Introducción al Microprocesador

El microprocesador es un circuito integrado a muy gran escala de integración (VLSI) que contiene numerosos circuitos digitales (combinacionales y secuenciales) diseñados para realizar funciones aritméticas, lógicas, de comunicación y control. Estos dispositivos manipulan información a través de tres buses fundamentales:

  • Datos: Contiene el flujo de información.
  • Direcciones: Controla la posición actual en memoria.
  • Control: Regula el flujo de información.

Clasificación según Arquitectura

Arquitectura Von Neumann

Tradicionalmente, los sistemas se basan en esta arquitectura, donde la unidad central de proceso (CPU) está conectada a una memoria principal única que almacena tanto las instrucciones del programa como los datos. Sus principales limitaciones son:

  • La restricción de la longitud de las instrucciones impuesta por el bus de datos.
  • La limitación de la velocidad de operación debido al bus único, que impide el acceso simultáneo a datos e instrucciones.

Arquitectura Harvard

Este modelo, utilizado en microcontroladores como PIC y ATMEL, conecta la CPU a dos memorias independientes (una para instrucciones y otra para datos) mediante dos buses distintos.

Clasificación según Conjunto de Instrucciones

CISC (Complex Instruction Set Computer)

  • Conjunto de instrucciones extenso.
  • Ofrece una amplia gama de operaciones.
  • Facilita la programación y reduce el tamaño del código.
  • Incrementa la complejidad de aprendizaje.

RISC (Reduced Instruction Set Computer)

  • Conjunto de instrucciones reducido.
  • Mayor facilidad de aprendizaje.
  • Implica un mayor tamaño del código de programa.

Componentes de la Computadora Básica

Toda computadora se compone de bloques funcionales conectados mediante buses internos:

  • CPU: El «cerebro» del sistema; controla las operaciones y ejecuta los programas de software.
  • Memorias: La RAM almacena temporalmente datos binarios y programas.
  • Puertos de entrada/salida: Permiten la comunicación con dispositivos periféricos.
  • Buses: Caminos físicos para las señales digitales con especificaciones eléctricas definidas.

Unidades Básicas del Microprocesador

Todo microprocesador integra cuatro unidades comunes:

  1. Unidad Aritmético-Lógica (ALU): Elemento clave que realiza operaciones aritméticas y lógicas bajo la dirección de la unidad de control.
  2. Decodificador de instrucciones: Crucial para interpretar las instrucciones y gestionar la operación del procesador.
  3. Matriz de registros: Colección de registros internos para almacenamiento rápido.
  4. Unidad de control: Encargada de gestionar el procesamiento de las instrucciones tras su decodificación.

Operación y Programación

El ciclo básico de operación de un microprocesador consiste en:

  1. Extraer una instrucción de la memoria.
  2. Decodificar la instrucción y extraer información adicional si es necesario.
  3. Ejecutar la instrucción.

Las instrucciones se agrupan en siete categorías: transferencia de datos, aritméticas y lógicas, manipulación de bits, bucles y saltos, manipulación de cadenas, subrutinas e interrupciones, y control. Estas instrucciones forman el lenguaje máquina, el único reconocido por el procesador.

Estudio de Caso: Microprocesadores 8080 y 8085

Microprocesador 8080

Chip de 40 pines (encapsulado DIP) con 16 líneas de direcciones y 8 líneas bidireccionales para el bus de datos.

Microprocesador 8085

Sucesor del 8080, destaca por su señal ALE (Address Latch Enable) para multiplexar el bus de direcciones/datos. Sus registros principales incluyen:

  • Acumulador: Centro de operaciones de la ALU (8 bits).
  • Registros de propósito general (BC, DE, HL): Pueden usarse como registros de 8 o 16 bits.
  • Contador de programa (PC): Dirección de 16 bits.
  • Puntero de pila (SP): Registro de 16 bits.
  • Registro de señalizadores (Flags): Contiene cinco indicadores de estado (CY, P, AC, Z, S).