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Tema 1

Introducción a la arquitectura y diseño de sistemas

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1.1 Introducción.1.1.1 Evolución de los uP.1.1.2 Rendimiento de un microprocesador.1.1.3 RISC /CISC.

1.2 Sistemas basados en microprocesador.1.2.1 Componentes de un sistema.1.2.2 Jerarquía de buses.

1.3 Microcontrolador.1.3.1 Recursos específicos.1.3.2 Aplicaciones.

1.4 Metodología del diseño de sistemas.

Indice

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1.1 IntroducciónEn el presente capítulo vamos a repasar el microprocesadorLas Unidades funcionales básicas son:

Unidad de control.Unidad aritmético lógica.Registros internos.Contador de programa.FPU.Cache interna.MMU.

El funcionamiento del uP se basa en la siguiente secuencia:Búsqueda de instrucción.Decodificación de la instrucción.Lectura de operandos.Fase de ejecución.

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1.1.1 Evolución de los uPEl primer uP se desarrolló en 1972- 1º uP INTEL 4004, de 4 bits, 0,5 Mhz, 16Kb M.Ha habido un incremento en :

Ancho de palabra. Paralelismo.Señal de reloj de entrada. Velocidad de ejecución.Nivel de integración de unidades funcionales (FPU, cache, MMU) se reducenlas distancias y señales entre ellos.Avances en arquitectura. Segmentación, escalabilidad (menos ciclos / Instrucción).Anchura del bus externo. Se aumenta el ancho de banda.

1972 1977 1982 1987 1992 ActualNº pines 16 40 64 100 340 499-588Nº transistores 2K 20K 100K 800K 1M 4,5MLongitud palabra 4 8(16) 16 32 32(64) 64(128)Bus datos 4 8(16) 16 32 64(128) 128Reloj 0.5-1 5-8 8(16) 20(30) 50-200 3GNº ciclos/instrucción 20 6-2 1 0,5-0,25Memoria Principal 16K 64K(1M) 16M 4GB 4GB 4GBTamaño mem Ram 1K 4K 64K 256K 1M 512MB

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El primer factor en el que podemos fijarnos para medir el rendimiento de un uPson los MIPS:

Ej.: uP a 40Mhz.CPI 2 1 0.3MIPS 20 40 120

El segundo factor es el tiempo de CPU por tarea:

NI: número de instrucciones.C: tiempo de un ciclo de reloj. Depende de la tecnología VLSI del chip.CPI: depende de la arquitectura interna y de la eficiencia de planificación de lasinstrucciones.

El objetivo es reducir cualquiera de estos tres parámetros.

1.1.2 Rendimiento de un microprocesador.

Rendimiento(tiempo de CPU por tarea)=NI*CPI*C.

Rendimiento(MIPS) = velocidad de reloj (Mhz)/ nº ciclos por instrucción (medio).

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1.1.3 RISCRISC procesadores con juego de instrucciones reducido . Características:

CPI es menor porque el formato de las instrucciones es simple y corto y permiteuna decodificación más rápida y el uso de segmentación. (CPI=1 normalmente).C también es menor por la simplicidad de la arquitectura y el menor numero de accesos a memoria.Arquitectura simple transferencia (load/store). La mayoría de instrucciones son de transferencia entre registros.Instrucciones simples: formato fijo, longitud fija y modos de direccionamientoreducidos.Circuitos de control simples. La decodificación es simple, por tanto los circuitosque la implementan son reducidos.Mayor número de registros internos. Los operandos residen en los registros. Se reduce el acceso a memoria externa.Relojes más rápidos.Segmentación. Es más frecuente encontrarla en RISC.Arquitectura Harvard. Buses de datos e instrucciones separados.Programas más largos.El rendimiento depende mucho del compilador.R5000(MIPS), 88110(Motorola),i860(Intel),16cxx(Microchip).

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1.1.3 CISC

CISC procesadores con juego de instrucciones complejo.8031,pentium(Intel),68040( Motorola).Suelen tener arquitectura Von Neumann

No se trata de dos arquitecturas, sino que se trata de dos aproximaciones en el diseño de la CPU que se puede emplear en cualquier arquitectura. Actualmente se hacen diseños híbridos CISC como el pentium con unidades de ejecución segmentadas.

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Comparación arquitectura Von Neumann vs Harvard

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1.2 Sistemas Basados en Microprocesador

Los módulos que componen un sistema se diferencianfuncionalmente en dos clases muy amplias:

Maestros de bus: Controlan el acceso al bus.Inician las transferencias activando las líneas de direcciones y datos.Para ello disponen de un uP o de la lógica necesaria para iniciar los ciclosde bus, generan señales de estado o funciones de control para avisar a los otros módulos.

Esclavos de bus.Responden a las peticiones que se solicitan en el bus.Para ello están continuamente monitorizando los ciclos de bus y lasseñales de estado y funciones de control.

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1.2.1 Componentes de un Sistema

Microprocesador (maestro del bus):Longitud de palabra indica el tamaño de los registros internos y de la ALU o en general de su arquitectura interna. Componentes básicos

ALU: Unidad aritmetico-lógica.Unidad de Control.Registros Internos.

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1.2.1 Componentes de un Sistema

Memoria principal:SRAM: Se emplea en memorias rápidas especiales: caches.DRAM: Mayor densidad, más baratas, menor consumo. Requierencircuitos especiales de refresco. Este periodo las hace más lentas.ROM: Es una memoria cuyo contenido se graba en el momento de la fabricación del chip. Es de elevado coste y se utiliza sólo en grandestiradas.PROM (OTP): memoria ROM grabable sólo una vez.EPROM: es reprogramable. Se borra mediante luz ultravioleta.EEPROM: es reprogramable eléctricamente.FLASH: es reprogramable eléctricamente por bloques.

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1.2.1 Componentes de un SistemaUnidades de E/S:

Protocolos de comunicación.Convierte tensiones y corrientes del mundo externo al uP y viceversa. El uP se comunica con estos módulos a través de los puertos de E/S quepueden estar direccionados en el mapa de E/S (Intel) o en el mismo mapade memoria (Motorola).

Coprocesadores:Son chips de soporte, compatibles y fácilmente conectables al uP a travésde sus pines. Liberan de tareas complejas al uP principal que requeriría mucho tiempode CPU. Tienen un conjunto de instrucciones propio:

FPU.Procesadores de comunicaciones. Controla las comunicaciones síncronas y asíncronas.Coprocesadores gráficos.Coprocesadores multimedia. (compresión / descompresión de video y audio). Incluyen mucha memoria y varias unidades de ejecución.

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MMU:Unidades de gestión de memoria. Proporcionan técnicas para manejargrandes espacios de memoria de una manera flexible. Dividen el espacio total en bloques (páginas o segmentos) con direcciones lógicas y direcciones físicas, comprobando ciertos atributosde acceso.Evitan el problema de colisiones en el acceso a un mismo espacio desdedistintas tareas, o cuando varios usuarios comparten datos o programas comunes.Suele integrarse con el microprocesador

Caches:Pequeña memoria de alta velocidad entre la CPU y la memoriaprincipal para aumentar la velocidad de acceso.Hace copias de los más recientemente empleadas. La palabra caché se refiere tanto a la memoria SRAM que la compone como al controladorque la maneja.

1.2.1 Componentes de un Sistema

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Elementos internos del procesador

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1.2.2 Jerarquía de buses

Buses de la CPU. Pines de E/S, conexión de coprocesadores u otros controladores, depende del uPutilizado.

Bus local. (o bus de memoria si ésta está conectada directamente a la CPU).

Interconexión del uP al resto de componentes. En muchos diseños el bus local y el del procesador(CPU) puede ser el mismo.Este bus es independiente de uP (a diferencia del bus de la CPU) debe estarestandarizado.

Bus del sistema. Interconecta las distintas tarjetas que componen el sistema: memoria, adaptadores, etc.Este bus también es independiente de uP y tiene sus propias especificaciones que debencumplir los distintos fabricantes de tarjetas para él. Ej: Multibus, VMEbus, Futurebus, etc.

Ej: uP funcionando a 100Mhz. Periféricos locales (gráficos) conectados al bus local a 33Mhz y periféricos de baja velocidad conectados al bus global a 8MHz

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Sistema microprocesador

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1.3 Microcontrolador

Un controlador es un dispositivo que se emplea en el gobierno de uno o varios procesos. Antiguamente se construían con elementoselectrónicos discretos o lógica discreta. Hoy en día se utilizancomputadores.Cuando estos computadores se integran dentro del sistema que van a controlar o monitorizar, se denominan computadores o sistemasempotrados (embedded systems). Son el tipo de computadores más numeroso, ya que se integra en una multitud de dispositivos: Electrodomésticos, teléfonos, sistemas para automoción,… Actualmente se ha generalizado el uso de microcontroladores: Son circuitos integrados de alta escala de integración, que incorporantodos los elementos que configuran un computador y estánorientados a tareas de control de procesos.

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1.3 Microcontrolador

Diferencias entre computador y microcontrolador:El nivel de integración. El microcontrolador incluye todos loselementos del computador en un único chip y se añaden módulosorientados al control de procesos.Computador puede correr una gran variedad de aplicaciones y estágestionado por el Sistema Operativo. Un sistema empotrado está dedicado a una única tarea. No siempre incluye el Sistema Operativo. El programa no se salva en almacenamiento secundario sino en ROM y no se modifica.Existe una gran diversisdad de sistemas empotrados: desde un temporizador eléctrico (programador de riego) hasta un sistemacon más de 100 microcontroladores y procesadores que forman un sistema paralelo y distribuido para control de un avión.

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1.3 Microcontrolador

Elementos que normalmente integra un microcontrolador: Procesador.Memoria RAM.Memoria de programa ROM/PROM/EPROM. (sólo hay un programa)Módulos de E/S para comunicarse con el exterior.Módulos para el control de periféricos ( Temporizadores, puertos serie de comunicaciones, generadores de señales, comparadores, CAD y CDA...).Oscilador interno para generar la señal de reloj

Ventajas del uso de microcontroladores:Gestión eficiente de procesos. (Ejemplo motores de combustión)Aumento de la fiabilidad.Reducción del tamaño, consumo y coste.Mayor flexibilidad (Unicamente se requiere la reprogramación)

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1.3.1 Recursos especiales

Cada fabricante oferta numerosas variantes de microcontroladores, con diferentes prestaciones, memoria, módulos, consumo, etc.

El objetivo es encontrar el dispositivo mínimo que satisfaga todos losrequerimientos de la aplicación para minimizar el coste, el hardware y el software.

Recursos especiales:Temporizadores (Timers).

Perro guardián (Watchdog).

Protección frente a fallo de alimentación (Brown-out).

Estado de bajo consumo.

Conversores AD y DA.

Modulador de anchura de pulsos PWM.

Comparadores Analógicos.

Puertos de E/S digital.

Puertos de comunicación: serie, CAN, USB, I2C,…

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1.3.2 Aplicaciones

La única limitación en las aplicaciones es la imaginación de losdiseñadores de sistemas.

Por ejemplo en un hogar pueden encontrarse más de 200 microcontroladores distribuidos por los aparatos de la casa.

Los campos más destacados son:Periféricos y dispositivos auxiliares de computadores

Electrodomésticos

Aparatos portátiles (pda, teléfonos, tarjetas,…)

Máquinas expendedoras

Jugetes

Sistemas de seguridad, alarmas y domótica en general

Instrumentación

Automoción

Control industrial y robótica

Sistemas de navegación

Termorregulación: Aire acondicionado, calderas de calefacción,…

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1.3.2 AplicacionesEl mercado mundial de microcontroladores supera al de microprocesadores

Evolución del mercado:

Distribución por sectores:

PerifericosElectrod.Comunic.IndustriaAutomoc.

00,5

11,5

22,5

33,5

4

Billones de unidades

1995 1996 1997 1998 1999 2000Año

8bits4bits16-32bits

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1.3.2 AplicacionesEl mayor vendedor mundial de microcontroladores de 8 bits esmicrochip con la familia PIC. Razones:

Desarrollo con bajo riesgo. Exsite una gran variedad de dispositivos pero con totalmente compatibles pin a pin. No es necesario rediseñar el software y un entornode desarrollo sencillo (MPLAB).

Tiempo de desarrollo reducido. El software es reutilizable. ICSP.

Muy bajo coste.

Gran variedad de compiladores y herramientas de desarrollo.

Otros fabricantes:Motorola: 68HC11

Intel, philips: 8051

Otros National Semiconductor, SGS-thomson, Texas-inst., Hitachi, Analog Devices,..

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1.4 Metodología del diseño de sistemasPasos:

1. Especificación de requisitos:Tipo de aplicaciónCoste máximo.Rendimiento mínimo.Ampliaciones futuras.Limitaciones: Software existente, consumo de energía, tamaño, peso, herramientas de desarrollo.

2. Establecer la arquitectura del sistema.Lo más importante es el micro. Jerarquía de memoria.Subsistema de E/S.Métodos analíticos cálculo rendimiento del uP y ancho de banda del sistemade memoria.Simulación del software mediante programas.Simulación del prototipo: representación abstracta y cambios sin esfuerzo.

3. Desarrollo del hardware y software: Prototipo hardware: selección de componentes, memorias, E/S, interface, caché, buffers,…Diseño de esquemas de la circuitería.Diseño de las tarjetas del sistema (PCB).

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1.4 Metodología del diseño de sistemas4. Test y debug del prototipo.

Simulador. Son capaces de ejecutar en un PC programas realizados para el microcontrolador. Su gran inconveniente es que es difícil simular la entrada y salida de datos del microcontrolador y posibles ruidos en las entradas.Emuladores en circuito. Se trata de un instrumento que se coloca entre el PC anfitrión y el zócalo de la tarjeta de circuito impreso donde se alojará el microcontrolador definitivo. El programa es ejecutado como si lo hiciese el mismo microcontrolador.

5. Producción.Primera fase.Comprobación de resultados.

6. Comercialización.