Arquitectura y Funcionamiento Esencial del Microprocesador

Microprocesadores

La arquitectura interna del microprocesador se puede dividir en tres partes principales:

• ALU (Unidad Aritmético Lógica): Esta unidad realiza operaciones aritméticas como la resta y la suma, además de operaciones lógicas.
• Array de Registros: Compuesto por varios registros y un acumulador (buffer).
• Unidad de Control: Controla el flujo de datos entre la CPU, la memoria y los periféricos.

El microprocesador también interactúa con los siguientes elementos:

• Bus de Direcciones (Address Bus): Puede ser de 8, 16 o 32 bits de tamaño y envía una dirección a la memoria.
• Bus de Datos (Data Bus): Puede ser de 8, 16 o 32 bits de tamaño y manda o recibe datos de la memoria.
• Líneas de Lectura/Escritura: Comunica a la memoria si se desea escribir o leer sobre una localización específica.
• Línea de Reloj: El procesador sigue la secuencia de pulsos de reloj para sincronizar sus operaciones.
• Línea de Reset: Reinicia el contador de programa a 0 y la ejecución del procesador.

Bus de Sistema

El Bus de Sistema es la herramienta de comunicación entre el microprocesador y los periféricos.

Tipos de Memoria en un Microprocesador

Hay dos tipos de memoria principales asociadas a un microprocesador:

• ROM (Read Only Memory): Los programas en la ROM solo pueden leerse; no se puede escribir sobre ellos.
• RAM (Random Access Memory): Es posible leer y escribir sobre la información almacenada.

Secuencia de Trabajo del Microprocesador

El proceso operativo básico del microprocesador sigue los siguientes pasos:

1. Las instrucciones se almacenan en la memoria de forma secuencial.
2. El microprocesador busca la instrucción/dato en la memoria, lo decodifica y ejecuta la instrucción.
3. El proceso continúa hasta que el microprocesador encuentra una instrucción para detenerse.
4. Durante el proceso, el microprocesador utiliza los buses para buscar las instrucciones binarias y los datos de la memoria.
5. Utiliza registros para almacenar datos temporalmente.
6. El microprocesador representa la función computacional en la sección de la ALU.
7. Finalmente, envía el resultado en binario, utilizando las mismas líneas del bus, a los puertos de salida.

Buses Utilizados por el Microprocesador

El microprocesador utiliza tres buses distintos para realizar sus operaciones:

• Bus de Direcciones: Tiene un tamaño típico de 16 bits (A₀, A₁…A₁₅), lo que le permite acceder a 64K direcciones. Es unidireccional, ya que la información fluye del microprocesador a la memoria y los periféricos. Si el microprocesador quiere acceder a un periférico o a una posición de la memoria, coloca la dirección de 16 bits y envía las correspondientes señales de control.
• Bus de Datos: Tiene un tamaño típico de 8 bits (D₀, D₁…D₇). Es bidireccional, ya que la información fluye entre el microprocesador y la memoria o los dispositivos de entrada/salida (E/S).
• Bus de Control: No es un bus físico como tal, sino un conjunto de líneas de señales de control que coordinan las operaciones.

Tipos de Operaciones del Microprocesador

Existen tres tipos principales de operaciones:

Operaciones Iniciadas por el Microprocesador

Normalmente, son una de las cuatro operaciones básicas:

1. Lectura de memoria.
2. Escritura sobre la memoria.
3. Recibir datos de un dispositivo de entrada.
4. Enviar datos a un dispositivo de salida.

El microprocesador trata de la misma forma a la memoria y a los dispositivos de E/S.

Operación de Lectura

En una operación de lectura, el microprocesador envía los 16 bits de la dirección al Bus de Direcciones de la memoria, activa una señal "memory read" que a su vez activa el chip elegido e identifica su localización. Los datos se cargan en el Bus de Datos y el microprocesador los lee.

Operaciones Internas

Incluyen el almacenamiento de datos, operaciones aritmético-lógicas, testeos, etc.

Arquitectura Interna (Detalle Adicional)

• Contador de Programa: Consta de 16 bits que guardan la dirección de la siguiente instrucción a ejecutar y mantiene la secuencia de las acciones.
• Apuntador (Pointer): Registro de 16 bits que apunta a una posición de memoria desde donde se recuperarán los datos rápidamente.

Operaciones Externas

Pueden ser iniciadas por elementos externos al microprocesador. Las cuatro principales son:

• Reset: Detiene todas las operaciones y pone el contador de programa a 0.
• Interrupción: Detiene la operación actual y entra en un estado donde analiza la interrupción, intenta resolverla y luego continúa la ejecución normal.
• Ready: Señal que envían elementos externos para avisar si están listos para operar o no.
• Hold: Esta señal provoca que el microprocesador deje de usar los buses y de ejecutar órdenes para permitir que otro elemento pueda utilizar los buses.

Lugares de Almacenamiento de Datos

Hay dos tipos de ubicaciones donde se pueden almacenar datos de memoria:

• Memoria principal (RAM y ROM).
• Elementos externos (discos, CD's).

Selección de Chip de Memoria

Se selecciona el chip de memoria que guardará los datos utilizando la parte más significativa del Bus de Direcciones. Después, con el resto de bits, se elige la localización exacta dentro del chip, y mediante el Bus de Datos se almacena o recupera la información.