Instalaciones Industriales

Microprocesadores de

los Sistemas de Control.

Microprocesadores de 8 bits.

El microprocesador Intel® 8085.

6to año 1ra división Electromecánica 1998

I.1 Sistema de microcomputador

Un sistema de microcomputador es un conjunto de objetos físicos, llamado hardware y un una serie de órdenes o programa, llamado software que administra y maneja a aquellos.

La función de un microcomputador es la de realizar operaciones preprogramadas a gran velocidad y para automatización de tareas.

La arquitectura básica de un microcomputador es simple y está compuesta por los siguientes componentes:

• Microprocesador: es un chip programable, objeto de estudio de este informe. De él se habla más adelante.

Figura I.1-1. Sistema de microcomputador con sus componentes principales.

• Memoria RAM: es una memoria de acceso aleatorio, o sea, en ella se pueden grabar y leer datos. Los datos son almacenados en transistores y capacitores en lenguaje digital. Esta memoria además es volátil, es decir sólo mantiene los datos mienstras está energizada.

• Memoria ROM: es una memoria de sólo lectura, en ella sólo se pueden leer datos grabados anteriormente. En la memoria ROM se suele contener el BIOS, que es el software principal de un microcomputador, ya que en el están escritas las líneas de programa que permiten las operaciones. Esta memoria no es volátil.

• Unidades E/S: las unidades E/S (Entrada/Salida) son dispositivos con los cuales los datos entran o salen del microcomputador. Ejemplos de unidades E/S son las unidades de almacenamiento, que son memorias RAM no volátiles de grandes capacidades.

• Buses de información: caminos o rutas por donde viaja la información, generalmente de 8 bits (o bus de 8 bits es un camino que contiene 8 hilos de oro). Los buses en un sistema de microcomputador son tres: el bus de datos, que es por el cual viaja la información; el bus de direcciones, por el cual el microprocesador indica a que dispositivo está enviando la información o de cual recibe; y el bus de control, por el cual el microprocesador indica la operación que quiere realizar con los datos. Por ejemplo: si el microprocesador necesita enviar el texto “imprimir” a la impresora, la operación sería la siguiente: por el bus de datos envía el texto “imprimir”, por el bus de direcciones envía el código que pertenece a la impresora y por el bus de control el código que pertenece a la operación de imprimir.

En este informe sólo será desarrollado el componente principal de un microcomputador, el microprocesador.

I.2 El microprocesador

El microprocesador es un circuito integrado o chip programable, que, dependiendo del modelo, contiene miles o millones de transistores distribuidos internamente en varios bloques funcionales. También lleva el nombre de Unidad Central de Proceso (CPU). Se dice que es programable porque su principal función es recibir instrucciones con el fin de suministrar las señales para los demás elementos del sistema, buscar y traer datos de un memoria, transferir datos desde y hacia los dispositivos de entrada y salida, decodificar instrucciones, etc.

I.3 Aplicaciones

El microprocesador fue diseñado originalmente para ser el “cerebro” de un sistema de cómputo, la cual es su aplicación más importante. Pero debido al crecimiento de la electrónico, hoy en día, se los usa también en electrodomésticos “inteligentes”, juegos electrónicos, intrumentos de medida, equipos de control para industrias, equipos médicos, calculadoras científicas, automóviles, robots, etc., etc., por lo que ha revolucionado totalmente, desde su invensión, la industria electrónica y el mundo en general.

I.4 Constitución física de un microprocesador

Un microprocesador es una pastilla envuelta en plástico o cerámica de unos pocos milímetros de longitud que alberga en su interior un gran número de transistores de silicio. La base de un microprocesador es de silicio, y sobre el están alojados los transistores (suiches eléctronicos). Las uniones entre el microchip y los pines metálicos de conexión son por medio de finos cables de oro.

La fabricación de los microprocesadores se debe realizar en ambientes casi perfectamente limpios, ya que una pequeña partícula de polvo que ingrese a la parte interna de estos puede deteriorarlo definitivamente. Debido a esto, el aire de las salas de impresión de microchips es entre 7 y 10 veces más puro que el de una sala quirúrgica.

I.5 Unidades de información

La información en un sistema de microcomputador es almacenada en lenguaje binario. Este sistema fue elegido debido a que es el de más fácil manejo y que el microprocesador sólo debe comprender dos valores o dos estados. Esos estados son: alto y bajo, si el microprocesador recibe una señal de valor alto (entre 3,3 y 5 voltios) lo representa como 1 y si la señal es de valor bajo (aproximadamente 0 volt) lo representa como 0.

La representación de 1 o 0 es la unidad más pequeña de almacenamiento y se la define como bit.

La capacidad de operación de un microprocesador está basada en la cantidad de bits que puede manejar por vez. Es obvio que a mayor cantidad de bits manejados mayor será la capacidad. La cantidad de bits varía entre 4 y 64 y su conjunto se llama palabra. El microprocesador más nativo puede operar palabras de 4 bits, una palabra que procesa por vez podría ser: 1010.

El almacenamiento de la información el microprocesador la realiza en una clase de memoria. Aquí la información es ordenada en registros. Cada registro contiene un dato y su longitud varía (de 4 bits a 32 bits).

La unidad básica de almacenamiento es el byte, el cual es el conjunto de 8 bits. Cada byte es un caracter de información. Por lo tanto para almacenar el dato “microprocesador” en una memoria se necesitarían 15 bytes de espacio. Debido a que el byte es una unidad muy pequeña se definieron los múltiplos de este:

I.6 Principales características de los microprocesadores

Las características de los microprocesadores son las siguientes:

Fabricante: Compañia fabricadora del chip (Intel, Motorola, Cyrix, Texas Instruments, AMD, etc.).

Modelo: prototipo (4004, 8008, 8080, 8085, 6800, 80186, 80286, 80386, 80486, etc.)

Año: época de su invensión.

Tecnología: tecn. de fabricación (CISC, RISC, etc.)

Velocidad del reloj: velocidad de proceso en Mhz (8 Mhz, 12 Mhz, 40 Mhz, 75 Mhz, etc.)

Ancho de bus de datos interno: longitud en bits de la palabra (4 bits, 8 bits, 16 bits, etc.)

Los nuevos microprocesadores tienen otras características menos relevantes, que no vienen al caso, y que por ello no se las nombran.

I.7 Reseña histórica

La electrónica de los años 40 era manejada por los viejos tubos de vacío, los cuales han sido reemplazados hoy en día por componentes de semiconductores (diodos, triacs, tiristores, transistores, etc.)

Luego de la invensión del transistor en 1947 por los Laboratorios Bell, la microelectrónica ha avanzado muy rápidamente.

En 1959, la firma Texas Instruments logra plasmar en una misma pastilla 6 transistores, dando origen así a los circuitos integrados.

En 1971, aparece el primer microprocesador, fabricado por Intel Corp.. El cual manejaba datos de 4 bits y tenía 2.300 transistores.

En 1972, la misma empresa desarrolla el primer microprocesador de 8 bits, el 8008 con 10 mil transistores.

En 1979 se crean los microprocesadores 8080 y 8085 de 29 mil transistores. Ese mismo año Motorola (fuerte competidor de Intel) lanza el 6800.

En 1982, Intel lanza el 80286 de 16 bits con 134 mil transistores.

En 1985, aparece el 80386 de 32 bits con 275 mil transistores.

De aquí en más aparecen los sucesivos micros. de 32 bits: 80486, Pentium, K5, 6x86, Pentium Pro, K6, M2, etc, de millones de transistores.

Actualmente el microprocesador más rápido para microordenadores es el Alpha, de Digital Semiconductor y Mitsubishi Electric. Este es de 64 bits y posee 9.3 millones de transistores y su velocidad es de 400, 466 y 533 Mhz. Otros microprocesadores potentes de 64 bits son el PowerPC y el G3 de Motorola, ampliamente usado hoy en día en las computadoras Macintosh de Apple Corp.

I.8 Objeto de estudio

Los microprocesadores dependiendo de el ancho de palabra que pueden trabajar pueden ser de: 4 bits (palabra de 4 bits), 8 bits, 16 bits, 32 bits y 64 bits.

La computadoras de hoy en día utilizan microprocesadores de 32 y 64 bits, aunque todavía se utilizan micros de 16 bits (micros 80286).

Los micros de 4 bits, hace años que ya no son utilizados por su baja velocidad de operación. Y los micros de 8 bits se los usan solo en pocas excepciones, como pequeños sistemas de control.

Resumiendo, los micros de 4, 8 y 16 bits ya no son útiles, y pronto tampoco lo serán los de 32 bits.

Pero para el estudio, usaremos un microprocesador de 8 bits: el INTEL® 8085. Debido a que los demás micros son muy complejos y la arquitectura básica de todos los microprocesadores es la misma.

II.1 Arquitectura de un microprocesador de 8 bits

La forma de operar, así como la arquitectura de todos los microprocesadores de 8 bits, es muy similar. Se ha decidido estudiar el microprocesador 8085 de la firma INTEL® por las razones expuestas en el apartado 1.8.

El microprocesador 8085 es un dispositivo que, como ya sabemos, opera con una palabra de 8 bits y es capaz de direccionar, con sus 16 líneas, hasta 64K de posiciones de memoria. Fabricado en tecnología NMOS, está constituido por 6.200 transistores. Es un circuito integrado con cápsula dual in line de 40 patillas.

Para realizar las operaciones el 8085 es capaz de decodificar 74 tipos de instrucciones distintas (ver capítulo III).

La tensión de alimentación es única y de 5 voltios de corriente contínua, que se aplican en los terminales Vcc (+) y Vss (masa). Como todo microprocesador que forma parte de un sistema digital programable, necesita un reloj o oscilador para sincronizar las operaciones que realiza el sistema. En este caso el reloj está incorporado en el propio chip y genera una señal digital de una frecuencia igual a 3,125 Mhz (es obvio que mienstras mayor sea la frecuencia mayor será la velocidad de proceso, hoy en día existen microprocesadores de más de 500 Mhz).

II.2 Nomenclatura de los terminales del microprocesador INTEL® 8085

En la figura II.2-1 se muestra el símbolo lógico del microprocesador 8085 con la denominación de sus cuarenta terminales. Por estos terminales el microprocesador emite o recibe señales digitales. A continuación describiremos la misión que corresponde a cada uno de ellos. Para facilitar la comprensión, unas veces serán tratados simplemente como terminales o patas del dispositivo, otras como señales, y en todos los casos se indicará si son de entrada, de salida o ambas cosas a la vez.

A8-A15. Estos terminales corresponden a las salidas de los 8 bits más significativos del bus de direcciones del sistema que está integrado el microprocesador.

AD0-AD7. Es un conjunto de terminales de entrada/salida que realizan una doble función. Mediante un multiplexor, el microprocesador se comunica en primer lugar con los 8 bits más significativos del bus de direcciones y posteriormente con el bus bidireccional de datos.

ALE. Address Latch Enable (Activación del biestable latch de direcciones). Es una salida que determina si la información presente en las líneas AD0-AD7 corresponde a un dato o a una dirección. Se utiliza para dispara un registro de 8 bits que memoriza la parte baja de una dirección.

S0-S1. Son salidas que informan del estado del bus de datos. Indican el tipo de ciclo de máquina que el microprocesador realiza: búsqueda, lectura, escritura o paro.

RD.Read. Salida que se emplea para indicar que la posición de memoria o dispositivo de E/S seleccionado quiere ser leído por la CPU y, además que el bus de datos esté disponible para realizar la transferencia.

WR.Write. Salida que se utiliza para indicar que la información presente en el bus de datos ha de ser escrita en la posición de memoria o dispositivo de E/S direccionado.