bits

1.185.000 (0.8 micras)

4 Gigabytes

64 Terabytes

Idéntico en diseño al Intel 486DX, pero sin coprocesador matemático

32 Bits

3,1 millones (0.8 micras)

4 Gigabytes

64 Terabytes

Arquitectura escalable. Hasta 5 veces las prestaciones del 486 DX a 33 MHz.

33 MHz.

Procesador Pentium®

22/3/93

60 MHz. 66 MHz. 75 MHz. 90 MHz. 100 MHz. 120 MHz. 133 MHz. 150 MHz. 166 MHz. 200 MHz.

8

Introducción a los Microprocesadores y Microcontroladores Fecha de presentación

Velocidad de reloj

Ancho de bus



Memoria direccionable

Memoria virtual

Breve descripción

Procesador PentiumPro®

27/3/95

150 MHz. 180 MHz. 200 MHz.

64 Bits


4 Gigabytes

64 Terabytes

Arquitectura de ejecución dinámica con procesador de altas prestaciones

Procesador PentiumII®

7/5/97

233 MHz. 266 MHz. 300 MHz.

64 Bits


4 Gigabytes

64 Terabytes

S.E.C., MMX, Doble Bus Indep., Ejecución Dinámica

32-bit processors: Pentium Pro, II, Celeron, III, M, Core

Pentium Pro, Pentium II, Celeron (Pentium II-based), Pentium III, Pentium II and III Xeon, Celeron (Pentium III Copperminebased), Celeron (Pentium III Tualatin-based), Pentium M, Celeron M, Intel Core,

32-bit processors: Pentium 4 range

Pentium 4, Xeon, Mobile Pentium 4-M, Pentium 4 EE, Pentium 4E,

The 64-bit processors: EM64T

Dual-Core Xeon LV: 1) Sossaman 0.065 µm (65 nm) process technology; 2) Variants 2.0 GHz

Pentium 4F: 1) 3.2 – 3 .6 GHz

Pentium 4F, D0 and later steppings, Pentium D, Pentium Extreme Edition, Intel Xeon, Intel Core 2: 1) 0.065 µm (65 nm) process technology; 2) Core 2 Duo T5500 - 1.66GHz

9




Memorias

La memoria es la parte de un sistema que almacena datos binarios en grandes cantidades. Las memorias semiconductoras están formadas por matrices de elementos de almacenamiento que pueden ser Fets, latches o condensadores.

11


Memorias

Matriz de almacenamiento de 64 celdas, organizada en tres formas diferentes

Celda

1

1

1

2

2

2

3

3

3

4

4

4

5

5

5

6

6

6

7

7

7

8

8

8

13

61

14

62

15

63

16

64

1

2

3

4

5

6

7

Matriz 8X8

Celda: elemento de almacenamiento de 1 bit

8

1

2

3

4

Matriz 16 X 4

Matriz 64 x 1


Memorias

Dirección y Capacidad de las memorias 1

1

2

2

3

3

4

4

5

5

6

6

7

7

8

8 1

2

3

4

5

6

7

8

La dirección del bit resaltada en gris Oscuro Corresponde a la fila 5, columna 4.

1

2

3

4

5

6

7

8

La dirección del byte resaltada en gris oscuro corresponde a la fila 3

13


Memorias

Diagrama de Bloques de una memoria

Bus de Direcciones

Decodificador de Direcciones

Matriz de Memoria

Lectura

Bus de Datos

Escritura

Señales de control

14


Memorias Registro de datos

Registro de direcciones Matriz de Memoria Organizada en Bytes

101 1

1

0

0

0

0

1

0

1

0

1

0

0

0

1

1

2

0

1

0

0

1

0

1

0

3

1

1

0

0

0

0

0

1

1

1

1

0

1

0

0

0

1

0

0

0

1

1

0

1

0

1

1

1

0

0

1

0

1

0

0

0

0

0

0

0

0 1

1 Bus de Direcciones

10001101

4 5 6 7

Bus de datos

2

Lectura Escritura 3 Lectura Escritura 3 Señales de control Señales de control

1 El código de dirección 101 se coloca en el bus de direcciones y se selecciona la dirección 5 2 El byte de datos se coloca en el bus de datos 3 El comando de escritura o lectura hace que el byte de datos se almacena en la dirección 5, o se lea de la dirección 5, según sea la orden de la señal de control. 15


Memorias

CLASIFICACION DE LAS MEMORIAS Memoria RAM: (random-Access memory) la memoria de acceso aleatorio es un tipo de memoria en la que se tarda lo mismo en acceder a cualquier dirección de memoria y estas se pueden seleccionar en cualquier orden tanto en una operación de lectura com o de escritura.

La información almacenada es v o látil, ya que en cuanto se desconecta la alimentación, se pierden datos.

16


Memorias

Memoria ROM: (read-only memory, memoria de solo lectura) es un tipo de memoria en la que los datos se almacenan de forma permanente o semipermanente. Los datos se pueden leer de una ROM, pero no existe la operación de escritura como en la RAM. Los datos almacenados permanecen incluso si se desconecta la alimentación, por esta razón reciben el nombre de no volátiles.

17


Clasificación de la Memoria RAM:

Memorias

Memoria de acceso aleatorio

(RAM)

RAM Dinámica (DRAM)

RAM Estática (SRAM)

SRAM Asíncrona (ASRAM)

SRAM De ráfaga Sincronía (SB SRAM)

DRAM Con modo Página rápido (FPM SRAM)

DRAM EDO DRAM Con salida de En ráfaga Datos extendida (BEDO DRAM) (EDO DRAM)

DRAM Sincrona (SDRAM)

DDRAM Doble Tasa deTransfer (SDRAM)

18


Memorias

RAM estática (SRAM) : se caracterizan por las celdas de almacenamiento con FlipFlops que, típicamente, se implementan en circuitos integrados con varios transistores MOS (MOSFET). Cuando se aplica alimentación continua a una celda de memoria estática se puede mantener un estado 1 o 0 indefinidamente. Selección de bit

+Vcc

Datos

Datos’

19


Memorias

RAM dinámica (DRAM): Las celdas de las memorias dinámicas almacenan un bit de datos en un condensador en lugar de un latch, la ventaja de este tipo de celda es que es muy sencilla, lo que permite construir matrices de memoria muy grandes en un chip a un coste por bit mas bajo que el de las memorias estáticas. La desventaja es que el condensador de almacenamiento no puede mantenerse cargado por mucho tiempo y el dato almacenado se pierde a no ser que su carga se refresque periódicamente.

Columna (línea de bit)

Fila

20


Memorias

DDR-RAM, del acrónimo inglés Double Data Rate, significa memoria de doble tasa de transferencia de datos en castellano. Son módulos compuestos por memorias síncronas (SDRAM), disponibles en encapsulado DIMM, que permite la transferencia de datos por dos canales distintos simultáneamente en un mismo ciclo de reloj.

21


Memorias

22


Memorias

E j em p l o d e a lg u n a s m e m o r i a s R A M c o m e r c i al es

NOMBRE DE LOS PINES A0 - A15 Adress inputs D0 - D7 Data input/output DI Data Input DO Data Ouput CS Chip selector WE Escritura /Lectura OE Output Enable

PIN MODO NO SELECCIÓN ESCRITURA LECTURA

CS

WE

I/O

1 0 0

X 0 1

H-Z Din Dout

23


Memorias

Clasificación de la Memoria ROM:

ROM Memoria de solo lectura

ROM de mascara

ROM Programable (PROM)

PROM Borrable por ultravioleta (EPROM)

PROM Borrable Eléctricamente (EEPROM)

24


Memorias

ROM : Memoria de solo lectura Celda Memoria ROM La memoria ROM es una memoria programada de forma permanente durante el proceso de fabricación. Una vez que se programa la memoria, esta no puede cambiarse. La mayoría de los circuitos integrados ROM utilizan la presencia o ausencia de una conexión de transistor en una unión fila/columna para presentar un 1 o un 0.

cero (0)

Uno (1) Celdas MOS


Memorias

Matriz ROM de 16 x 8 bits 0

0 Línea de entrada de direcciones

Decodificador de Direcciones

Fila 0

1 Fila 1 2

Fila 2

2 4 8

14

Fila 14

15

Fila 15

0 1

1

2

6

0 Líneas de Salida de Datos

7


Memorias

Símbolo Lógico de una ROM de 256 x 4

Línea de entrada de direcciones

A0 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 Eo E1

ROM 256 x 4

Q0 Q1 Q2 Q2

Líneas de salida de datos

&

27


Línea de entrada de direcciones

Dirección De Columna

A0 A 1 A 2 A 3 4 A

A 5 A 6 A

Memorias

Decodificador De Filas 1-32

Matriz de memoria 32 x 32

Decodificadores de columna 1 de 8

7 Habilitación Del chip

Eo E1

ROM de 1024 bits con una Organización de 256 x 4 Basada en una matriz 32 x 32

Buiffers De Salida

Q3

Q2

Q1

Q0


Memorias VDD

Memoria PROM: (Memoria de solo lectura Programable): Utiliza algún tipo de fundición para almacenar bits, donde un hilo de memoria se funde o se queda intacto para representar un 0 o 1. el proceso de fundición es irreversible: una vez que una PROM ha sido programada no puede cambiarse.

Filas

Columnas 29


Memorias

Memoria EPROM (Memoria de solo lectura programable y borrable): es una PROM borrable, es decir que puede ser reprogramada de forma eléctrica si antes se borra el programa existente en la matriz de memoria.

UV EPROM: se puede reconocer por la ventana de cuarzo transparente de su encapsulado. Su borrado es por medio de luz ultravioleta EEPROM: es una PROM cuyo proceso de borrado y programado se hace eléctricamente.

30


Memorias

Símbolo Lógico de una EPROM de 2048 x 8 A0 A1 A2 A3 A4 A5 A60 A7 A8 A9 A10

EPROM 2048X8

Q0 Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 Q7

CE/PGM OE

&

EN

31


Memorias

Programador Universal: Dispositivo electrónico que permite, leer, borrar y programar, memorias tipo EPROM, EEPROM, FLASH, microcontroladores, PLD´s entre otros.

Borrador de memorias UV EPROM: Dispositivo electrónico temporizado, para exponer a luz ultravioleta las memorias EPROM.

32


Memorias

Memoria FLASH : Son memorias de lectura/escritura de alta densidad no volátil, lo que significa que pueden almacenar los datos indefinidamente en ausencia de alimentación. Es la memoria ideal , tiene alta capacidad de almacenamiento, permite lectura y escritura, alta velocidad y no volátil. La célula de memoria flash es monotransistor (MOS), con una puerta de control y una flotante donde se almacenan los electrones (carga)

33


Memorias

Célula de almacenamiento De una memoria flash

+VD

+VD

Drenador Puerta flotante

Puerta Flotatente Puerta de Control

Símbolo del Transistor MOS

+VPROG

Fuente 0V almacenando un 0

almacenando un 1

Proceso de Almacenamiento De un 1 o 0 en una célula Flash Durante la programación Pocos Muchos electrones = menos electrones = mas carga = 0 almacenado carga = 1 almacenado


Memorias

Operación de Lectura de una célula flash de una matriz +VD

+VD

i +VREAD

+VREAD

0V

Lectura de un 0

0V

Lectura de un 1


Memorias

Operación de Borrado de una célula flash de una matriz

Para borrar una célula, se aplica a la fuente Una tensión suficientemente positiva con Respecto a la puerta de control, con el fin de Extraer la carga de la puerta flotante durante La operación de borrado

0V

+ERASE

36


Memorias

Ejemp lo de algunas mem orias EPROM com erciales

Vcc = 5V Vpp = 25V PIN NAMES

A0 - A12

Address es

CE

Chip Enable

OE

Output Enables

O0 - O7

Outputs

PGM

Program

VPP

Voltage Program

MODO

PIN

Lectura Desactivado Programacion Vrificacion del Programa Promacion Prohibida

CE OE PGM Vpp Vcc Outputs 0 1 0 0 1

0 X X 0 X

1 X 0 1 X

Vcc Vcc Vpp Vpp Vpp

Vcc Vcc Vcc Vcc Vcc

Dout Alta Z Din Dout Alta Z

37


Memorias

Comparación de los Tipos de Memorias

Reescribible en El sistema final

Volátil

Alta densidad

Celda con un solo transistor

FLASH

No

SI

SI

SI

SRAM

SI

No

No

Si

DRAM

SI

Si

Si

Si

ROM

No

Si

Si

No

EPROM

No

Si

Si

No

EEPROM

No

No

No

Si

Tipo de memoria

38


Sistema microprocesado

Esquema de Un Sistema Microprocesado RD WR RD

RD

ROM

RAM CS

CPU Z80

D

A

WR

RD

WR

I/O(8255) CS

CS

DATOS

DIRECCIONES

DECODIFICADOR

39


MICROPROCESADOR

CPU

Bus de Datos

ALU

Bus de Direcciones

REGS

Bus de control

CU

Sistema microprocesado

El microprocesador es un circuito integrado que realiza opera raciones de transferencia de datos, control, aritméticas, lógicas y tratamientos de las interrupciones mediante la ejecución de instrucciones obtenidas en la memoria.

40


Microprocesador

BLOQUES FUNCIONALES DE UN PROCESADOR: 

Unidad de cálculo (ALU): para la ejecución de operaciones aritmético y lógicas.

Unidad de control (UC): capaz de coordinar el funcionamiento de todo el sistema y de tomar decisiones en función de resultados previos. 

Sistema de Memoria: para la obtención de instrucciones (Programa) y almacenamiento de información (variables del programa). 

Un Sistema de Entradas/Salidas: para establecer la comunicación con el mundo exterior (recepción de órdenes, datos, y entrega de resultados tanto de carácter analógico como digital). 

41


Microcontroladores

MEMORIA RAM

Un m i c r o c o n t r o l a d o r integra la CPU y todos los periféricos en un mismo chip. El programador se desentiende de una gran cantidad de dispositivos y se concentra en el programa de trabajo.

MEMORIA ROM

CPU

CONVERTIDOR A/D

CONVERTIDOR D/A Temporizador

Puerto Paralelo

Puerto Serie


Microcontroladores

CARACTERÍSTICAS DE LOS MICROCONTROLADORES 

Un sistema con estructura integrada.

Gran capacidad para atender interrupciones en cuanto a rapidez y gestión de prioridades. 



Arquitectura dotada para el multiprocesamiento.

Memoria RAM y ROM interna de gran capacidad, y facilidad para adicionar memoria externa. 

Controladores de periféricos adaptados para aplicaciones específicas y cada vez más inteligentes. 



Versión de bajo consumo para aplicaciones especiales.



inmunidad al ruido eléctrico.



Ejecución rápida y eficiente de instrucciones.



Líneas de Entrada/Salida programables.


Microcontroladores

Clasificación de Los Microcontroladores Propósito general DSP (Digital Signal Processor).  ASIP (Application Specific Integrated Processor).  Otros  

Por la Arquitectura

Clasificación de los Microcontroladores

Por las Prestaciones

Por la Tecnología

Gama Baja  Gama Media  Gama Alta  Multiprocesador 

  

Alimentación Consumo Frecuencia

44


Microcontroladores

Im a g e n y S o n i d o :

Inf o rm áti c a : Impresoras, Plotters CDROM

La industria : Regulación, Automatismos, Robótica, Control de procesos, Control de inyección

Procesamiento de Señales control de los motores Luces Robóticas, vídeo, etc.

Aplicaciones Típ ic as d e u n microcontrolador

Seguridad : Control de encendido, Alarmas, Control de energía, Remoto de electrodomésticos, etc.

Oficina: fax fotocopiadoras.

Elec tr o d o m é s ti co s : Calefactores, lavadoras, lavavajillas, etc.

OTROS: En medicina. En aplicaciones militares. En edificios inteligentes.

45


Microcontroladores

Motorola Intel Las casas fabricantes de μC m ás co no ci das en el m ercado actualmente son :

Zilog Microchip National Semiconductor Mitsubishi Rockwell Dallas

46


INTEL

Microcontroladores

MCS-48 MCS-51

Microchip

PIC16FXX PIC18FXX

Zilog

Z8XX Z8608 Z8603

A l gu n a s Familias de M i c ro c o n t ro l a d or e s :

Motorola

68XX 68HC11 47

2 INTRODUCCION MICROPROCESADORES

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