Microprocesadores Y
Total Page：16
File Type：pdf, Size：1020Kb
Electrónica Digital III Introducción a los Microprocesadores Procesador IBM PowerXCell 8i @ 2008 Microprocesadores I Electrónica Digital III - 1 - Electrónica Digital III CONTENIDO Laboratorio de Electrónica Digital – Depto. Electrónica y Automática – FI- 1. Introducción 2. Circuitos Integrados 2.1. La Ley de Moore 2.2. Clasificación según la integración de circuitos integrados 2.3. Clasificación en cuanto a las funciones de un IC 3. Circuitos integrados digitales 3.1. Lógica Cableada 3.1.1. Compuertas Lógicas y circuitos integrados MSI 3.1.2. Circuito integrado de aplicación especifica ASIC 3.2. Lógica programada 3.2.1. Dispositivo lógico programable sencillo – SPLD 3.2.2. Dispositivo lógico programable complejo – CPLD 3.2.3. Arreglo de compuertas programables en campo – FPGA 3.3. Procesador Digital. 3.3.1. Microprocesador – uP 3.3.2. Microcontrolador – uC 3.3.3. Procesador Digital de Señales – DSP 3.3.4. Controlador Digital de Señales – DSC 3.4. Sistemas en Chip 4. Aplicaciones de un Microprocesador - 2 - Electrónica Digital III 1 – INTRODUCCIÓN El objetivo de la asignatura es el de estudiar una de las herramientas que nos provee la electrónica para la resolución de problemas mediante técnicas digitales. Dicha herramienta integrada es definida como MICROPROCESADOR. Se estudiaran los microprocesadores y su utilización en los microcomputadores desde el punto de vista de su aplicación en el control de procesos, en los sistemas de adquisición de datos, sistemas de procesamientos de señales, sistemas de comunicaciones y en general para el diseño de dispositivos digitales basados en un microprocesador que realiza una única función, a esto es lo que se le denomina comúnmente como un sistema de dedicado o embebido. Para logra este objetivo el ingeniero que desarrolla y diseña un sistema embebido para solucionar un determinado problema, debe adoptar una actitud totalmente distinta a la que asume el profesional que utiliza el computador como herramienta de cálculo o gestión administrativa. En estos dos últimos casos normalmente se poseen recursos de hardware suficientes o fácilmente expansibles, las interfaces graficas resultan muy convenientes y se procesan gran cantidad de información como bases de datos, imágenes, video, etc. sin un fuerte requerimiento en cuanto al tiempo de procesamiento. En cambio el Ingeniero de desarrollo pretende utilizar al microprocesador como integrante de un proceso físico o biológico, que está evolucionando y al que debe estar continuamente midiendo, procesando y transmitiendo datos y en muchos casos actuando sobre el para guiarlo, según alguna estrategia de optimización preestablecida. El microcomputador dedicado en estos casos puede encontrarse conectado a los periféricos estándar, pero además mediante interfaces específicas como conversores de señales analógicas-a-digitales o ADC y de digitales-a-analógicas o sea DAC, entradas y salidas digitales, salidas moduladas en ancho de pulso (Pulse Width Modulation PWM), etc, comunicarse con el proceso, esto hace que se produzca una variante muy importante que es el tiempo de procesamiento. Esto se debe a que la dinámica del microprocesador ya no es independiente (tiempo no crítico), ahora debe ajustarse a las características dinámicas del proceso exterior, debiendo tomarse las decisiones de control o de emergencia en TIEMPO REAL. El avance tecnológico y la posibilidad de disponer de un microprocesador o un microcomputador en una pastilla (microcontrolador), ha producido una verdadera revolución en la industria, así como en la concepción clásica del Ingeniero. Hasta no hace mucho, el ingeniero era electrónico y se dedicaba al diseño del hardware o se dedicaba al diseño de las técnicas y metodologías de control desde un punto de vista general (ingeniería de sistemas) y dejando la programación de las mismas a un programador. Con la aparición de las microcomputadores y la descentralización del procesamiento informático, surge una interrelación tan grande entre el software y el hardware, que el ingeniero pierde la noción fronteriza entre ambas disciplinas, produciendo la generación de un ingeniero menos especializado con un panorama de sistema más amplio. Para llegar a comprender perfectamente la importancia del microcomputador y del microprocesador dentro del campo de la electrónica digital, conviene hacer un rápido resumen sobre la evolución tecnológica producida en este campo. 2 – CIRCUITOS INTEGRADOS. Un circuito integrado (CI) o chip, es una pastilla muy delgada en la que se encuentra una enorme cantidad (del orden de miles o millones) de dispositivos microelectrónicos interconectados, principalmente diodos y transistores, además de componentes pasivos como resistencias o 3 Electrónica Digital III condensadores. Su área es de tamaño reducido, del orden de un cm² o inferior. Algunos de los circuitos integrados más avanzados son los microprocesadores, que son usados en múltiples artefactos, desde computadoras hasta electrodomésticos, pasando por los teléfonos móviles. Otra familia importante de circuitos integrados la constituyen las memorias digitales. A continuación mencionaremos la evolución de los circuitos integrados. 2.1 – La Ley de Moore En abril de 1965 el co-fundador de Intel, Gordon E. Moore publicó que la tecnología de circuitos integrados CMOS tenía futuro y que el número de transistores por pulgada en circuitos integrados se duplicaba cada año y que la tendencia continuaría durante las siguientes dos décadas. Moore basado en la anterior afirmación expreso que aproximadamente cada 18 meses duplica el número de transistores en un circuito integrado. Esta tasa de crecimiento en la integración se la conoce como “Ley de Moore”. Dicha ley es una ley puramente empírica cuyo cumplimiento se ha podido constatar hasta la actualidad. En el momento de escribir el artículo que originó su ley, Moore era Director de los laboratorios de Fairchild Semiconductor fabricante de transistores y de circuitos LSI como compuertas. Más tarde, en el verano de 1968, creó Intel junto con Robert Noyce, uno de sus compañeros en ambas empresas. Más tarde, en 1975, Moore modificó su propia ley al afirmar que el ritmo bajaría, y que la capacidad de integración se duplicaría aproximadamente cada 24 meses. Esta progresión de crecimiento exponencial, duplicar la capacidad de los circuitos integrados cada dos años, es lo que se considera la Ley de Moore. Sin embargo, el propio Moore ha puesto fecha de caducidad a su ley: "Mi ley dejará de cumplirse dentro de 10 o 15 años -desde 2007-" Según aseguró durante la conferencia en la que hizo su predicción afirmó, no obstante, que una nueva tecnología vendrá a suplir a la actual. La consecuencia directa de la Ley de Moore es que los precios bajan al mismo tiempo que las prestaciones y la confiabilidad aumentan. Es decir, el precio de la última computadora de hoy caerá la mitad al año siguiente y estará obsoleta en dos años. En 26 años el número de transistores integrados en un chip se ha incrementado 3200 veces. Actualmente esta ley se aplica a ordenadores personales. Sin embargo, cuando se formuló no existían los microprocesadores, inventados en 1971, ni los ordenadores personales, popularizados en los años 1980. 2.2 – Clasificación según la integración de circuitos integrados Teniendo en cuenta el nivel de integración basado en la cantidad de transistores implementados en un circuito, estos se clasifican en Circuitos de: Escala de integración pequeña (Small Scale Integration SSI) Aparecieron a principio de los 60 e integran de 10 a 100 transistores. Cumplían funciones muy básicas, como compuertas lógicas y abarcan desde unos pocos transistores hasta una centena de ellos. Escala de integración mediana (Medium Scale Integration MSI): Aparecen a fines de los 60 e integran de 100 a 1.000 transistores. Económicamente eran circuitos atractivos porque mientras producirlos costaba ligeramente más que los dispositivos SSI, permitieron fabricar sistemas electrónicos más complejos utilizando placas impresas más pequeñas, menos trabajo al ensamblarlos (ya que contenían menos componentes) y otras ventajas. Ejemplos de 4 Electrónica Digital III estos integrados son multiplexores, decodificadores, codificadores, sumadores y dentro de las combinacionales contadores, registros de desplazamiento, etc. Escala de integración grande (Large Scale Integration LSI): En los años 70 de 1.000 a 10.000 transistores. A esta escala pertenecen todos aquellos integrados que contienen más de 100 compuertas lógicas (lo cual conlleva unos 1000 componentes integrados individualmente), hasta las mil puertas. Estos integrados realizan una función completa, como es el caso de las operaciones esenciales de una calculadora o el almacenamiento de una gran cantidad de bits. La aparición de los circuitos integrados a gran escala, dio paso a la construcción del microprocesador Escala de integración muy grande (Very Large Scale Integration VLSI): En los años 80 de más de 10.000 transistores. La integración en escala muy grande de sistemas de circuitos basados en transistores comenzó en los años 1980, como parte de las tecnologías de semiconductores y comunicación que se estaban desarrollando. El microprocesador es un dispositivo VLSI Hace tiempo se hizo un esfuerzo para nombrar y calibrar varios niveles superiores en integración a los primeros VLSI. Términos como Ultra-alta-escala de Integración (Ultra-Large-Scale Integration ULSI) fueron usados. Pero el enorme número de compuertas y transistores disponibles en dispositivos comunes ha dejado dichas sutiles distinciones muy discutibles.