Funcionamiento Esencial del Microprocesador: Arquitectura, Buses y Gestión de Memoria

Fundamentos del Microprocesador y su Rendimiento

La eficiencia y la eficacia para realizar una tarea están en función de la arquitectura de un microprocesador, es decir, su diseño interno. La arquitectura del microprocesador describe la forma en que los datos son procesados internamente, lo cual es uno de los factores más importantes que determina el rendimiento global (el otro es la velocidad de reloj). Las interfaces externas del microprocesador describen la manera de comunicar la información con la memoria, el chipset y otros dispositivos de una PC.

Interfaces Externas y Buses del Procesador

El procesador controla la PC completa y utiliza rutas o caminos de control llamados buses para enviar información entre él, la caché, la memoria y otros dispositivos. Los buses son las interfaces externas del procesador.

Tipos de Buses y su Función

Existen diferentes tipos de buses; entre los más importantes se encuentran los buses de E/S (Entrada/Salida), PCI e ISA.

Los procesadores convencionales usan caché L2 y la conectan a la placa base (motherboard) usando el bus estándar del sistema. Este es un bus trasero dedicado para la memoria caché.

Bus de Datos y Direcciones

El bus principal está compuesto de dos partes distintas: el bus de datos y el bus de direcciones. El bus de datos es al que nos referimos comúnmente al hablar del bus principal.

Características Eléctricas y Pines del Microprocesador

El microprocesador dispone de un bus de entrada y otro de salida de datos de 16 bits, ambos con sus líneas de dirección. Además, posee dos líneas de interrupciones, INT0 e INT1, las cuales se activan por nivel en el flanco positivo del reloj del microprocesador y son habilitadas escribiendo en el registro de estado. INT0 es la de mayor prioridad. Las peticiones de interrupción son reconocidas por medio de la línea INTR.

Ciclos de Operación del Microprocesador

Ciclos de Búsqueda y Ejecución de Instrucciones

La función básica de una computadora es ejecutar programas, los cuales están compuestos por un conjunto de instrucciones almacenadas en memoria. El procesamiento de la instrucción se denomina ciclo de instrucción. Los dos pasos principales de este ciclo son el ciclo de búsqueda y el ciclo de ejecución. La instrucción traída se almacena en un registro conocido como registro de instrucción (IR).

Ciclos de Lectura y Escritura en Memoria RAM

Los ciclos de lectura y escritura en RAM se usan para obtener instrucciones y datos de la memoria del sistema. Esta memoria puede estar en la tarjeta del sistema, en las tarjetas de expansión (ROM o RAM). Todos los ciclos del bus consisten en un mínimo de cuatro pulsos de reloj. La longitud mínima para un ciclo de este tipo es de 840 ns, 500 ns, 400 ns, para velocidades de reloj de 4.77 MHz, 8 MHz o 10 MHz respectivamente. La longitud del ciclo del bus se puede extender cuando la memoria baja la línea del bus llamada READY. La memoria debe realizar esta acción; de lo contrario, el ciclo de bus será de 4 pulsos.

Ciclo de Bus de Escritura a Memoria

Este ciclo se usa específicamente para escribir datos en una localidad de memoria.

Gestión y Direccionamiento de Memoria

Mapeo de Memoria

El circuito decodificador único del 8088 destaca por su capacidad para direccionar más de los 65536 bytes de datos especificados por los 16 bits. El 8088 tiene una dirección de 20 bits que permite un tamaño de memoria física de 1,048,576 bytes. Desde el punto de vista del programador, esto se refiere directamente al almacenamiento.

Decodificación de Memoria

El circuito decodificador nos permite asignar a las memorias y los dispositivos de E/S una zona exclusiva del mapa de memoria del microprocesador.

Líneas de Direccionamiento Externas e Internas

Las líneas de direccionamiento externas son las encargadas de diferenciar un dispositivo del resto. De esta forma, se pueden tener varios dispositivos en un sistema de buses y acceder a uno en especial por medio de estas líneas y un circuito decodificador.

Las líneas de direccionamiento internas son las que se conectan directamente al dispositivo.

Modelos Arquitectónicos de Microprocesadores

Arquitectura de Von Neumann

Los microcomputadores basados en esta arquitectura se caracterizan por tener un solo bus de direcciones y datos, es decir, que el mismo se emplea para enviar y recibir instrucciones y datos que son almacenados en la memoria principal. Cuando la CPU se dirige a la memoria principal, extrae la instrucción y después los datos con los que se efectúa la instrucción.

Arquitectura Harvard

Esta arquitectura se caracteriza por tener separados el bus de direcciones y el bus de datos. Esto significa que las instrucciones y los datos son almacenados en memorias diferentes, a las que se accede de forma separada por la CPU.