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TECNOLÓGICO NACIONAL DE MÉXICO INSTITUTO TECNOLÓGICO DE PABELLÓN DE ARTEAGA FUNDAMENTOS DE INVESTIGACIÓN Prof. Quiroz Hernández Jocelyn Ivonne Alumno: Pineda Jiménez José Ángel Jueves 3 de diciembre de 2020

ÍNDICE Sección Número de página INTRODUCCIÓN 3 OBJETIVOS DE LA 4 INVESTIGACIÓN DESCRIPCIÓN DEL CONTENIDO 4 MARCO REFERENCIAL 5 Microprocesadores a detalle 6 Líneas de datos, dirección y control 7 Registros internos 8 Modos de direccionamiento 9 Programación del microprocesador 10 Importancia de la memoria 11 RAM Diferencias entre 12 microprocesador y microcontrolador 15 Evolución de los 16 microprocesadores 17 Conclusión 21 BIBLIOGRAFÍA ANEXOS Contacto P á g i n a 2 | 21

Desde hace más de 70 años las computadoras se han utilizado en alguna forma, inicialmente eran maquinas de dimensiones gigantescas y demasiado costosas que solo el gobierno y las grandes empresas utilizaban. Esto sufrió un cambio considerable gracias a la llegada de los microprocesadores, pequeños circuitos integrados capaces de realizar procesos similares a las de los enormes procesadores de las computadoras antiguas. Son dispositivos extremadamente complejos al momento de ser ensamblados y programados, pese a que finalmente los procesos que realizan no parezcan la gran cosa. Su uso en el hogar se ha vuelto común sin que la gran mayoría se percate, desde cosas como: la computadora del hogar, un frigorífico inteligente, una Smart Tv, Asistentes de voz, una Smart House, etc. Su gran expansión en el mercado se debe a la alta demanda de comodidades que la misma población suele exigir. Si bien es cierto que los microprocesadores disminuyeron considerablemente el tamaño de las computadoras y dieron paso a que su velocidad de funcionamiento mejorara, también implemento inicialmente un costo exageradamente mayor a los antiguos computadores de uso industrial, sin embargo supuso un costo menor en la actualidad a nivel doméstico, actualmente cualquiera puede adquirir una computadora a un precio asequible en alguna tienda departamental gracias a lo compacto de estos dispositivos en la actualidad; claro que, por el contrario de los dispositivos anteriores, las tareas que estas realizan son básicas en comparación a un computador de uso industrial. En cierto modo podemos asumir que los microprocesadores dieron paso al uso de computadores domésticos “simples” y contribuyeron a que los industriales fueran de una capacidad mucho mayor a la que ya tenían. En esta investigación profundizaremos en: ¿Qué es un microprocesador?, ¿Cuál es la diferencia entre un microprocesador y un microcontrolador?, ¿Cuál es su mecanismo principal de funcionamiento?, ¿Qué principios utilizan?, algunos tipos que existen, entre otros temas de interés. P á g i n a 3 | 21

Objetivo de la investigación: De primera instancia se busca brindar información veraz a los lectores respecto a un tema en el cual muy pocos deciden profundizar, busco dar a flote un universo que han aislado las personas comunes debido al grado de complejidad que este posee, me he propuesto demostrar que el uso de microprocesadores es y será de gran importancia para la humanidad. (Mírese figura 1.1) Descripción: La investigación se centra en especificar lo qué son los microprocesadores, los microprocesadores son el circuito integrado central más complejo de un sistema informático; a modo de ilustración, se le suele llamar por analogía el «cerebro» de un ordenador. En los microprocesadores moderno suelen existir más de un núcleo (Core) de procesamiento. Cada núcleo es un pequeño microprocesador independiente dentro del mismo microprocesador. Cada núcleo se compone de su propia Unidad de Control (UC), Unidad Aritmético-lógica (UAL), Unidad de Punto Flotante (UPF), Registros y los primeros niveles de Memoria Caché. El primer microprocesador fue el Intel 4004, producido en 1971. El primer microprocesador de 8 bits fue el Intel 8008, desarrollado a mediados de 1972 para su uso en terminales informáticos. El Intel 8008 integraba 3300 transistores y podía procesar a frecuencias máximas de 800 kHz. P á g i n a 4 | 21

MICROPROCESADORES A DETALLE ¿Qué es un microprocesador? Un microprocesador puede definirse brevemente como una pastilla de muy alta escala de integración (VLSI), que realiza las tareas de la unidad central de tratamiento de una microcomputadora u otro sistema de control automático. Lo que sigue es un esbozo, abreviado, de las características principales compartidas por casi todos los microprocesadores de 8 y 16 bits. (Mírese figura 1.2) ¿Cuáles son sus principales características? Conexiones de alimentación: Los microprocesadores (excepto el 8080) requieren una fuente de alimentación regulada de 5 Vdc. Tamaño en bits: Los microprocesadores se clasifican normalmente en unidades de 4,8, 16 ó 32 bits. El tamaño en bits de un microprocesador a veces se denomina tamaño de palabra. La longitud del registro acumulador es una buena pista para conocer el tamaño de palabra de un microprocesador. Los microprocesadores 8080/8085,6800,6502 y Z80 son de 8 bits. Los 8086, 8088, 68000, 65816 Y Z8000 son MPU típicas de 16 bits. El 80386, 68020,32000 y Z-80000 son ejemplos de microprocesadores avanzados de 32 bits. P á g i n a 5 | 21

LÍNEAS DE DATOS: Los microprocesadores transfieren datos e instrucciones entre la MPU y memoria (o E/S) vía un bus de datos bidireccional. El 6800, 6502, Z80 y 8088 son procesadores que utilizan buses externos de datos de 8 bits. Muchos miembros de la familia 8080 multiplexan direcciones o información de control en las líneas de datos parte del tiempo. LÍNEAS DE DIRECCIÓN: Los microprocesadores más antiguos (8080/8085, 6800, 6502) utilizan buses de dirección de 16 bits que pueden direccionar solamente 216 ó 64K de memoria. Las MPU más modernas de 16 bits tienen buses de direcciones de 16, 20 ó 23 bits. Un bus de direcciones más ancho permite direccionar memorias mayores. LÍNEAS DE CONTROL: La mayoría de los microprocesadores se caracterizan porque tienen todas o algunas de las siguientes líneas de control: l. Líneas de reloj 2. Líneas de lectura/escritura 3. Líneas de entrada/salida 4. Líneas de interrupción 5. Líneas de Re - inicialización 6. Líneas de control del bus 7. Líneas de estatus del ciclo (Mírese figura 1.3) P á g i n a 6 | 21

REGISTROS INTERNOS: Contador de programa: El contador de programa (PC) es el registro que contiene la dirección de la siguiente instrucción del programa. La longitud del contador de programa es igual que la anchura del bus de direcciones. El contador de programa normalmente contiene 16 bits en los microprocesadores de 8 bits, pero es mayor en las MPU de 16 y 32 bits. Acumulador: El acumulador es el registro o registros asociados a las operaciones de la ALU ya veces a las operaciones de E/S. Puede ser de 8, 16 ó 32 bits. Las MPU del 8080/8085, 6800 Y 6502 tienen todas acumuladores de 8 bits. Algunos procesadores (68000 y Z8000) tienen sólo registros de propósito general que pueden ser utilizados como acumuladores. Registro de status o señalizadores: El registro de status está en todos los microprocesadores. Los bits individuales del registro se denominan señalizadores. Las condiciones de los señalizadores se asocian, generalmente, a las operaciones de la ALU y son utilizados por instrucciones de bifurcación posteriores para tomar decisiones. Registros de propósito general: Los registros de propósito general pueden utilizarse para almacenar datos temporalmente o para que contengan una dirección. No tienen asignada ninguna tarea específica. En los microprocesadores de 8 bits, los registros de propósito general no pueden funcionar como un acumulador en la ALU y en operaciones de E/S. Sin embargo, las MPU de 16 bits habitualmente permiten que los registros de propósito general se utilicen como acumuladores. Registro índice: El registro índice se utiliza para que contenga la dirección de un operando cuando se utiliza el modo de direccionamiento indexado (8080/8085, 6800, 6502, Z80, 8086). Los registros de propósito general son utilizados como registros índices en los microprocesadores Z8000 y 68000. Registro del puntero de pila: El puntero de pila (SP) es un registro especializado que sigue la pista de la siguiente posición de memoria disponible en la pila. La pila es un área reservada de la RAM utilizada para almacenamiento temporal de datos, direcciones de vuelta y contenido de registros. La pila se utiliza durante las llamadas a subrutina y durante las interrupciones. P á g i n a 7 | 21

MODOS DE DIRECCIONAMIENTO: Un modo de direccionamiento es la técnica utilizada para buscar el operando deseado durante la, ejecución de una instrucción. Los microprocesadores individuales pueden no utilizar todos los modos de direccionamiento listados a continuación: 1. Modo de direccionamiento inherente (implícito). 2. Modo de direccionamiento inmediato. 3. Modo de direccionamiento extendido o absoluto. 4. Modo de direccionamiento de registro. 5. Modo de direccionamiento indirecto de registro. 6. Modo de direccionamiento índice. 7. Modo de direccionamiento de página cero (directo). 8. Modo de direccionamiento relativo. 9. Modo de direccionamiento basado. 10. Modo de direccionamiento basado en índice. 11. Modo de direccionamiento de cadena. 12. Modo de direccionamiento de E/S. 13. Modo de direccionamiento de status de registro. P á g i n a 8 | 21

PROGRAMACIÓN DEL MICROPROCESADOR En el nivel más básico, el microprocesador responde a un listado de operaciones que se denomina programa máquina. El contenido de la memoria de programa de la Figura 1.4 a representa un programa en código máquina, que comienza en la dirección 2000H con el código de operación 00 1111102 Y finaliza en la dirección 2006H con 01110 1102, Los programas en esta forma son casi imposibles de comprender para los seres humanos. El programa máquina de la Figura 6.1 a puede hacerse algo más fácil de manejar si los números binarios se representan en notación hexadecimal. En la Figura 1.4” b” se repite el mismo programa en hexadecimal. El segmento del programa de la Figura 1.4” b” se considera todavía en código máquina, aun cuando el binario esté representado en notación hexadecimal. Los programas de esta forma también son muy difíciles de comprender. En un nivel más humano, el programa anteriormente descrito en código máquina puede describirse como sigue: l. Cargar el número binario (101 10100) en el acumulador del microprocesador. 2. Complementar cada bit del número binario del acumulador para formar el complemento a 1. 3. Almacenar el resultado, del complemento a 1, en la posición 2100 16 de la memoria de datos. El segmento de programa descrito cambia un número binario de 8 bits a su forma equivalente de complemento a 1. P á g i n a 9 | 21

IMPORTANCIA DE LA MEMORIA RAM Los primeros microprocesadores de 64 bits que aparecieron en computadoras de la plataforma PC fueron los Athlon-64 de AMD; estos micros poseen un bus de direcciones de 40 bits, lo que teóricamente les permitiría manejar hasta 1TB de RAM de forma directa, aunque en realidad este parámetro suele estar limitado por el número de ranuras de memoria disponibles en la tarjeta madre. Algo similar ocurre con los microprocesadores Core i3-i5-i7 de Intel, cuyo máximo de memoria teórico es muy elevado, aunque los dispositivos reales suelen tener un límite de alrededor de 32GB de RAM instalada. ¿Por qué es importante tener tanta memoria instalada? Principalmente por los siguientes factores: los programas de software son cada vez más poderosos y sofisticados, pero esto implica un crecimiento exponencial en su tamaño. No es raro encontrar en la actualidad programas que requieran de varios GB de espacio disponible para almacenarse, y esto evidentemente se refleja en una mayor cantidad de RAM que necesitan para su ejecución. A esto se debe añadir que los usuarios modernos gustan de mantener abiertas varias aplicaciones a la vez, y cada una de ellas consume una buena cantidad de RAM. Si a ello se suma el hecho de que los archivos con los que se trabaja normalmente también han aumentado de tamaño (ahora no es raro que alguien edite en su PC imágenes de muy alta resolución con un peso de varias decenas de MB, o fragmentos de video de varios cientos de MB de extensión), entonces se explica fácilmente porqué los usuarios de computadoras modernas están forzados a instalar la mayor cantidad de RAM posible en sus sistemas, para que todo funcione adecuadamente. Aparte del ámbito de las computadoras PC, los microprocesadores de 32 bits siguen siendo los más utilizados; se usan como circuito principal de teléfonos celulares “inteligentes”, en circuitos de control para equipos electrónicos diversos, en paneles de sistemas industriales, etc. De entre todas las arquitecturas existentes, hay una que últimamente ha sobresalido, convirtiéndose en un estándar por derecho propio: los microprocesadores ARM. Estos micros suelen usarse en smartphones, en computadoras tipo tablilla, como control en impresoras multifuncionales, etc. Es importante considerar esta arquitectura, ya que su potencialidad apenas comienza a vislumbrarse. P á g i n a 10 | 21

DIFERENCIAS ENTRE MICROPROCESADOR Y MICROCONTROLADOR ¿Qué es cada uno? Partiendo de las definiciones: Un microprocesador es muchas veces llamado CPU, o Unidad Central de Procesamiento de una microcomputadora. En esencia, es el corazón del sistema. Tiene encargado realizar una amplia variedad de funciones. Los microcontroladores son computadores pequeños que realizan tareas específicas. Tendrán un microprocesador a bordo para lidiar con la lógica y el proceso de instrucciones. Aun así, deben tener los elementos esenciales de cualquier computadora. Diferencia: La principal diferencia entre un microcontrolador y una computadora típica es cuestión de escala. Usualmente un microcontrolador está programado para una tarea específica y suele hacerla sin mayor intervención humano. Sin embargo, una computadora general puede encargarse de una amplia variedad de trabajos. Por ejemplo: Un microcontrolador funciona bien para vigilar el nivel de agua en una piscina. Puede leer los datos de los niveles. Puede compararlos con límites programados, e incluso podría drenar o activar bombas según sea necesario para mantener el nivel correcto. Una computadora completa sería un desperdicio para semejante trabajo. P á g i n a 11 | 21

EVOLUCIÓN DE LOS MICROPROCESADORES Si bien los microprocesadores de 8 bits fueron toda una revolución en su momento, convirtiéndose en piedra angular para el desarrollo de las primeras computadoras personales exitosas, al cabo de muy poco tiempo estos dispositivos comenzaron a mostrar sus limitaciones, que impedían utilizarlos para labores realmente complejas (Mírese Figura 1.5). Ante la demanda de más poder y flexibilidad, los diseñadores de estos circuitos decidieron romper con la barrera de los 8 bits, lo que le daría al dispositivo mayor capacidad de cálculo, acceso directo a una mayor cantidad de memoria, la posibilidad de ejecutar programas mucho más complejos y fáciles de manejar, etc. La primera empresa en lanzar al mercado un microprocesador de 16 bits fue Intel, con su chip i8086, presentado al público en 1978. Este micro buscaba quitarle el predominio al Z80 de Zilog, así que los diseñadores de Intel mejoraron considerablemente sus características operativas. En la siguiente tabla se muestra una comparación rápida entre ambos microprocesadores: P á g i n a 12 | 21

Característica Zilog Z80 Intel 8086 Ancho del bus de datos 8 bits 16 bits Velocidad típica de 4 MHz 4.7 MHz operación Memoria RAM máxima 64 kB 1 MB Terminales multiplexadas No Sí Interrupciones 2 5 Encapsulado Coprocesador DIL-40 DIL-40 matemático No 8087 Transistores 8,500 29,000 Es fácil apreciar la gran diferencia entre ambos dispositivos, sobre todo en la complejidad de su arquitectura interna (lo que se refleja en el número de transistores empleados). El 8086 permitió la construcción de las primeras computadoras pequeñas, lo suficientemente poderosas como para que las empresas comenzaran a considerarlas como opción para aumentar su productividad, y una variante de este microprocesador, el 8088, fue adoptada por IBM para la construcción de su primera PC-X. (Mírese Figura 1.6) Sin embargo, el límite de 1MB de RAM que imponía el 8086-8088 pronto demostró ser un obstáculo importante para el posterior crecimiento de la plataforma, por lo que Intel diseñó un nuevo microprocesador que, a pesar de seguir trabajando con 16 bits, permitía el acceso directo a mayor cantidad de memoria. Aparece así el 80286 en 1982, y una de sus principales ventajas era su capacidad de direccionar hasta 16MB de RAM de forma directa. (Mírese Figura 1.7) A mediados de la década de 1980, los usuarios de computadoras personales ya estaban alcanzando los límites de lo que podían ofrecer los microprocesadores de 16 bits, así que Intel presentó en 1985 el primer microprocesador de 32 bits en el mundo, el 80386. Este dispositivo tenía muchísimas características que lo hacían más avanzado, poderoso y flexible que sus antecesores, como son: posibilidad de direccionar hasta 4GB de RAM de forma directa; memoria protegida, lo que permite ejecutar más de un programa a la vez sin interferirse entre sí (multitarea real); más y mejores instrucciones en su set de comandos básicos, lo que amplía considerablemente la potencia del software que se puede ejecutar con él; en fin, todo lo necesario para convertir a las computadoras personales en poderosas herramientas de productividad y entretenimiento. Cuando surgieron las primeras PC que utilizaban este dispositivo, se desarrolló también el primer ambiente de trabajo gráfico exitoso en esta plataforma, el ambiente Windows de Microsoft, que revolucionó por completo la forma como el usuario interactuaba con su computadora. (Mírese Figura 1.8) P á g i n a 13 | 21

La arquitectura de 32 bits fue tan exitosa, que por algún tiempo los diseñadores de Intel pensaron que no sería necesario el desarrollo de microprocesadores con mayor número de bits; es por ello que el primer microprocesador de 64 bits fue diseñado y producido en 1991 por una empresa poco conocida hasta el momento: MIPS Technologies, y fue construido como “cerebro” para las computadoras Silicon Graphics, especializadas en labores de diseño industrial. A este club pronto se unió DEC, en 1992 con sus microprocesadores serie Alpha, Sun en 1995 con sus micros Sparc e IBM en 1997 con sus PowerPC; y hasta 2003, los microprocesadores de 64 bits llegan a las computadoras personales, con AMD y su serie Athlon-64. Los últimos microprocesadores de Intel, la serie Core i5-i7, también son dispositivos de 64 bits. Esto significa que toda computadora moderna que incluya cualquiera de estos dispositivos ya tiene en su interior todo el poderío de un procesador de 64 bits. No hay hasta el momento ningún microprocesador comercial de mayor capacidad. (Mírese Figura 1.9) P á g i n a 14 | 21

CONCLUSIÓN Para cerrar por fin este trabajo de investigación, debo recalcar que reunir la información no fue sumamente difícil gracias a la naturaleza del tema investigado. Gracias a la misma comprendí la funcionalidad de los microprocesadores. Desde cosas como su estructura, hasta su funcionamiento en sí. Lo disfruté bastante P á g i n a 15 | 21

BIBLIOGRAFÍA • Parra L. (2012) Microprocesadores, Estado de México, México: RED TERCER MILENIO • Tokheim R. l. (S.F) Fundamentos de los microprocesadores, (2° ed.) México: McGRAW- HILL • N/A(2015) Microcontrolador vs Microprocesador. Recuperado el 03 de diciembre de 2020, de https://aprendiendoarduino.wordpress.com/tag/microprocesadores/ • Ihlo0RO8JI(2019) ¿Cuál es la diferencia entre microprocesador y microcontrolador?. Recuperado el 03 de diciembre de 2020, de https://blog.nomada- e.com/index.php/2019/06/19/cual-es-la-diferencia-entre-microprocesador-y- microcontrolador/#:~:text=%C2%BFCu%C3%A1l%20es%20la%20diferencia%20e ntre%20microprocesador%20y%20microcontrolador%3F,- June%2019%2C%202019&text=Todas%20las%20microcomputadoras%20contiene n%20microprocesadores,para%20realizar%20una%20sola%20tarea. P á g i n a 16 | 21

ANEXO (Figura 1.1) (Figura 1.2) P á g i n a 17 | 21

(Figura 1.3) (Figura 1.4) P á g i n a 18 | 21

Computadora Tandy TRS-80 de finales de la década de 1970; utilizaba un microprocesador Zilog Z-80 de 8 bits. (Cortesía Radio Shack). (Figura 1.5) Microprocesador 8086 de Intel, el primer procesador de 16 bits en el mundo, y la base sobre la que se construyó la arquitectura x86, usada en las computa-doras tipo PC. (Cortesía Intel) (Figura 1.6) Intel 80286, primer procesador de 16 bits que pudo manejar más de 1MB de RAM. (Cortesía Intel) (Figura 1.7) P á g i n a 19 | 21

Intel 80386, primer microprocesador de 32 bits. (Cortesía Intel) (Figura 1.8) El MIPS R3000, fabricado por IDT bajo licencia de MIPS Technologies; primer microprocesador de 64 bits en el mundo. (Cortesía IDT) (Figura 1.9) P á g i n a 20 | 21

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