Microcontroladores

Microcontroladores

1. Se pueden encontrar en muchos dispositivos en la vida cotidiana. Por ejemplo: computadoras, teléfonos, etc.

2. Algunos microcontroladores pueden comunicarse entre ellos y con un procesador central más potente pueden compartir información.

3. Antes de la existencia de estos, las personas debían ingeniárselas con circuitos electrónicos con muchos más componentes y cálculos matemáticos.

   • Actualmente en el siglo 21 los microcontroladores evolucionaron y lo seguirán haciendo.
     • Aumenta su tamaño.
     • Aumenta su precio.
   • El funcionamiento de los microcontroladores y los microprocesadores, permite profundizar en los aspectos tecnológicos de las arquitecturas de las computadoras.
     • Los circuitos integrados contenían procesadores y periféricos. Así se desarrolla el chip el primer chip que contenía una microcomputadora.
       • En el año 1969 la compañía, BUSICOM, llegó a EE.UU con una idea, usar en sus proyectos pocos circuitos integrados de los que se usaban en las calculadoras.
         • Las computadoras tienen características claves:
           • Capacidad de ser programadas para efectuar operaciones sobre ciertos datos.
           • Incluye dispositivos periféricos para permitir la comunicación con las personas, además de programas que procesan datos.
             • El CPU es el cerebro del sistema computacional, este administra toda la actividad realizada en el sistema.
               • Tiene capacidad de interpretar y ejecutar instrucciones codificadas de forma binaria.
               • Estas instrucciones son aritméticas generalmente (suma, resta, multiplicación y división), lógicas (AND, OR, NOT, etc.)
                 • Transferencia de datos: Copian datos de un origen a un destino, sin modificar el origen y normalmente sin afectar a los flags o indicadores de condición. Pueden transferir palabras, fracciones de palabras (bytes, media palabra) o bloques completos de n bytes o palabras.
                 • Instrucciones aritméticas: Son efectuadas por la ALU y suelen cambiar los flags o indicadores de condición.
                 • Instrucciones de comparación: Suelen preceder a una instrucción de bifurcación condicional y modifican los flags. No hay que pensar que las instrucciones de salto condicional dependen de este repertorio, ya que lo único que hace el salto condicional es consultar los flags y salta si precede, pero no depende de ninguna instrucción de comparación.
                 • Instrucciones lógicas: Realizan operaciones booleanas "bit a bit" entre dos operandos. Como las aritméticas también modifican los flags.
                 • Instrucciones de desplazamiento: Pueden ser aritmético o lógico y pueden incluir o no rotaciones. Pueden ser de izquierda a derecha.
                 • Instrucciones de bits: Comprueban un bit del operando y su valor lo reflejan en el indicador de cero. Pueden poner un bit a 0 o complementarlo.
                 • Instrucciones de control: Permiten modificar la secuencia normal de ejecución de un programa, puede hacerse por salto condicional relativo o absoluto.
               • ROM: es una de las operaciones fundamentales realizadas por la CPU.
                 • El contenido del contador se transfiere al bus de direcciones.
                 • Se activa una señal de control de lectura.
                 • Los datos se leen de la ROM se transmiten al bus de datos.
                 • El código de operación se almacena en el registro interno de instrucciones de la CPU.
                 • El contador de programa se incrementa como preparación para la siguiente búsqueda de la memoria.
                 • El software es una serie de instrucciones que se combinan para ejecutar una tarea útil.
                   • Su calidad es lo que determina el nivel de eficacia y exactitud con la que se ejecutan las tareas.
                   • Los sitios a los que la CPU puede acceder de manera directa, están constituidos por circuitos integrados, los cuales se conocen como RAM y ROM.
                     • RAM: es la memoria de lectura/escritura y es volátil.
                     • ROM: es la memoria de solo lectura y no es volátil.
                     • Un bus es una colección de alambres que transfieren información con un propósito común.
                       • En las operaciones de lectura se recupera un byte de datos de la ubicación de memoria especificada y se coloca en el bus de datos.
                         • El CPU lee los datos y los pone en uno de sus circuitos internos.
                           • Debido a la señal de control, la memoria reconoce la operación como un siclo de escritura y almacena los datos en la ubicación especificada.
                             • La mayoría de las computadoras pequeñas cuentan con 16 o 20 líneas de dirección.
                               • Las salidas/entradas proveen una recta para establecer la comunicación entre el sistema computacional y el "mundo real".
                                 • Los dispositivos de almacenamiento masivo forman parte del campo de la tecnología de memoria, la cual está en crecimiento y mejoras constantes.
                                   • El almacenamiento de archivo contiene datos que rara vez se necesitan, por lo cual es necesario cargarlos manualmente en el sistema.
                       • Es un sistema digital que transfiere datos entre los componentes de una computadora o entre computadoras.
                         • Un bus de datos es un dispositivo mediante el cual al interior de una computadora se transportan datos e información relevante. El bus de datos permite el intercambio de datos entre la CPU y el resto de unidades. El bus de datos lleva datos e instrucciones hacia y desde el microprocesador. Las instrucciones proceden siempre de la memoria mientras que los datos que procesa u obtiene el programa de instrucciones, puede provenir de o ir hacia la memoria o los módulos de entrada/salida.
                         • Bus de direcciones La memoria RAM es direccionable, de forma que cada celda de memoria tiene su propia dirección. Las direcciones son un número que selecciona una celda de memoria dentro de la memoria principal o en el espacio de direcciones de la unidad de entrada/salida.
                         • El bus de control contiene la información que envía el microprocesador a los elementos del sistema o bien la recibe de estos con el propósito de sincronizar la operación de los circuitos externos. El número de líneas del bus de control es variable y depende del microprocesador particular utilizado.
               • Componentes internos.
                 • Memoria RAM: Almacena los programas y datos del usuario mientras la computadora está encendida.
                 • Memoria ROM: Almacena las instrucciones básicas del fabricante como el arranque e instrucciones de comprobación de los dispositivos.
                 • Memoria principal: es donde se almacenan temporalmente tanto los datos como los programas que la CPU está procesando o va a procesar en un determinado momento.
                 • Unidad aritmético-lógica (ALU): es un contador digital capaz de realizar las operaciones aritméticas y lógicas entre los datos de un circuito; suma, resta, multiplica y divide, así como establece comparaciones lógicas a través de los condicionales lógicos "si", "no" y "o".
                 • Registros de control: son utilizados por la unidad de control para controlar el funcionamiento de la CPU y por programas "privilegiados" del sistema para controlar la ejecución de programas.
               • Estructuras.
                 • Unidad Aritmética-Lógica (ALU): circuito lógico que implementa operaciones de aritmética binaria (típicamente la operaciones básicas para representaciones "binario" y "complemento a 2" y lógicas (típicamente AND, OR, EXOR y NOT bit a bit). También es habitual que implemente operaciones de desplazamiento y/o rotación de bits.
                 • Unidad de Control: circuito secuencial que implementa el denominado "ciclo de instrucción", permitiendo acceder a la siguiente instrucción de un programa, leer sus operandos, efectuar la operación indicada en la ALU y guardar el resultado de la misma.
                 • Banco (Set / Conjunto) de Registros: una serie de posiciones especiales de memoria, ubicadas físicamente dentro de la propia CPU, que permiten un acceso a operandos y lugares de almacenamiento de resultados mucho más veloz que si estuvieran en el sistema de memoria normal. Algunos de estos registros son de uso interno de la propia CPU (más precisamente de su Unidad de Control) y otros son accesibles y utilizables por el programador.
               • Arquitecturas
                 • Von Neumann: es una arquitectura de computadoras basada en la descrita en 1945 por el matemático y físico John Von Neumann y otros. Este describe una arquitectura de diseño para un computador digital electrónico con partes que constan de una unidad de procesamiento que contiene una unidad aritmético lógica y registros del procesador, una unidad de control que contiene un registro de instrucciones y un contador de programa, una memoria para almacenar tanto datos como instrucciones, almacenamiento masivo externo, y mecanismos de entrada y salida
                 • Hardvard: es una arquitectura de computadora con pistas de almacenamiento y de señal físicamente separadas para las instrucciones y para los datos. Estas primeras máquinas tenían almacenamiento de datos totalmente contenido dentro la unidad central de proceso, y no proporcionaban acceso al almacenamiento de instrucciones como datos. Los programas necesitaban ser cargados por un operador; el procesador no podría arrancar por sí mismo.
   • En el desarrollo de la tecnología de los circuitos integrados, los microcontroladores tienen sus raíces.
     • Esto ha hecho que sea posible contener millones de transistores en un solo chip.

4. Sistemas de operaciones de una instrucción.

   • En un microprocesador, el principio de ejecución de cualquier instrucción tiene caracteristicas similares. En todas ellas hay dos tiempos fundamentales llamados búsqueda (fetch) y ejecución (execute). El diagrama de bloques de un sistema con microprocesador permite un análisis rápido de la forma en que se ejecuta una instrucción cualquiera; por ejemplo, la correspondiente a la suma de dos operandos.
   • Fase de búsqueda: Es el comienzo de una nueva instrucción, el Contador de Programa (PC deposita en el bus de direcciones la dirección de la posición de la memoria principal donde se encuentra el código de la instrucción que se va a ejecutar. Dicho código sale de la memoria principal por el bus de datos hasta la Unidad de Control donde se graba en el Registro de Instrucciones.
   • Decodificación de una instrucción Es la primera parte del tiempo de ejecución y es también exactamente igual para todas las instrucciones, puesto que aún no se sabe que operación hay que efectuar. Al recibir el Decodificador de Instrucciones el código de la instrucción en curso, se encarga de seleccionar en la memoria de microinstrucciones aquellas que corresponden a dicho código. La llegada de las microinstrucciones al Secuenciador, origina una serie. de señales de control que regulan la ejecución de las diferentes etapas en las que se descompone la instrucción.
   • Ejecución de una instrucción En resumen: completada la fase de búsqueda, el código de máquina del Registro de Instrucciones llega al Decodificador de Instrucciones, que se encarga de localizar las posiciones de la memoria de microinstrucciones que correspondan. Dichas microinstrucciones van introduciéndose al secuenciador a medida que se realiza el proceso. El secuenciador, con cada microinstrucción, envía una serie de señales de control a los elementos del sistema que deben actuar en cada momento.