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Subsistema de un Microprocesador

Un microprocesador es una implementación en forma de circuito integrado (IC) de la Unidad Central de Proceso CPU de una computadora. Frecuentemente nos referimos a un microprocesador como simplemente “CPU”, y la parte de un sistema que contiene al microprocesador se denomina subsistema de CPU. Los microprocesadores varían en consumo de potencia, complejidad y costo. Los subsistemas de entrada/salida y memoria pueden ser combinados con un subsistema de CPU para formar una computadora o sistema embebido completo. Estos subsistemas se interconectan mediante los buses de sistema (formados a su vez por el bus de control, el bus de direcciones y el bus de datos).

El subsistema de entrada acepta datos del exterior para ser procesados mientras que el subsistema de salida transfiere los resultados hacia el exterior. Lo más habitual es que haya varios subsistemas de entrada y varios de salida. A estos subsistemas se les reconoce habitualmente como periféricos de E/S.

El subsistema de memoria almacena las instrucciones que controlan el funcionamiento del sistema. Estas instrucciones comprenden el programa que ejecuta el sistema. La memoria también almacena varios tipos de datos: datos de entrada que aún no han sido procesados, resultados intermedios del procesado y resultados finales en espera de salida al exterior.

Es importante darse cuenta de que los subsistemas estructuran a un sistema según funcionalidades. La subdivisión física de un sistema, en términos de circuitos integrados o placas de circuito impreso (PCB) puede y es normalmente diferente. Un solo circuito integrado (IC) puede proporcionar múltiples funciones, tales como memoria y entrada/salida.

Un microcontrolador (MCU) es un IC que incluye una CPU, memoria y circuitos de E/S. Entre los subsistemas de E/S que incluyen los microcontroladores se encuentran los temporizadores, los convertidores analógico a digital (ADC) y digital a analógico (DAC) y los canales de comunicaciones serie. Estos subsistemas de E/S se suelen optimizar para aplicaciones específicas (por ejemplo audio, video, procesos industriales, comunicaciones, etc.).

Hay que señalar que las líneas reales de distinción entre microprocesador, microcontrolador y microcomputador en un solo chip están difusas, y se denominan en ocasiones de manera indistinta unos y otros.

Las microcomputadoras en estos sistemas controlan electrodomésticos tales como: televisores, videos, lavadoras, alarmas, teléfonos inalámbricos, etc. Incluso una PC tiene sistemas embebidos en el monitor, impresora, y periféricos en general, adicionales a la CPU de la propia PC. Un automóvil puede tener hasta un centenar de microprocesadores y microcontroladores que controlan cosas como la ignición, transmisión, dirección asistida, frenos antibloqueo (ABS), control de la tracción, etc.

Los sistemas embebidos se caracterizan normalmente por la necesidad de dispositivos de E/S especiales. Cuando se opta por diseñar el sistema embebidos partiendo de una placa con microcomputador también es necesario comprar o diseñar placas de E/S adicionales para cumplir con los requisitos de la aplicación concreta.

Un sistema embebido complejo puede utilizar un sistema operativo como apoyo para la ejecución de sus programas, sobre todo cuando se requiere la ejecución simultánea de los mismos. Cuando se utiliza un sistema operativo lo más probable es que se tenga que tratar de un sistema operativo de tiempo real (RTOS), que es un sistema operativo diseñado y optimizado para manejar fuertes restricciones de tiempo asociadas con eventos en aplicaciones de tiempo real. En una aplicación de tiempo real compleja la utilización de un sistema operativo de tiempo real multitarea puede simplificar el desarrollo del software.

Arquitecturas de computadores más empleadas

Arquitectura básica

Una PC embebida posee una arquitectura semejante a la de un PC. Brevemente éstos son los elementos básicos:

Microprocesador
Es el encargado de realizar las operaciones de cálculo principales del sistema. Ejecuta código para realizar una determinada tarea y dirige el funcionamiento de los demás elementos que le rodean, a modo de director de una orquesta.
Memoria
En ella se encuentra almacenado el código de los programas que el sistema puede ejecutar así como los datos. Su característica principal es que debe tener un acceso de lectura y escritura lo más rápido posible para que el microprocesador no pierda tiempo en tareas que no son meramente de cálculo. Al ser volátil el sistema requiere de un soporte donde se almacenen los datos incluso sin disponer de alimentación o energía.
Caché
Memoria más rápida que la principal en la que se almacenan los datos y el código accedido últimamente. Dado que el sistema realiza microtareas, muchas veces repetitivas, la caché hace ahorrar tiempo ya que no hará falta ir a memoria principal si el dato o la instrucción ya se encuentra en la caché. Dado su alto precio tiene un tamaño muy inferior (8–512 KB) con respecto a la principal (8–256 MB). En el interior del chip del microprocesador se encuentra una pequeña caché (L1), pero normalmente se tiene una mayor en otro chip de la placa madre (L2).
Disco duro
En él la información no es volátil y además puede conseguir capacidades muy elevadas. A diferencia de la memoria que es de estado sólido éste suele ser magnético. Pero su excesivo tamaño a veces lo hace inviable para PC embebidas, con lo que se requieren soluciones como unidades de estado sólido. Otro problema que presentan los dispositivos magnéticos, a la hora de integrarlos en sistemas embebidos, es que llevan partes mecánicas móviles, lo que los hace inviables para entornos donde estos estarán expuestos a ciertas condiciones de vibración. Existen en el mercado varias soluciones de esta clase (DiskOnChip, CompactFlash, IDE Flash Drive, etc.) con capacidades suficientes para la mayoría de sistemas embebidos (desde 2 MB hasta más de 1 GB). El controlador del disco duro de PC estándar cumple con el estándar IDE y es un chip más de la placa madre.
Disco flexible
Su función es la de almacenamiento, pero con discos con capacidades mucho más pequeñas y la ventaja de su portabilidad. Normalmente se encontraban en computadora personal estándar pero no así en una PC embebida. Llevan varios años en total desuso en PC comunes.
BIOS-ROM
BIOS (Basic Input & Output System, sistema básico de entrada y salida) es código que es necesario para inicializar la computadora y para poner en comunicación los distintos elementos de la placa madre. La ROM (Read Only Memory, memoria de sólo lectura no volátil) es un chip donde se encuentra el código BIOS.
CMOSRAM
Es un chip de memoria de lectura y escritura alimentado con una pila donde se almacena el tipo y ubicación de los dispositivos conectados a la placa madre (disco duro, puertos de entrada y salida, etc.). Además contiene un reloj en permanente funcionamiento que ofrece al sistema la fecha y la hora.
Chipset
Chip que se encarga de controlar las interrupciones dirigidas al microprocesador, el acceso directo a memoria (DMA) y al bus ISA, además de ofrecer temporizadores, etc. Es frecuente encontrar la CMOS-RAM y el reloj de tiempo real en el interior del Chip Set.
Entradas al sistema
pueden existir puertos para mouse, teclado, vídeo en formato digital, comunicaciones serie o paralelo, etc.
Salidas del sistema
puertos de vídeo para monitor o televisión, pantallas de cristal líquido, altavoces, comunicaciones serie o paralelo, etc.
Ranuras de expansión para tarjetas de tareas específicas
que pueden no venir incorporadas en la placa madre, como pueden ser más puertos de comunicaciones, acceso a red de computadoras vía LAN (Local Area Network, red de área local) o vía red telefónica: básica, RDSI (Red Digital de Servicios Integrados), ADSL (Asynchronous Digital Subscriber Loop, Lazo Digital Asíncrono del Abonado), Cablemódem, etc. Un PC estándar suele tener muchas más ranuras de expansión que una PC embebida. Las ranuras de expansión están asociadas a distintos tipos de bus: VESA, ISA, PCI, NLX (ISA + PCI), etc.

Hoy en día existen en el mercado fabricantes que integran un microprocesador y los elementos controladores de los dispositivos fundamentales de entrada y salida en un mismo chip, pensando en las necesidades de los sistemas embebidos (bajo coste, pequeño tamaño, entradas y salidas específicas, etc.). Su capacidad de proceso suele ser inferior a los procesadores de propósito general pero cumplen con su cometido ya que los sistemas donde se ubican no requieren tanta potencia. Los principales fabricantes son STMicroelectronics (familia de chips STPC), AMD (familia Geode), Motorola (familia ColdFire) e Intel.

En cuanto a los sistemas operativos necesarios para que un sistema basado en microprocesador pueda funcionar y ejecutar programas suelen ser específicos para los sistemas embebidos. Así nos encontramos con sistemas operativos de bajos requisitos de memoria, posibilidad de ejecución de aplicaciones de tiempo real, modulares (inclusión sólo de los elementos necesarios del sistema operativo para el sistema embebido concreto), etc. Los más conocidos en la actualidad son Windows CE, QNX y VxWorks de WindRiver.

Como circuito electrónico integrado la complejidad de un microprocesador es muy alta, pero en este capítulo nos dedicaremos al estudio de los elementos más significativos y necesarios para comprender las generalidades de su mundo, es así como podemos distinguir entre sus componentes los siguientes:

  • ALU: Arithmetic Logic Unit, Unidad Aritmético Lógica es el cerebro dentro del chip, encargado de procesar y tomar las decisiones, realizar las comparaciones y manipular los datos y las instrucciones, desde los procesadores Pentium, 2 ALUs integran el Kernel (núcleo ó corona) del chip, lo cual permite que 2 instrucciones sean procesadas al mismo tiempo (por cada ciclo de reloj).
  • FPU: Float Point Unit, Unidad de Punto Flotante, integrado en el CPU desde los 486, es la encargada de asistir a las ALU al procesar las instrucciones con uso intensivo de fraccionarios ó decimales, pero no se trata de las simples funciones de excel, estamos hablando de imágenes, diseño en tres dimensiones y edición de video, entre otros, y programas como Autocad que manejan este tipo de instrucciones, recordemos, como en la Película “Matriz”, que para una computadora toda la información, no importa si es, sonido, videos, animaciones o texto no es más que expresiones matemática y lógicas.
  • Registros: es el conjunto de instrucciones que el procesador puede reconocer y manejar, en otras palabras, los registros son lo que sabe hacer el procesador. Algunas versiones de chips han incluido conjuntos de registros especializados en un proceso en particular, como el caso de la línea Pentium, que añadió la referencia MMX de MultiMedia eXtensions, 57 instrucciones dedicadas a mejorar la experiencia multimedial, y los Pentium III y en adelante que traen SSE, 70 instrucciones para gráficos y sonido. El truco final está en que nuevos procesadores siempre traerán nuevos registros pero sólo los programas escritos para estos procesadores podrán aprovechas estas características.
  • Unidad de Control: encargada de extraer instrucciones de la memoria, decodificarlas y ejecutarlas llamando a las ALU cuando sea necesario.
  • Caché de Nivel 1 y 2: Para agilizar el acceso a datos y código sin tener que buscar en RAM.
  • Bus de Datos: Como en el caso de la gráfica que muestran la estructura de un Pentium y algunos buses internosde 32 Bits.

Arquitectura del Microprocesador.-

  • CISC: (complex instruction set computer, Juego de Instrucciones Complejas para Computación), en ella el procesador trae cientos de registros y se necesitan muchos pasos y ciclos de reloj para realizar una sola operación, aunque no es tan eficiente como RISC si es la más expandida pues fue la usada desde el principio por Intel, el mayor fabricante de procesadores en el mundo, al igual que AMD su competencia y existen millones de programas escritos para CISC que no corren en RISC; cabe anotar que la diferencia entre ambas arquitecturas se ha acortado mucho con la creciente velocidad alcanzada por los procesadores CISC, sin embargo un procesador RISC de la mitad de velocidad que un CISC trabajará casi igual que este último y en muchos casos mucho más eficientemente.

  • RISC: (reduced instruction set computer, Juego de Instrucciones Reducidas para Computación) con instrucciones más simples y un conjunto reducido de registros puede ejecutar rutinas más rápido y requiere de menos Transistores lo cual lo hace más económico de diseñar y producir, sin embargo elmercado de RISC está más dedicado a los Servidores y Estaciones de Trabajo o equipos especializados en el Diseño que no suelen ser nada económicos. RISC es usado por Apple Computer (en sus PowerPC), Alpha (de Digital Equipment) , MIPS, Sun Microsystems e IBM, entre otros.

CARACTERISTICAS DE LOS MICROPROCESADORES

  • Velocidad de procesamiento
  • Generación: Se refiere al modelo, nivel de tecnología y mejoras que incluye cada generación más nueva.
  • Marca: Por la tradición Intel siempre ha sido el líder, pero AMD ha progresado mucho.
  • Cantidad de memoria caché: Entre mas caché más velocidad.
    Velocidad del FSB
  • Cantidad de registros: Se refiere a la cantidad de instrucciones soportadas por el microprocesador.
  • Ancho del Bus o de Palabra: Se refiere al ancho de bus de datos y por lo tanto a la cantidad de bits que puede ser transferida en cada ciclo de reloj.
  • Año de fabricación
  • Cantidad de transistores.
  • Tipo de encapsulado: Se refiere a la tecnología que se usa para empacar el chip y tiene relación directa con el socket.
  • FPU incorporado: Ya no es una característica importante, puesto que todos los chips modernos traen el FPU incorporado. Antes de los 486 no venían incorporados.
  • Tecnología de integración: Se refiere a que tan cerca están los átomos unos de otros, a mayor integración, menor costo y mayor desempeño.
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