Estructura y Operaci n de la Microcomputadora

1. 1 Estructura y Operaci�n de la Microcomputadora Prof. Edgardo Vargas Moya

2. 2 Microcomputadora Una microcomputadora es una computadora que tiene un microprocesador. El primer microprocesador comercial fue el Intel 4004, que sali� el 15 de noviembre de 1971. Desde el lanzamiento de la computadora personal de IBM, el t�rmino computadora personal se aplica a las microcomputadora orientados a los consumidores. La primera generaci�n de microcomputadora fue conocida tambi�n como computadoras dom�sticas. Fue el lanzamiento de la hoja de c�lculo VisiCalc lo que hizo que los microcomputadoras dejasen de ser un pasatiempo para los aficionados de la inform�tica para convertirse en una herramienta de trabajo.

3. 3 Hoja de C�lculo VisiCalc

4. 4 Commodore 64 Tipo Computadora dom�stica Desarrollador Commodore International Comercializado Agosto 1982 Descatalogado Abril 1994 Procesador MOS Technology 6510 @ 0.985MHz -1.02 MHz Memoria 64 KB Pantalla Monitor tubo rayos cat�dicos / TV Sistema Operativo Commodore BASIC 2.0

5. 5 Elementos de la Microcomputadora Es importante distinguir entre microcomputadora (�C) y el microprocesador (�P). La �C contiene varios elementos importantes entre los que encontramos los �P el cual es un chip LSI que contiene al CU y al ALU. Entre los elementos de la �C en adici�n al �P encontramos los unidades de memoria (RAM, ROM), Unidades de I/O, etc. Estos elementos son construidos con chips LSI (Integraci�n a grande escala) los cuales le proporciona sus diferentes caracter�sticas dependiendo de su dise�o. Aunque los chips han evolucionado desde SSI a ULSI, siempre que se hace referencia a ellos se les conoce como LSI. La tecnolog�a LSI a permitido el desarrollo de microcontroladores los cuales incluyen ROM, RAM, EEPROM, Clock, MPU, convertidores A/D y circuitos I/O todo en un solo circuito. Ejemplo es el 68HC11 de Motorola.

6. 6 Visi�n Estructural � Nivel Superior

7. 7 Estructura - El CPU (MPU)

8. 8 Microelectr�nica El aumentar el numero de transistores para incrementar el poder de la computadora se volvi� muy dif�cil debido al tama�o. Nace la Microelectr�nica lo que significa literalmente �peque�a electr�nica� La computadora es hecha de compuertas l�gicas (AND, OR, NOT, etc.), celdas de memoria e interconexiones. Tercera generaci�n: Circuitos Integrados, 1958. Ejemplos de ellas: IBM System 360 y la DEC PDP-8. Estas pueden ser manufacturadas en semiconductores ej. silic�n

9. 9 Circuito IntegradoDimensiones de esta vista previa: 681 � 599 p�xeles

10. 10 Circuitos Integrados Integraci�n a peque�a escala (SSI) - 1965 en adelante. Hasta 100 dispositivos en un chip Integraci�n a mediana escala (MSI) - 1971 Entre 100-3,000 dispositivos en un solo chip Integraci�n a grande escala (LSI) - 1971-1977 Entre 3,000 - 100,000 dispositivos en un solo chip Integraci�n a escalas mucho m�s grandes (MLSI) - 1978 Entre 100,000 - 100,000,000 dispositivos en un chip Integraci�n a escales muy grande (VLSI)- 1980 100,000,000 dispositivos en un chip Integraci�n a escales ultra grande (ULSI)- 1990 superior a 100,000,000 dispositivos en un chip

11. 11 Ley Moore Gordon Moore - cofundador de Intel junto a Robert Noyse y Ted Hoft en el 1965. Predijo que el n�mero de transistores en un chip se duplicar�a cada a�o. Desde el 1970 se duplica cada 18 meses. Desde el 1980 se duplica cada 12 meses. Desde el 1990 se duplica cada 6 meses. Desde el 2000 al presente se duplica cada 3 meses. Beneficios: El costo de los chips se ha mantenido sin cambio alguno. Alta densidad de empaque significa que los caminos son m�s cortos, haciendo una ejecutoria m�s alta en calidad y velocidad. Tama�os peque�os aumenta la flexibilidad.

12. 12 Ley Moore Consecuencias adversas Los circuitos el�ctricos disipan potencia. Cuando el n�mero de componentes integrados en un volumen dado crece, las exigencias en cuanto a disipaci�n de esta potencia, tambi�n crecen, calentando el sustrato y degradando el comportamiento del dispositivo. Soluci�n: Reducci�n de energ�a con la utilizaci�n de multi-n�cleos (Dual Core). Mas sistemas de enfriamientos. Otros.

13. 13 Arquitectura & Organizaci�n Arquitectura son aquellos atributos que son visibles para el programador y que tienen un impacto directo en la ejecuci�n l�gica del programa. Set de instrucciones, n�mero de bits usados para representar data, mecanismos de I/O, t�cnicas de registros de direcciones. Ej: si hay alguna instrucci�n aritm�tica Organizaci�n es como esos atributos son implementados a trav�s de sus unidades operacionales e interconexiones. Se�ales de control, interfaces, tecnolog�a de memoria. ej si hay alguna unidad de hardware de multiplicaci�n, o si es hecho por una suma repetitiva.

14. 14 Arquitectura & Organizaci�n La distinci�n entre arquitectura y organizaci�n es una muy importante. Diferentes modelos de computadora pueden diferir en su organizaci�n pero ser iguales en su arquitectura. Toda la familia Intel x86 en adelante comparten la misma arquitectura b�sica Todo familia IBM System/370 en adelante comparten la misma arquitectura b�sica. Esto nos d� compatibilidad en los c�digos At least backwards

15. 15 Organizaci�n del M68HC11

16. 16 Microcomputadora basada en el 68HC11

17. 17 Puertos B y C Un puerto es una serie de pines en un chip por el cual informaci�n digital es transmitida tanto hacia el MPU como hacia fuera. En el caso del 68HC11 estos puertos se identifican con los nombres de MODA y MODB. Estos pines determinan su modo de operaci�n. Cuando est�n en normal (MODA=MODB= 1) el puerto B act�a como salida para lo bits altos A8-A15 para el bus de direcci�n. Por otro lado el puerto C se utilizara para dos prop�sitos. En unos momentos se utilizara como salida para los bits bajos A0-A7 y en otros momentos como entrada para el MPU con los bits D0-D7.

18. 18 �Qu� es un Bus? Un camino de comunicaci�n para conectar dos o m�s dispositivos. Usualmente es de tipo �broadcast� (todos los dispositivos puede accederla). Usualmente agrupado: Un n�mero de canales es un �bus� e.g. 32 bit de data bus es 32 canales separados de un bit (0 � 1). As�, el Canal de Direcciones del Microprocesador puede "direccionar" m�s de 4 mil millones de combinaciones diferentes para el conjunto de 32 bits. Se clasifican en tres grupos: l�neas de datos, direcci�n y de control. Tambi�n hay l�neas de poder.

19. 19 Esquema de la Interconexi�n del b�s

20. 20 �Como son los buses? L�neas paralela en los �board� Cintas de cable �Ribbon cables� Conectores removibles del �mother boards� ej PCI Conjunto de cables

21. 21

22. 22 68HC11 Data Bus Lleva la data Entiende que no hay diferencia entre �data� y �instruction� en este nivel. El ancho es una parte determinante en el desempe�o. Se le conoce como ancho de banda (Bus Width) 8, 16, 32, 64 bit Mientras mas ancho en menos ocasiones el procesador tendr� que acceder las memoria u otro dispositivo de entrada. Mueve los datos entre los dispositivos del hardware: como el teclado, el esc�ner, el rat�n, Impresora, el Monitor o la tarjeta de Sonido, Disco Duro, el Disquete o la Memoria-Flash. Estas transferencias que se dan a trav�s del Bus de Datos son gobernadas por varios dispositivos y m�todos, de los cuales el Controlador PCI, "Peripheral Component Interconnect", Interconexi�n de componentes Perif�ricos, es uno de los principales el cual es como un sem�foro. El 68HC11 utiliza el Puerto C (D0-D7) lo cual consiste de palabras de 8 bits.

23. 23 68HC11 Address bus Est� vinculado al bloque de Control de la CPU para tomar y colocar datos en el Sub-sistema de Memoria durante la ejecuci�n de los procesos de c�mputo. Identifica el destino de la data e.g. CPU necesita leer una instrucci�n (data) de una localizaci�n dada de informaci�n. T�picamente son utilizadas para identificar las direcciones de los puertos de I/O. En un bus de 8 bit, las direcciones 01111111 o menos hacen referencia a localizaciones de memoria y direcciones 10000000 o mayor hacen referencia a equipos conectados a m�dulos I/O. El ancho del Bus determina la capacidad m�xima de la memoria del sistema. ej. 8080 tiene 16 �bit address� bus dando 64k de espacio de �address�. (2 ^ 16 = 65,536) En el caso del 68HC11 el address bus consiste de 16 bit lo cual representa 65,536 posibles direcciones. El 68HC11 se conecta al address bus con los pines A0-A15 utilizando el Puerto C (A0-A7) y el Puerto B (A8-A15).

24. 24 68HC11 Control Bus Este controla el acceso a las l�neas de datos y direcci�n ya que los m�dulos las comparten. Informaci�n de Control y sincronizaci�n. Se�al de memoria read/write. Pedido de Interruptor. Se�ales de reloj. En el 68HC11 las se�ales son generadas por los siguientes pines: Read/Write (R/W):este determina la direcci�n en el data bus. Si R/W = 1 esta en lectura y R/W = 0 en escritura. Address Strobe (SB): este cuando esta activado permita un address bus externo de 8 bits. Esto lo hace en �high�. RESET: este cuando esta en �low� hace que el circuito regrese a su estado inicial. Normalmente esta en �high�. Interrupt Request (XIRQ, IRQ): estos e utilizaran cuando uno o mas dispositivos requieren la atenci�n del MPU. Esto lo hace en �low�. Normalmente esta en �high�.

25. 25 Problemas del b�s Muchos dispositivos en un bus nos lleva: Propagaci�n en retrasos Las trayectorias de datos largos significan que la coordinaci�n del uso del b�s puede afectar al adversamente el funcionamiento ya que hay retrasos en la se�al. El bus se puede convertir en un cuello de botella si la demanda en la transferencias de datos se acerca a la capacidad del bus. La mayor�a de los sistemas utilizan los b�ses m�ltiples para superar estos problemas

26. 26 ISA Tradicional (con cache)

27. 27 B�s de alto rendimiento

28. 28 Tipos de Bus

29. 29 Tipos de Bus ISA (Industry Standard Architecture): este se utilizaba para conectar equipos como el rat�n, tarjetas de sonido, tarjetas NIC y otros a baja velocidad. En la actualidad pr�cticamente se ha descontinuado su uso. PCI (Peripheral Component Interconnect): utilizado para tarjetas de video, sonido, SCSI (Small Computer System Interface) y otros a alta velocidad. Por lo menos es cuatro veces mas r�pido que el ISA. AGP (Accelerated Graphics Port): usado especialmente para video provee interfase dedicado entre la tarjeta de video y la memoria. Estos buses son controlados por los siguientes chips: North Bridge (el m�s grande) provee apoyo y control para la memoria principal, el cache y los PCIs. South Bridge provee control para los periferales y los controladores que no son esenciales para las PCs.

30. 30 Tipos de Bus Tarjetas internas PCI-Express: sustituye tanto a PCI como a AGP como nuevo est�ndar. Llega a ser 32 veces m�s r�pido que el PCI 2.1. VESA: utilizado sobre todo en equipos dise�ados para el procesador Intel 80486. (Existencia ef�mera y sustituido por PCI). MCA (Micro Channel Architecture): bus de 32 bits y funcionaba con una frecuencia de reloj ligeramente m�s elevada, 10 MHZ, permitiendo una velocidad m�xima de 20 MB/s. (propiedad de IBM y tambi�n de existencia ef�mera). AMR: el audio/m�dem rise, tambi�n conocido como AMR2 o AMR3 es un bus de expansi�n para dispositivos de audio o modems y presente en placas de Intel Pentium III, Intel Pentium IV y AMD Athlon. CNR(Communication and Networking Riser) es un bus de expansi�n en la placa madre para dispositivos como modems, tarjetas Lan o USB.

31. 31 Tipos de Bus Conexi�n exterior USB: Universal Serial Bus es un bus que sirve para conectar perif�ricos a una computadora. Fue creado en 1996 por siete empresas: IBM, Intel, Northern Telecom, Compaq, Microsoft, Digital Equipment Corporation y NEC. Se utiliza pr�cticamente para cualquier dispositivo. Firewire (IEEE 1394): es un bus est�ndar multiplataforma para entrada/salida de datos en serie a gran velocidad. Suele utilizarse para la interconexi�n de dispositivos digitales como c�maras digitales y videoc�maras a computadoras. Almacenamiento PATA o IDE SATA SCSI SAS Sustituir� al SCSI paralelo

32. 32 B�s del PCI Significa Interconexi�n de Componentes Perif�ricos. Intel lo lanza al dominio publico en el 1990. Gracias a ello: Se crea una gran industria. Todas las versiones son compatibles. Bus de 32 o 64. 50 l�neas.

33. 33 L�neas Requeridas del b�s del PCI L�neas del sistema. Incluyendo el reloj y el reajuste (reset). Direcci�n y Datos. Son 32 l�neas que son multiplexadas para address/data. Las otras l�neas son para interpretar y validar las l�neas de address/data. El Control de Interfase . Arbitraje. No compartido. Conexi�n directa al �rbitro del b�s del PCI. L�neas del error.

34. 34 L�neas Opcionales del b�s del PCI L�neas de interrupci�n. No compartido. Ayuda del CACHE Extensi�n 64-bit del b�s. 32 l�neas adicionales. Tiempo multiplexado. 2 l�neas para permitir a los dispositivos acordar utilizar transferencia 64-bit.

35. 35 Dedicado vs. Multiplexado Dedicado Es una l�nea que es permanentemente asignada a una funci�n a un grupo especifico de componentes. Eg. L�neas separadas para los datos y de la direcci�n Multiplexado L�neas compartidas. Las direcciones y los datos comparten el mismo bus. Ventaja Pocas l�neas, por lo tanto menos espacio. Desventajas Controles m�s complejos. Reducci�n en ejecutar�a por falta de paralelismo.

36. 36 Arbitraje del b�s M�s de un m�dulo que controla el b�s. e.g. el CPU y controlador dma. Solamente un m�dulo puede usar el b�s de control temporalmente. El arbitraje puede ser centralizado o ser distribuido. Arbitraje Centralizado El acceso del b�s es controlado por un dispositivo de hardware. A este se le conoce como: Controlador del b�s. �rbitro. Puede ser parte del CPU o estar separado. Arbitraje Distribuido Cada m�dulo puede demandar el b�s L�gica de control en todos los m�dulos permite que lo compartan entre si sin la necesidad de un controlador del bus.

37. 37 Sincronizaci�n Este termino se refiere a la coordinaci�n de acontecimientos en el b�s. Hay dos tipos: S�ncrono As�ncrono S�ncrono. Acontecimientos determinados por las se�ales del reloj. El b�s de control incluye la l�nea del reloj. Un solo 1-0 es un ciclo del b�s. Todos los dispositivos pueden leer la l�nea del reloj. Generalmente ocurre la sincronizaci�n en el borde principal. Generalmente un solo ciclo para un acontecimiento. As�ncrono. Los acontecimientos son determinados por los acontecimientos previos y no por las se�ales del reloj.

38. 38 Se�ales de Reloj El CPU utiliza un peque�o chip llamado sistema de reloj para sincronizar las operaciones de la computadora. La velocidad del reloj es la velocidad que tarda en ejecutar una instrucci�n. El prefijo utilizado para estos son los hertz lo cual significa ciclo por segundo. Los prefijos mas comunes son Mega (�M�, millones) y Giga (�G�, billones). Hoy d�a existen maquinas que pueden trabajar en los Tera (�T�, trillones). El 68HC11 utiliza un solo sistema de reloj llamado E-clock. Este puede ser usado tanto para funciones externas o internas. La frecuencia de la se�al es determinado por los componentes externos conectados a los pines EXTAL y XTAL. Los componentes incluyen: Combinaci�n de resistencias y capacitores. Un cristal de silic�n (quartz). La frecuencia aplicada a los pines EXTAL y XTAL siempre es cuatro veces mayor a la del E-clock. Ejemplo: Cuando se requiere que la frecuencia del E-clock sea de 2MHz entonces el cristal de silic�n en los pines de EXTAL y XTAL debe de ser de 8MHz.

39. 39 BIOS Basic Input/Output System Es una colecci�n de programas (software) que se envuelven para el funcionamiento de las tareas relacionadas con el hardware. Las funciones b�sicas del BIOS son: Iniciar pc (boot pc) Verificar la configuraci�n del hardware Proveer interfaz entre el software (OS) y el Hardware

40. 40 BIOS: Booting the PC Booting the PC: Es el proceso en el cual la computadora enciende y carga el sistema operativo. Mientras la computadora inicializa (boot) quien esta en el mando es el BIOS. Toda esta informaci�n que carga el BIOS est� guardada en el CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor). Hoy d�a hay versiones como el HCMOS la cual le da mayor rapidez al sistema operativo gracias a su nuevo dise�o. Este CMOS permite guardar la informaci�n durante a�os sin problemas a perderla. Se alimenta de una bater�a de muy bajo voltaje.

41. 41 BIOS Setup Program Access Keys AMI- Del Award- Del o Ctrl+Alt+Esc Compaq- F10 Dell- Del, F2, or Fn+F1 Gateway 2000- F1 Hewlett Packard- F1 IBM Aptiva- F1 Phoenix BIOS- F1 o F2

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