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Introducción a sistemas industriales. Microprocesadores y sistemas MP




Enviado por Pablo Turmero



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    Objetivos Introducción y características
    principales Componentes básicos de MP Arquitectura del Set
    de Instrucción (ISA) Sistemas MP – componentes y
    tipos Tipo especial de MP (ASIC, DSP, FPGA etc.) Paralelismo en
    MP Evolución de Microprocesadores 1

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    2 Chip de silicona que contiene una CPU. Los términos
    microprocesador y CPU se usan indistintamente. En todos los
    ordenadores personales y en la mayoría de workstations hay
    un microprocesador. MP también controla la lógica
    de casi todos los accesorios digitales, desde despertadoras de
    radio hasta sistemas de inyección de gasolina en
    automóviles. Los microprocesadores se diferencian por tres
    características básicas: Set de instrucción:
    El set de instrucciones que puede ejecutar el microprocesador.
    Ancho de banda: La cantidad de bits procesados en una sola
    instrucción. Velocidad del reloj: (MHz) – determina
    cuántas instrucciones por segundo puede ejecutar el
    procesador. Además, MP se clasifican como RISC (en
    inglés, ordenador de set de instrucciones reducidas) o
    CISC (ordenador de set de instrucciones complejas).
    Microprocesador (MP o ?P)

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    Funciones básicas de la CPU Forma direcciones de
    instrucciones y operandos Recupera y desempeña
    operaciones; Mantiene información sobre el proceso de
    registro de banderas; Inicializa operaciones de entrada/salida;
    Respalda al sistema de interrupciones y procesado; Controla el
    intercambio, procesado y errores; Mantiene un diálogo con
    el usuario. 3

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    4 ALU (Arithmetic/Logic Unit) Registros– visible e
    invisible al programador (los registros visibles representan el
    modelo de prgramación del MP) Unidad de Control I/O y
    bufferes internos (normalmente 3 estados) I/O y buses internos
    Hay tres tipos de buses I/O : Un bus de dirección (que
    puede tener 8, 16 ó 32 bits de ancho) Un bus de datos
    – bi-direccional (que puede tener 8, 16, 32 y 64 bits de
    ancho) Un bus de control. Algunas líneas típicas de
    control son: # Una RD (read –lectura) y WR (write –escritura)
    line # A clock line # A reset line Componentes MP

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    Organización de un microprocesador Aunque MP son cada vez
    más complejos, la raíz de su operación puede
    resumirse como repetidas secuencias de tareas simples: Fetch una
    instrucción; Decode (descodificar) la instrucción;
    Execute (ejecutar) la instrucción; Store (almacenar) el
    resultado. Cada microprocesador reconoce un unico set de
    instrucciones binarias que han sido predefinidas y almacenadas
    permanentemente en el chip. Cuando la CPU recibe una
    instrucción, la pasa a una unidad conocida como la Unidad
    de Decodificación, que contiene una secuencia de
    operaciones que debe cumplirse para completar la
    operación. La Unidad de decodificación pasa la
    secuencia de instrucciones a aquélla que contenga
    programas peueños conocidos como microcódigo para
    cada operación que el microprocesador haya sido
    diseñado para llevar. . 5

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    6 Diagrama de bloques simplificado de MP A, B, C y registro de
    dirección son registros de buffer simples basados en
    triggers. El contador del programa es un registro que puede
    aumentar su valor de una o cero con la apropiada
    instrucción. Ayuda a formar la dirección de la
    siguiente instrucción. ALU puede simplemente añadir
    8 bits o poder añadir, sustraer, multiplicar y dividir
    números de 8 bits (operandos). Test es un registro de
    estados que puede guardar los resultados de las operaciones en el
    ALU. Estos valores se utilizan para gestionar el programa.
    3-stados son buffers con 3 estados. Reloj e inputs de Reset
    inputs son respectivamente para el control del tiempo y el set
    inicial del MP. Nota. Los procesadores modernos como Pentium,
    AMD, Itanium etc. tienen una estructura interna muy
    compleja.

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    ISA, es la parte de la arquitectura de ordenadores relacionada
    con la programación, incluyendo los tipos de datos
    nativos, instrucciones, registros, modos de direccionar,
    arquitectura de la memoria, manejo de interrupciones y
    excepciones y externos I/O. Un ISA incluye una
    especificación del set de opcodes (lenguaje de
    máquina), los comandos nativos implementados para un
    diseño particular de CPU. Las instrucciones incluyen: *
    instrucciones aritméticas como sumar y restar *
    instrucciones lógicas como and, or, y not * instrucciones
    de datos como move, input, output, load, y store * instrucciones
    de control de flujo como goto, if … goto, call, y return. 7
    Arquitectura del Set de Instrucciones (ISA)

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    8 Ejemplo: Programador Registros Visibles de IA-32

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    Ciclo de Fetch Decode Execute en MP 9 (Gp:) Instruccion Fetch
    (Gp:) Decodificador De instrucción (Gp:) Operando Fetch
    (Gp:) Ejecutar (Gp:) Almacén de resultados (Gp:)
    Instrucción siguiente Obtiene instrucciones del
    almacenamiento del programa Determina las acciones requeridas
    Localiza y obtiene los datos operandos Computa los valores
    resultado o status Deposita los resultados en el almacén
    para un uso posterior Determina la instrucción sucesora
    (Gp:) Control (Gp:) Ruta de datos Memoria Procesador Input Output
    ALU Registros

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    Sistemas de Microprocesadores 10

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    11 Resumen de sistemas de MP Sistemas Integrados y Aplicaciones
    Microprocesadores integrados constituyen el 94% de ventas de
    todos los microprocesadores. Los microprocesadores integrados se
    extienden a un rango de uso mucho más amplio que los PCs.
    Estructura del sistema de un microprocesador básico:
    Unidad de procesado central(CPU) Memoria Entrada/Salida (E/S) o
    Input/Output (I/O) Bus de sistema Un microcontrolador o SoC que
    incluirá algunos o todos los ocmponentes del mismo chip
    que la CPU.

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    12 Sistema MP–configuración mínima Algunos
    sistemas MP incluyen circuitos adicionales, como temporizadores,
    ADC, DAC, drivers LCD etc. Microcontrolador (SoC) = sistema de MP
    con único chip [9]

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    13 Las tareas de la memoria son : 1. Almacenar programas y datos
    2. Suministrar datos al MPU según demanda 3. Aceptar
    nuevos datos de la MPU para almacenar Tipos de memoria: RAM
    (Random Access Memory) » Estática (SRAM): Más
    rápida, alto coste » Dinámica (DRAM):
    Más lenta, menor coste, consume menos energía y
    espacio • ROM (Read Only Memory) – EPROM, EEPROM,
    Memoria FLASH – Retiene memoria incluso sin energía
    – Almacena programas ejecutados tras el inicio del sistema
    (e.g. BIOS) Sistemas MP – memoria

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    14 E/S es el enlace entre la MPU y el mundo exterior
    (También conocido como puertos E/S) Un puerto de entrada
    (puerto input) es un circuito a través del cual un aparato
    externo puede enviar señales (datos) a la MPU. Un puerto
    de salida (puerto output ) es un circuito que permite a la MPU
    enviar señales (datos) a aparatos externos. Los
    dispositivos E/S conectan tanto aparatos digitales como
    analógicos. Sistemas MP – Sistema E/S

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    15 Los subsistemas individuales de los ordenadores digitales
    están conectados mediante un sistema Bus interconectado.
    Un Bus es un camino de comunicaciones común usado para
    llevar información entre varios elementos de un sistema
    informático. El término BUS se refiere a un grupo
    de cables o vías de conducción en un cuadro de
    mandos (PCB) en el que se transfiere información binaria
    de una parte del microcomputador a otra. Hay tres grupos
    principales de Bus 1. BUS DE DIRECCIÓN 2. BUS DE DATOS 3.
    BUS DE CONTROL Sistema Bus

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    16 CPU y Almacén primario (RAM) – buses (Gp:) Bus de
    Control (Gp:) Bus de Dirección (Gp:) Bus de Datos RAM
    Unidad de Control Unidad Aritmético-Lógica CPU
    Aparatos de entrada Almacén secundario Aparatos de salida
    I/O buses

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    17 El Bus de Datos lleva los datos que se han transferido en el
    sistema (bi-direccional) Ejemplos de transferencias de datos: 1.
    Instrucciones de programa leídos de la memoria a la MPU 2.
    Datos enviados de laMPU a un puerto I/O 3. Datos leídos
    desde un puerto I/O hacia la MPU 4. Resultados de la MPU enviados
    a la Memoria A éstos se les llama operación de
    lectura y escritura Ancho del bus de datos: 8086: 16 bits, 80486:
    32 bits, Pentium: 64 bits Bus de datos

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    18 Una dirección ies un número binario que
    identifica la localización del almacén de una
    memoria específica o un puerto I/O involucrado en una
    transferencia de datos El Bus de Dirección se usa para
    transmitir la dirección de la localización de la
    memoria o del puerto I/O. El bus de Dirección es
    unidireccional ( un sentido): Las direcciones siempre se crean
    por la MPU. Ancho de bus de dirección: Límites de
    cantidad de memoria » Pentium: 32 bits. Localizaciones:
    232bits = 4GB » Itanium: 64 bits. Localizaciones 264 bits =
    … Bus de Dirección

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    19 Otro grupo de señales cuyas funciones son de
    suministrar sincronización ( control de tiempos) entre la
    MPU y otros componentes del sistema. Las señales de
    control son unidireccionales, y son principalmente salidas de la
    MPU. Ejemplo Datos de control desde MPU Bus de Control

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    20 Sistema MP– interfaz de la memoria Arquitectura Von
    Neumann – memoria común: para datos e instrucciones
    Arquitectura Harvard – memoria dual: separa datos e
    instrucciones Arquitectura Super Harvard – memoria dual +
    instrucciones cache + controlador I/O (Las arquitecturas Harvard
    son típicas para microcontroladores y DSP)

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    21 Information Systems PU-ECIT Sistema MP – ejemplo:
    microcontrolador Diagrama de bloques PIC16F8X [9] PIC16F84
    incluye: Memoria de programa FLASH 1Kx14 RAM (Registro de
    ficheros) 68×8 Memoria de datos EPROM 64×8 Temporizador –
    TMR0 Temporizadores adicionales (watch-dog etc.) Puertos I/O: RA
    – 5 líneas RB – 8 líneas Reloj –
    ext/int Arquitectura Harvard – RISC Instrucción –
    35

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    22 Ejemplo: Microcontrolador ATmega32 AVR ATmega32 es una MCU de
    8 bits CMOS RISC 8-bit con memoria Flash Programable. Las
    instrucciones se ejecutan para un ciclo, permitiendo que las
    salidas alcancen 1MIPS/MHz. DIP con 40 pins. He aquí
    algunos parámetros básicos: Arquitectura Harvard
    RISC avanzada y frecuencia de reloj a 16 MHz. 131 instrucciones
    – la mayoría se realizan en un ciclo de la
    máquina. Registros generales de 32 x 8-bit Esquemas
    completamente estáticos Productividad hasta 16 MIPS con 16
    MHz Muliplicación de construcción para 2 relojes
    Memoria: 32KB memoria Flash de programa – programable; 1KB
    EEPROM para datos; 2KB built SRAM Número de ciclos
    Escribir/Suprimir: 10,000 por memoria Flash y 100, 000 para
    EEPROM Almacén de datos: 20 años a 85 ° C / 100
    años a 25 ° C Interfaz JTAG (consistente con IEEE std.
    1149.1) para la organización y ptrogramación en el
    chip.

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    23 AVR – Diagrama de Bloques Simplificado

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    24 Microprocesadores y microcontroladores ARM ARM (Advanced RISC
    Machine) son los microprocesadores y microcontroladores de 16/32
    bits más utilizados en los dispositivos móviles. La
    versión inicial del núcleao de ARM se creó
    por la compañía Acorn Computers Ltd., pero ahora
    otras empresas producen los MCU y MP con base ARM (Alcatel,
    Atmel, NEC, NVIDIA, NXP (antes Philips), Oki, Qualcomm, Samsung,
    Sharp , ST Microelectronics, Symbios Logic, Texas Instruments,
    VLSI Technology, etc.). Desde 2009, los procesadores ARM
    suponían aproximadamente el 90% de todos los procesadores
    integrados de 32 bits RISC (productos electrónicos, PDA,
    teléfonos móviles, iPod – reproductores
    digitales de música, consolas de video, calculadoras, HDD,
    ruters, etc.). La familia de ARM incluye ARM7, ARM9, ARM11 y
    Cortex. La velocidad del reloj varía ampliamente –
    desde decenas de MHz hasta 1GHz y más. ARM es una gran
    combinación de lógica moderna, alto rendimiento,
    bajo consumo (son la mayoría CMOS), bajo coste,
    arquitectura simple que permite una integración simple en
    varios dispositivos.
    (http://en.wikipedia.org/wiki/ARM_architecture).

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    25 Ejemplo: NS7520 del diagrama de bloques del microcontrolador
    ARM7TDMI

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    26 Tipos especiales de MP ASIC – Application-Specific
    Integrated Circuit – es un circuito integrado (IC)
    personalizado para un uso particular (tarea única),
    más que para un uso general. Por ejemplo, un chip
    diseñado únicamente para hacer funcionar un
    teléfono móvil es un ASIC *. DSP – A digital
    signal processor es un MP especializado diseñado
    específicamente para procesado de señales
    digitales, generalmente en tiempo real. FPGA – Field
    Programmable Gate Array – el día moderno equivalente
    a 7400 series lógicas, que contiene bloques lógicos
    programables y permite que el mismo FPGA se utilice en
    aplicaciones diferentes.** . (Los diseñadores de los
    sistemas basados en FPGL normalmente utilizan HDL como Verilog y
    VHDL) Media Processors es un sistema en chip (SoC)avanzado
    especialmente adecuado para distribuir una alta calidad de
    vídeo, audio, gráficos, imágenes y
    aplicaciones informáticas intensivas dentro de un entorno
    de baja energía.

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    27 ¿Dónde están los sistemas integrados? Un
    sistema integrado es un sistema especial en el que el ordenador
    está totalmente encapsulado o dedicado al dispositivo o
    sistema que controla. Un sistema integrado realiza una o unas
    pocas tareas predefinidas, normalmente con muy pocos
    requerimientos específicos.

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    28 Una “pequeña lista” de sistemas
    integrados

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    Paralelismo en MP 29

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    Evolución de la Arquitectura de Microprocesadores Intel y
    Ley de Moore En 1965 Gordon Moore predijo que el número de
    transistores de un microprocesador se duplicaría cada 18
    meses y esta tendencia permanecería hasta 1975,
    pero…

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    Evolución de la Arquitectura de Microprocesadores Intel
    (cont.) La Ley de Moore se cumple para los últimos 26
    años! 1971: 4004 2,250 transistores 1972: 8008 2,500
    transistores 1974: 8080 5,000 transistores 1978: 80862 9,000
    transistores 1982: 80286 120,000 transistores 1985: 80386 275,000
    transistores 1989: 80486 DX 1,180,000 transistores 1993: Pentium
    3,100,000 transistores 1997: Pentium II 7,500,000 transistores
    1999: Pentium III 24,000,000 transistores 2000: Pentium IV
    42,000,000 transistores 2006: Pentium D 900 376,000,000
    transistores

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    Mejora del rendimiento en MP – paralelismo 32 Paralelismo
    de Nivel de Instrucción: Ejecución
    simultánea de instrucciones múltiples con un
    programa/hilo Thread Level Parallelism: Ejecución
    simultánea de programas / threads * múltiples.
    Paralelismo de datos: Operaciones simultáneas en
    múltiples datos. Palabra de Instrucción muy Larga
    (VLIW): La VLIW Ejecuta la operación en paralelo basada en
    un plan fijado determinado cuando se compilan los programas. [16]
    Explicitly Parallel Instruction Computing (EPIC) es un paradigma
    informático, similar a VLIW, utilizado por Intel y HP en
    el desarrollo de la arquitectura de Intel IA-64 [7] Modelos de
    Multiprocesador, Multiordenador y Multinúcleo Otras
    características que mejoran el rendimiento de los MI son:
    Cambio de nombre de registro y Ejecución de Fuera de
    Servicio de las instrucciones (para más detalles ver:
    http://en.wikipedia.org/wiki/Register_renaming
    http://en.wikipedia.org/wiki/Out-of-order_execution )

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    “Pipeline” de instrucción 33 Una
    “pipeline” de instrucción es una
    técnica utilizada en el diseño de ordenadores y
    otros elementos electrónicos digitales para aumentar su
    rendimiento. Hay algunas ventajas y desventajas.

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    “Pipeline” de Instrucción (cont)
    “Burbujas” – un problema en pipelining Si
    durante la ejecución ocurre un pequeño problema, se
    crea una “burbuja” en la pipeline en la que no sucede
    nada útil. En el ciclo 2, la instrucción morada se
    retrasa y la fase de decodificación en el ciclo 3 ahora
    contiene una burbuja. Todo aquello “detrás” de
    la burbuja morada se retrasa. 34

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    Paralelismo MP 35 Modelo Subescalar ?a=N(k. t) Paralelismo de
    nivel de instrucción (pipeline) ?b=[ k + (N-1) ]. t Modelo
    Superescalar Simple (2 pipelines) Tc ? Tb/2 N- número de
    tareas (instrucciones) k – número de fases t –
    Tiempo de ejecución por fase

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    Procesador multinúcleo* 36 Combina dos o más
    procesadores independientes en un solo paquete, a menudo en un
    solo circuito integrado (IC). Un dispositivo con un núcleo
    dual contiene dos microprocesadores independientes. Permite que
    un dispositivo informático exponga alguna porma de
    thread-level parallelism (TLP) Esta forma de TLP se conoce
    generalmente como chip-level multiprocessing [18].

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    Evolución de los Microprocesadores Resumen de los
    Microprocesadores Intel 37

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    Lista de MP de 4 y 8 bits 38

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    Intel 4004 Primer microprocesador (1971 – T. Hoff) Para
    calculadora Busicom Características 10 mm proceso 2300
    transistores 400 – 800 kHz Tamaño de palabra 4bit
    Paquete DIP 16-pin Masks hand cut from Rubylith Dibujadas con
    lápices de colores 1 metal, 1 poly (jumpers) Líneas
    diagonales 39

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    LA VERSIÓN DE DESCARGA

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