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Componentes del Microprocesador.

Un microprocesador es un circuito donde se encuentran integrados una serie de bloques que le permiten realizar las funciones para las que ha sido fabricado. Los bloques fundamentales son:

· Unidad de control (Control Unit)

· Unidad aritmético lógica

· Registros internos.

· Buses internos.

· Interrupciones.

El funcionamiento básico de un microprocesador consiste en leer y ejecutar paso a paso todas y cada una de las órdenes programadas por el diseñador del sistema.

El proceso de funcionamiento es el siguiente:

1. - El microprocesador, al iniciarse, como todos los sistemas secuenciales, se inicializará en una posición de memoria definida, desde donde empieza el proceso.

2. - El sistema lee el dato que hay en esa posición y lo envía a la unidad de control.

3. - La unidad de control decodifica la instrucción y la ejecuta dando las señales adecuadas.

4. - Se incrementa el contador de programa (registro interno que se encarga de indicar a qué posición de memoria hay que ir).

5. - Y se vuelve a repetir desde el punto 2 y así sucesivamente hasta que una señal exterior interrumpa el proceso.

Unidad de control (Control Unit)

Se podría decir que es el cerebro del microprocesador, ya que genera todas las señales tanto de control interno como externo. A él le llegan unos códigos (una combinación de bits) que son decodificados y ejecutados. Estos códigos, en general, pueden ser instrucciones de los siguientes tipos:

1. - La realización de una operación aritmético-lógica. En este caso además de la instrucción, hay que indicar al sistema dónde se encuentran los datos a operar.

2. - Cargar o leer datos. Esto puede servir para leer datos como temperatura, posición de una pieza, etc. O bien accionar un motor, visualizar datos a través de led o visualizadores, etc.

3. - Saltos o interrupciones. Mediante este tipo de instrucciones, el microprocesador hace que el programa siga en otra zona de memoria o que realice lo que se llama una subrutina. La subrutina no es más que un programa con una función especifica y que se ejecuta desde varias posiciones. Cuando termina de ejecutarse la subrutina, el microprocesador regresa a la posición siguiente a la que estaba cuando se produjo la interrupción.

Registros internos.

Dentro del microprocesador hay una serie de memorias que, al estar internas, éste maneja de forma especial. Estas posiciones de memoria interna llamadas registros, pueden tener una utilidad general o una utilidad específica. Los registros más generalizados son:

1. - Registros de datos. Son los utilizados para las operaciones aritmético-lógicas, manipulación de datos, etc.

2. - Registros de direcciones. Son aquellos que el microprocesador utiliza para acceder a una posición del mapa de memoria. Hay fundamentalmente tres:

A.- Contador de programa, es el registro que normalmente se utiliza para leer o escribir datos del programa.

B.- Puntero de pila, es el registro que el microprocesador utiliza para guardar y recuperar datos de uso fundamentalmente interno. El registro define la posición de memoria donde se encuentra dichos datos.

C.- Registros índices, son utilizados para acceder a posiciones de memoria de forma relativa.

3. - Registro de estado, es un registro en el cual cada bits da una información especifica como puede ser que la última operación a dado resultado positivo, negativo, ha sido cero. Etc.

Buses internos.

Al igual que para direccionar memorias y leer datos, es necesario que se organicen buses, internamente también son necesarios para acceder a las diferentes partes del circuito.

Vectores.

Cuando en un sistema de microprocesador se da una dirección de memoria, es necesario hacerlo en varias posiciones de memoria. Estas son función del número de líneas que posea el bus de datos y el de direcciones. En el caso del microprocesador R6502, el bus de direcciones lo forman 16 líneas y el de datos 8. Por tanto, para tener una dirección en memoria, es necesario escribirla en dos posiciones consecutivas. Se dice que en estas posiciones tenemos un vector (dirección). El R6502 forma un vector colocando en primer lugar el byte de menor peso y a continuación el de mayor peso. Si en la posición 2102 y 2103 hay un vector, la dirección resultante será 5234.

Interrupciones.

Todos los microprocesadores disponen de unas entradas especiales para interrumpir la secuencia de programa y realizar un programa especial. Estas líneas se utilizan solo para casos especiales.

Microprocesador 6502. Bloques internos

Dentro de la amplia gama de microprocesadores que hay en el mercado, se va a analizar el R6502; aunque es un modelo antiguo cumple los objetivos de este libro.

1. - la unidad de control con sus circuitos asociados: bloque de interrupciones, control de tiempos y el registro P.

a.- Las interrupciones son tres:

- Entrada de inicialización (/R/E/S), se activa cuando le llega un nivel bajo (0) bloqueando el funcionamiento del microprocesador hasta que esta señal no cambia hacia un nivel alto. En ese instante el microprocesador lee los datos que hay en las direcciones FFFC h y FFFD h (vector de reset), los carga en el contador de programa (PCL y PCH respectivamente) y empieza a funcionar leyendo el código de operación que hay en esa dirección.

- /I/R/Q. Es una interrupción enmascarable, es decir, se puede programar para que la atienda o para que no lo haga según le interese al programador. Se activa al recibir un nivel bajo; en ese momento termina de realizar la instrucción que estuviera realizando y seguidamente interrumpe la secuencia del programa para realizar una subrutina. La dirección de esta subrutina está en las direcciones FFFE h y FFFF h. Una vez realizada la subrutina, el microprocesador continúa realizando el programa en el mismo punto en que lo dejó.

- /N/M/I. Es una interrupción no enmascarable (la atiende siempre); realiza una función similar a la de la /I/R/Q. La dirección de la subrutina está en las direcciones FFFA h y FFFB h.

b.- El registro de estado está compuesto por ocho bits, donde cada uno actúa indicando si se cumple o no una condición.

2. - Registros. Como se aprecia tiene los siguientes registros:

a.- Registros índice X e Y. Los utiliza para acceder a unas posiciones de memoria de forma que el contenido de estos registros, normalmente, hay que sumarlos con otro dato y ello nos da la dirección final.

b.- Puntero de pila S. Es utilizado para el manejo de una zona de memoria como pila, donde el microprocesador guarda y recoge datos temporales necesarios para su funcionamiento. En el R6502, esta zona es la comprendida entre el 0100 h y el 01FF h (página uno).

c.- Registro A o acumulador. Es un registro de datos, lo utiliza para transferir o recibir datos y para casi todas las operaciones con la unidad aritmético-lógica.

d.- Los registro del contador de programa PCL y PCH. Son dos porque los registros son de 8 Bits y se necesitan 16 bits para direccionar toda la memoria.

3 - Unidad aritmético-lógica (ALU). Realiza las siguientes operaciones: suma, resta, incremento, decremento, giro y rotaciones.

ARQUITECTURA BÁSICA. R6502.

Buses.

Una de las características de los microprocesadores, es que los datos, direcciones y otras líneas de control pueden ser compartidas por diferentes circuitos, por lo que hay que organizarlos como buses.

En un sistema de microprocesadores hay tres buses:

1. - Bus de direcciones. Por el se selecciona la posición de memoria o el dispositivo al que se va a escribir o leer los datos. La dimensión o número de líneas que lo componen, depende del microprocesador que utilicemos.

2. - Bus de datos. Es el conjunto de líneas por donde se transmiten los datos. A los microprocesadores se les suele dividir en función del número de bits que forman el dato.

Inicialmente eran de 4 bits; después se fueron fabricando circuitos con mayor capacidad como los de 8, 16, 32 y 64 bits. Esta evolución ha sido forzada por la informática, que cada vez necesita unas prestaciones mayores. Industrialmente se siguen utilizando los de 8 y 16 bits.

3. - Bus de Control. Además de datos y direcciones, hay otras líneas que sirve para controlar el sistema. Una de esas líneas es la de reset (inicialización del microprocesador)

Arquitectura básica del microprocesador.

En un sistema con microprocesador existen fundamentalmente los siguientes componentes:

Memoria ROM. Contiene el programa de control del sistema, dependiendo del microprocesador que se use; puede estar en cualquier lugar del mapa de memoria o en una zona determinada. Por ejemplo, en el R6502, una ROM debe de ocupar la parte alta, ya que es allí donde se encuentran los vectores de reset e interrupciones (FFFA h, FFFB h, FFFC h, FFFD h, FFFE h Y FFFF h).

Memoria RAM. Memoria donde el sistema puede contener datos o el programa. Dependiendo del microprocesador que utilicemos puede utilizar una o varias zonas del mapa de memoria. El R6502, debe de tener memoria RAM al menos en la página uno (0100 h a 01FF h), ya que esa zona la utiliza el registro S necesaria y obligatoriamente para guardar datos.

Circuitos de entrada-salida (I/O devices). Circuitos que permiten la comunicación entre el microprocesador y el exterior. Aquí se pueden incluir visualizadores, teclados, convertidores analógico-digital (A/D) o digital-analógico (D/A), etc.

Además de estos elementos fundamentales en cualquier sistema, debe de haber el circuito oscilador, que es el que va sincronizando el funcionamiento del sistema y el circuito de inicialización, que activará una de las líneas de control (entrada de inicialización del microprocesador).

¿Qué es la CPU?

La CPU (Central Processing Unit, Unidad Central de Procesamiento) se describe como el cerebro de la computadora. Sin embargo, está mucho más cerca de ser una calculadora veloz con habilidad para almacenar números, realizar operaciones aritméticas simples y guardar resultados. Como es incapaz de pensar, la CPU no reconoce los números que maneja. Sólo se trata de una máquina matemática. La razón por la cual nuestra computadora puede proveernos de un entorno cómodo para trabajar o jugar es que los programas y el hardware “entienden” esos números y pueden hacer que la CPU realice ciertas acciones llamadas instrucciones.

¿Qué es la velocidad de reloj?

En el microprocesador, todas las partes internas trabajan en sincronismo, gracias a un reloj interno (o clock) que actúa como metrónomo. Con cada ciclo de reloj (o pulso), la CPU puede ejecutar una instrucción del software. La velocidad de reloj es la cantidad de ciclos por segundo generados. Cuanto más alto sea ese valor, más veloz será la computadora. Típicamente, un procesador Intel Pentium III trabaja a una velocidad de unos 450 MHz (o más), lo cual significa 450 millones de ciclos por segundo.

¿Qué es overclocking?

Muchos usuarios no se conforman con lo que tienen así que optan por acelerar todo un poco más. El término overclocking se refiere al proceso de ajustar la CPU y el bus del mother para que el procesador corra a una velocidad mayor de para la que fue diseñado. Pero como mínimo, este proceso requerirá un cambio de jumpers en el motherboard. Un nivel más profundo implicará cambios electrónicos más complejos. Pero cuidado porque estaríamos poniendo en riesgo la estabilidad del sistema y la vida útil del procesador.

¿Qué es la caché?

La CPU trabaja con la información guardada en la memoria RAM de la PC. Pero la RAM es lenta comparada con la CPU, con lo cual el hecho de mover la información de la memoria al procesador puede disminuir la performance. Para acelerar el sistema, los fabricantes utilizan un tipo especial de memoria (extremadamente rápida y bastante más costosa) que se coloca cerca del procesador o forma parte de él. Esta memoria se llama caché, y su propósito es almacenar bloques de datos que el procesador puede necesitar. El uso de la caché minimiza el número de veces que la computadora debe acceder a la RAM.

¿Por qué las CPU's utilizan caché L1 y L2?

Muchos procesadores actuales tienen memorias caché incluidas llamadas cachés de nivel 1 (L1). Esto significa que los datos a los que se accede con frecuencia y las instrucciones más utilizadas pueden permanecer internamente en la caché hasta que se las necesite. Las cachés L1 hacen el trabajo del procesador más eficiente. La memoria caché secundaria, conocida como nivel 2 (L2), puede agregarse a la CPU para suplementar la memoria disponible. Esta memoria es externa.

¿Qué es la arquitectura del procesador y qué significa RISC y CISC?

La arquitectura se refiere al diseño interno del chip. RISC y CISC son distintas categorías de diseño. CISC (Complex Instruction Set Computer) es el diseño en el cual se basan los chips Pentium (aunque los Pentium II y III tienen más características en común con la tecnología RISC). Los chips PowerPC de Motorola son verdaderos procesadores RISC (Reduced Instruction Set Computer). Estos diseños difieren en el número de instrucciones básicas que realiza la CPU así como también en la complejidad de tales instrucciones. Los chips RISC trabajan más rápido con instrucciones simples, en comparación con los CISC, pero son más lentos para procesar información compleja.

¿Qué es MMX?

MMX es un set de instrucciones que se agregó a las de los procesadores Pentium. MMX se desarrolló específicamente para mejorar al procesamiento de gráficos y multimedia. Por lo general, se ofrecía como una opción en los chips Pentium, pero luego se convirtió en un estándar en los Pentium II y en los modelos posteriores.

El Microprocesador AMD

K5:

El K5 de AMD fué la primera competencia de Intel en el terreno del Pentium. Aunque hoy en día está ya descatalogado, no podemos dejar de mencionarlo, en cuanto que su importancia, no a nivel de ventas, pero si en cuanto a rendimientos fué destacada.

Como la comparación es obligatoria, diremos que maneja peor los datos en coma flotante, debido a una MFU más deficiente que la del Pentium (es decir el famoso coprocesador matemático).

Su gama va desde los PR75 hasta los PR166, que identifican a que tipo de Pentium Classic hacen la competencia, no su velocidad real.

Resumiendo podemos decir que ofrece unas prestaciones algo mejores que las del Pentium Classic en manejo de enteros y una mejor relación calidad / precio, lo que lo convirtieron en la mejor opción para tareas de oficina. Lástima que saliera al mercado algo tarde.

Optimizado para ejecutar instrucciones de 16 y 32 bits.

Utiliza el socket 7.

Dispone de una caché de instrucciones de 16Kb, y 8Kb. para los datos.

Trabaja a 3,52 voltios y algunos a doble voltaje.

Están fabricados con tecnología de 0,35 micras.

Incorpora 4,3 millones de transistores.

• La posición en la placa base debe coincidir con la de x2,5.

K6:

Con el K6, AMD no sólo consiguió hacerle la competencia a Intel en el terreno de los MMX, sino además amargarle la vida, ofreciendo un procesador que casi se pone a la altura del mismísimo Pentium II.

En cuanto a potencia bruta, si comparamos sus prestaciones en la ejecución de software de 16 bits, vemos que la diferencia es escasa entre todos los procesadores, quedando como único descolgado el Pentium Pro.

Si pasamos a los programas de 32 bits, aquí es al revés, y el que se lleva la palma es el Pentium Pro (El Pentium II puede vencerle sólo si lo comparamos con versiones a mayor velocidad), quedando el K6 algo por debajo del Pentium II, pero muy por encima del MMX e incluso del Cyrix 6x86MX.

Y ya para terminar en cálculos en coma flotante, el K6 también queda por debajo del Pentium II, pero por encima del MMX y del Pro, y aquí el que se queda más descolgado como siempre es el Cyrix.

Cuenta con una gama que va desde los 166 hasta los 300 Mhz y con el juego de instrucciones MMX, que ya se han convertido en estandar.

Optimizado para ejecutar instrucciones tanto de 16 como 32 bits.

Utiliza socket 7.

Funciona a 66 Mhz, aunque suele tolerar frecuencias de bus de 100 Mhz. sin demasiados problemas en los modelos superiores (sobretodo el 300).

La memoria caché esta compuesta por 32 Kb para instrucciones y 32 para datos.

Posee 8,8 millones de transistores.

K6-2:

Este procesador es una mejora del K6, al que se le ha añadido un nuevo juego de instrucciones llamado 3D-Now, que acelera las operaciones en 3D, es decir, las operaciones realizadas con grandes cantidades de datos en coma flotante. Una de las ventajas de ésta tecnología es que tiene mecanismos para que la CPU no se quede inactiva mientras se ejecutan los cálculos, como ocurre con el coprocesador.

Al igual que ocurre con las extensiones MMX, para poder aprovecharse de ellas hace falta que el software lo contemple. Una buena noticia para AMD es que Microsoft dará soporte a esta tecnología en sus DirectX 6, aunque su total aprovechamiento sólo es posible con programas que hagan uso directamente del nuevo juego de instrucciones.

Da soporte al bus de 100 Mhz.

Soporta zócalos tipo 7 a 66 Mhz y tipo Super 7 a 100 Mhz.

Dispone de 64 Kb. de caché L1.

Fabricado con 8,8 millones de transistores.

K6-III:

Una de las principales características de este procesador y la mayor diferencia respecto del K6-2 se debe a su nuevo diseño de caché de 3 niveles. Esto se ha conseguido incorporando una cache de segundo nivel de 256 Kb en el núcleo de la CPU que se suma a los 64 Kb de la L1. De esta forma, la cache de la placa base pasa a trabajar como memoria de tercer nivel.

Esto permite que nuestra máquina pueda trabajar con una cache de hasta 2.368 Kb, de los cuales 320 están dentro de la CPU y por tanto se comunican con ella a su misma velocidad.

El resto de características son comunes con el K6-2.

Instrucciones MMX.

Instrucciones 3DNow.

La memoria de segundo nivel trabaja a la misma velocidad que la CPU.

Utilizan el zócalo super7 a 100 Mhz.

64 Kb. de caché L1 (32 para datos y 32 para instrucciones)

256 Kb. de caché L2.

Fabricados con 21,3 millones de transistores y tecnología de 0,25 micras.

Soporte para AGP.