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SISTEMAS DIGITALES
INTRODUCCION
El presente trabajo tiene como tema de investigación los Sistemas Digitales.
Vivimos en la era de la información excesiva. Gracias a los milagros tecnológicos del siglo XX, los ciudadanos del mundo gozamos del acceso instantáneo a más información que la que cualquiera de nosotros podemos captar.
Se puede encontrar información de todo tipo de tema en cantidades que rebasan la imaginación: información de cualquier tema que hayamos pensado (o no) y hasta información de la información.
Es evidente que nuestra era actual requiere de un dispositivo tecnológico dedicado exclusivamente a almacenar, clasificar, comparar, combinar y presentar información a alta velocidad. Tal equipo es la computadora.
Ello explica por qué las computadoras aparecen por todos lados que se requiere manejar información, desde en un centro de cómputo gigantesco hasta en una lavadora de ropa o un reloj de pulsera.
Desde el ábaco de los chinos, pasando por los huesos de Napier1, la máquina de sumar de Schickard2, la de Pascal3, la de Leibniz4, el telar de Jacquard1, la máquina de diferencias de Babbage2, las tarjetas de Hollerith 3, la computadora MARK I hasta las modernas microcomputadoras, aún nos queda un largo camino que recorrer.
El tema DIGITAL es considerado, en un primer lugar, desde el ángulo internacional siendo por ello prioritario el presentar el panorama de la INFORMATICA, de tal modo que el lector pueda conocer las dificultades y logros que enfrenta el sector informático y conocer cuáles son las técnicas de aprendizaje que se utilizan, la inversión en el sector y los productos que se producen y comercian principalmente.
Comience por comparar lo que una pequeña abeja puede hacer con las tareas que las mas poderosas supercomputadoras que existen no pueden realizar y agrege el hecho de que el cerebro de una abeja tiene aproximadamente 1 millón de neuronas contra 100,000,000,000 que el cerebro humano tiene.
Y luego considere la siguiente información:
Eficiencia en el uso de energía. El cerebro de una abeja disipa alrededor de 10 microwatts (10-6); es mejor en aproximadamente 7 órdenes de magnitud que el circuito más eficiente fabricado hoy en día.
Velocidad. La abeja realiza (calculado en forma tosca y aproximada) unas 10,000,000,000,000 operaciones por segundo (10,000 GFLOPS) mientras que las mas potentes computadoras realizan 1,000 veces menos
operaciones por segundo.
Comportamiento. Las abejas, como todos saben, liban de las flores almacenando el néctar y polen para regresarlo al panal y hacer miel. Maximizan los beneficios y minimizan sus gastos de energía recordando los mejores sitios y comunicándolo al resto del panal y evitando las flores que ya visitaron. Las abejas pueden ver, volar, caminar y mantener el equilibrio. Pueden navegar grandes distancias y predecir cambios en la distribución de néctar. Reconocen a los intrusos y los atacan; remueven la basura y a las abejas muertas de su colonia y, cuando hay sobrepoblación, una parte emigra a buscar mejores oportunidades en otros sitios alejados.
Autonomía y auto dependencia. Las abejas manejan todas las actividades enumeradas anteriormente sin la necesidad de un ser superior que las supervise mientras que una computadora necesita personal de mantenimiento, supervisión y programación.
Tamaño. El espacio que ocupa el cerebro de una abeja es de unos cuantos milímetros cúbicos. Una maravilla de miniatura. La más pequeña supercomputadora ocupa un área de 2 a 4 metros cúbicos.
Partiendo de esta comparación, parece que tenemos que esperar todavía muchos años para poder hacer que una computadora realice las cosas más sencillas, que todos los días hacemos de forma rutinaria. La naturaleza y sus criaturas son modelos de las formas en que podemos mejorar nuestras
arquitecturas actuales.
El documento consta de una caracterización de la situación del sector informático que permite determinar los problemas críticos por los que atraviesa y por consiguiente determinar sus correspondientes objetivos estratégicos generales, los cuales se orientan a: fortalecer y desarrollar el funcionamiento de los sistemas de seguridad y aumentar la cobertura y calidad de la provisión de servicios informáticos; contribuir a reducir la ……………………….. y aumentar la calidad del ……………………………..; fortalecer la institucionalidad y la organización privada y pública del sector informatico; y mejorar la gestión y el aprovechamiento sostenible de los recursos ……………………., protegiendo el medio y generando condiciones para el desarrollo económico y social.
MARCO TEORICO
En los últimos años, ha aumentado la preocupación por los cambios que se dan en la actualidad; sin bien cuando se producía cambios en el pasado dado en un sector, éste; resultaba ser no enterado por otros sectores. Hoy en día cada acontecimiento afecta a otros por tanto es de suma importancia en un medio determinado y no puede ser ignorado por el resto del mundo.
Existen sectores, que están en constante cambios y acontecimientos ya sean por influencia social; qué alteran de forma positiva o negativa las actividades de las personas. En este caso me refiero al sector que abunda en las calles de nuestra Lima y que interactúan en el plano social de una forma tal ; que no solo afecta a las urbanizaciones y comunidades aledañas, sino que brinda información en abundancia a todos los sectores o agentes de la sociedad.
Es por tanto que nos centramos en una situación en la que abundan los grandes sistemas digitales y la influencia que causan en el medio social.
En este contexto; en el presente documento que se definen términos como; (familias lógicas ,elementos eléctricos ;circuitos lógicos ,sistema de numeracion, entre otros; etc.), siendo esta y otros puntos mas el estudio y análisis de los detalles mas importantes del documento.. Si bien; estos acontecimientos viene formulándose desde hace una década aproximadamente. Hasta finales de siglo XXI se toma en cuenta la movilización de tal magnitud de las personas la cual afecta no solo su modo de vida sea por la localización ya mencionado, sino también sus necesidades futuras al cual denominamos “interaccion social”.
Por lo general se busca producir de forma diferente; este sería un punto de estudio con respecto a los sistemas digitales para llegar a modos de buena calidad de informacion. Sin embargo existe hoy en día el problema de la complejidad con el usuario inexperto; como el número de factores (sistemas digitales) y las necesidades de éstas.
Dado este hecho se ha de suponer un punto de vista práctico que ofrece una información presisa y detallada de los componentes de los sistemas digitales con el objetivo de disminuir el riesgo de la falta de informacionpara el usuario.
PARTE I
A) CORRIENTE ELECTRICA
Este punto resulta muy importante para entender mejor todos los conceptos que se introducen en los siguientes puntos. Aunque muy bien se puede prescindir de el, la comprensión no seria tan completa. Se introduce el concepto de cargas eléctricas, voltaje y corriente y algunas de las leyes fundamentales de los circuitos eléctricos.
Resumen
- Las cargas eléctricas crean una fuerza de atracción que mantienen unidos a los componentes del átomo.
- Las cargas eléctricas hacen posible que haya electricidad.
- El voltaje es el trabajo que una carga eléctrica realiza.
- La corriente es el símil de el gasto hidráulico (cantidad de agua por unidad de tiempo) así como el voltaje de la intensidad de gasto hidráulico (fuerza o presión del agua).
- Los circuitos eléctricos se basan en una fuente de voltaje y varios componentes
EJEMPLO:
B) ELEMENTOS ELECTRICOS Y ELECTRONICOS
En un circuito electrónico sencillo existe siempre una fuente de poder que actúa como el origen de la energía eléctrica y una carga que recibe esta energía eléctrica y la convierte a otras
formas de energía tales como calor, luz o trabajo mecánico. En general un circuito eléctrico o electrónico consta de una serie de fuentes (fuentes de poder) y elementos (dispositivos de carga) unidos por conectores. Los puntos de conexión son llamados nodos o terminales. Los elementos eléctricos y electrónicos de nuestro interés son resistencias, capacitancias, inductancias, diodos, diodos emisores de luz, transistores y fototransistores.
Los circuitos que contienen elementos tales como transistores y diodos son conocidos generalmente como circuitos electrónicos y se les conoce como activos pues cambian su estado en respuesta a una señal externa a diferencia de las resistencias, capacitores e inductores que no tiene esa capacidad y se les llama pasivos.
C) SISTEMAS NUMERICOS
Como matemático, Laplace apreciaba enormemente el sistema numérico decimal. Comprendía que cientos de años de esfuerzos mentales así como de buena suerte dieron como resultado el sistema que usamos y estaba en una posición en la que podía apreciar sus ventajas. El presente sistema numérico provee a los matemáticos modernos y científicos con grandes ventajas sobre los usados por anteriores civilizaciones y es un factor importante de nuestro rápido avance.
Puesto que las manos son la herramienta más conveniente con la que la naturaleza nos dotó, los seres humanos siempre hemos tendido a usarlas para contar. Es entonces natural y afortunado que nuestro sistema de contar se base en el número de dedos que tenemos. Sin embargo pasó bastante tiempo antes de poder representar estos números gráficamente. Las primeras representaciones gráficas encontradas consisten de marcas verticales y horizontales
D) CIRCUITOS LOGICOS
En los sistemas digitales encontramos variables que son especiales en el sentido de que sólo se permite que tomen dos valores posibles. Por ejemplo, en sistemas electrónicos digitales, un voltaje o corriente típico tiene una forma de onda (idealmente) muy similar a la de la figura 4.1.
En esta figura observamos que el voltaje V tiene cambios abruptos entre dos niveles de voltaje V1 yV2. Idealmente consideramos estas transiciones, que suceden en tiempos t = t1, t2, etc., tan abruptas que que podemos decir que en todo tiempo V = V1 o V = V2 y que V no tiene ningún otro valor intermedio. De forma alternativa podemos decir que si las transiciones de V no son tan abruptas, los valores que V pueda tener no nos interesan mas que cuando V= V1 ó V= V2. En la figura 4.1 indicamos que V1 es positivo mientras que V2 es negativo. Esta característica no es esencial y puede ser que tantoV1 comoV2 sean positivos o negativos; o puede suceder que ya sea V1 ó V2 sean cero.
Podemos especificar el valor de la función V(t) en cualquier tiempo diciendo que V= V1 ó V= V2; o por la misma característica especial de V podemos muy bien decir que V está “alto” o “bajo”, “arriba” o “abajo”,
etc. Más aún, después de haber seleccionado dos palabras, podemos arbitrariamente asignar una palabra a un nivel de voltaje y la otra al segundo nivel.
Para sugerir que un voltaje puede tener sólo un valor a la vez en un tiempo t, es importante seleccionar las palabras de forma que sean mutuamente exclusivas y opuestas. Por estas razones y otras más presentadas a continuación, escogeremos las palabras “verdadero” (V) y “falso” (F) para designar los dos estados. Es necesario especificar si verdadero especifica el caso en queV=V1 oV=V2. Claro está, que falso designa el otro estado posible. Si arbitrariamente decidimos que el voltaje más positivo es verdadero y el más negativo es falso, hemos adoptado una lógica que llamaremos positiva. Si adoptamos la convención contraria estaremos hablando de lógica negativa.
E) SIMPLIFICACION DE FUNCIONES LOGICAS
En este punto analizaremos estas formas.
Los minitérminos y maxitérminos proveen de una forma de sintetizar una función lógica y dan pie a varias técnicas de reducción que no emplean los teoremas de la lógica.
Los mapas de Karnaught son una herramienta importante, aunque no exclusiva, de reducir funciones de hasta seis variables con relativa facilidad de forma visual.
Se deben aprovechar todos los casos en que las funciones no están completamente especificadas para reducir aún más la función.
Usaremos extensivamente esta técnica en los siguientes capítulos cuando necesitemos reducir una función.
Resumen
- El mapa de Karnaught (mapa K) es una forma alternativa de representar una función.
- El mapa K usa el código Grey para la simplificación.
- Se deben agrupar tantos pares de unos (o ceros) como sea posible para hacer la simplificación máxima en una mapa K.
- Existen otras técnicas numéricas que deben ser investigadas para sistematizar aún más la simplificación.
F) FAMILIAS LOGICAS
Los sistemas digitales usualmente son construidos utilizando los elementos que hemos analizado en capítulos anteriores, tales como transistores, resistencias, diodos, etc. A tales sistemas digitales se les llama
compuertas lógicas. Un ejemplo de compuerta típica podría ser el circuito inversor que describimos al analizar los transistores. Un circuito lógico combina las entradas de acuerdo a ciertas reglas que definen la función de la compuerta. Etapas adicionales pueden ser incluidas en la compuerta ya sea para aumentar su velocidad de respuesta, mejorar la forma de onda de la salida, etc. Se han utilizado a través de los años, varias configuraciones genéricas de circuitos para construir las compuertas lógicas. Estas constituyen las llamadas familias lógicas de circuitos integrados, por ejemplo, de las familias más importantes contamos con la TTL (lógica de transistor a transistor, abreviada también T2L), familia que se caracteriza por el uso del transistor tanto en la etapa de entrada como en las subsecuentes etapas de amplificación y salida.
Los circuitos de una familia más vieja y ahora obsoleta, llamada DTL (lógica de diodo-transistor) usa diodos en lugar de transistores en la etapa de entrada. Además de compartir una estructura común de circuitos electrónicos, los miembros de las familias son compatibles con los otros. La compatibilidad, usada en este contexto, significa el uso de la misma corriente y voltaje en los rangos de señales para representar valores lógicos y generar las señales de salida que pueden ser directamente conectadas a las líneas de entrada de otros miembros de la misma familia. Las diferentes familias pueden ser incompatibles en más de una forma, necesitando el uso de circuitos especiales llamados de interfase para ligar miembros de distintas familias en un circuito común.
Una familia ideal de circuitos integrados combinará:
- Operación a alta velocidad.
- Baja potencia de consumo.
- Bajo costo de producción.
- Facilidad de su uso en el diseño de sistemas.
La existencia de numerosas familias lógicas incompatibles surge del hecho de que todas las familias lógicas prácticas se desvían del ideal en algún aspecto. Por ejemplo, las familias lógicas llamadas bipolares son
relativamente rápidas pero también tienen un gran consumo de potencia.
Algunas familias llamadas MOS (Semiconductores de óxido metálico), por otro lado, tienen muy poco consumo de potencia, pero tienden a ser más lentas que los circuitos bipolares que desempeñan la misma función.
El diseñador de sistemas digitales se enfrenta, por lo tanto, a distintas familias de circuitos integrados cuyo uso involucra distintos aspectos a considerarse con respecto a su velocidad, consumo y otros factores de
diseño.
Cada circuito integrado bipolar emplea ya sea resistencias tal como en la familia RTL (Lógica de resistencia a transistor) o diodos, tal como en la familia DTL para formar combinaciones lógicas de sus señales de entradas. Casi todas estas familias han sido substituidas de una u otra forma por las dos tecnologías dominantes por el momento: TTL y CMOS (Semiconductores de óxido metálico complementario). La familia TTL se forma por transistores, incluyendo algunos con dos o más emisores, que sirven tanto para operaciones lógicas como para amplificaciones de señal. Muchos de los circuitos de integración a baja y mediana escala (SSI y MSI) actualmente se diseñan usando la tecnología TTL.
Otro miembro de la familia bipolar es la tecnología ECL (lógica acoplada por emisores) usa una estructura formada por transistores que resulta en tiempos más cortos de respuesta que la familia TTL pero a un consumo mayor de potencia. Esta familia se usa para construir computadoras grandes y rápidas, pero el consumo de energía, que requiere enfriamiento especial, limita su uso en las microcomputadoras.
La última familia bipolar, I2L (lógica de inyección integrada) es quizá la más próxima a la familia ideal. Sin embargo, la tecnología para la manufactura de la familia es compleja y relativamente inmadura por lo que no se usan extensivamente hoy en día.
De la rama MOS (semiconductores de oxido metálico) de las familias tenemos tres grandes categorías: las familias pMOS, nMOS yCMOS. La familia pMOS usa transistores de efecto de campo tipo p mientras que la
familia nMOS usa transistores de efecto de campo tipo n. Los circuitos pMOS son algo más sencillos de fabricar que los nMOS pero más lentos que aquellos porque los huecos usados como cargas portadoras en los transistores pMOS tienen menos movilidad que los electrones usados en los transistores tipo nMOS. La familiaCMOScombina tanto transistores pMOScomonMOSen aproximadamente el mismo número en una forma que resulta en un consumo muy bajo de corriente. Todas las familias MOS son usadas en la fabricación de microprocesadores.
Nuevas variantes de cada familia surgen constantemente para mejorar algunas características de la familia, por ejemplo, la familia TTL Schottky que añade diodos tipo Schottky para mejorar el tiempo de
respuesta.
Se realiza un estudio de las distintas familias lógicas y la forma que tiene cada una de ellas para realizar circuitos prácticos de las funciones lógicas más comunes.
Se analiza las diferencias, ventajas y desventajas de cada familia con respecto a las otras y se dan las características en detalle de dos familias muy en uso hoy en día como son la familia TTL y la MOS (PMOS y
CMOS).
Las características eléctricas de la familias lógicas son analizadas en cierto detalle así como su interconexión y los distintos parámetros utilizados en lógica digital.
Se introducen símbolos estandard para marcar los voltajes y corrientes existentes en los circuitos lógicos.
Se consideran los origenes y aspectos del ruido, así como las características pertinentes de los dispositivos utilizados para eliminarlos o contraatacarlos en los sistemas lógicos.
Resumen
- Los circuitos electrónicos digitales se dividen en familias.
- Las familias en uso hoy en día son la TTL y CMOS.
- La familia TTL tiene alta velocidad pero también alto consumo de corriente, la familia CMOS tiene bajo consumo de corriente pero es lenta.
- La familia TTL maneja niveles de voltaje entre 5 y 0 Voltios para indicar el 1 y el cero lógico.
- A la capacidad de “manejar” x número de compuertas se le denomina manejo de salida (fan-out). A la capacidad ceder corriente a otros circuitos cuando estos están en 0 lógico se le denomina manejo de entrada (fan-in).
- Se puede usar un amplificador para poder manejar más carga a la salida.
- A las interacciones imprevisibles entre señales y a las fluctuaciones de un voltaje de valor preestablecido se le conoce como ruido.
G) ELEMENTOS LOGICOS.EL FLIP-FLOP
Presentaremos a continuación un variedad de dispositivos electrónicos utilizados en la construcción de circuitos lógicos y computadoras digitales.
El análisis que se da de cada componente es breve y para una mayor profundidad sugerimos consultar la bibliografía que aparece al final del capítulo.
Se introduce en este capítulo el primer elemento lógico de construcción de circuitos digitales: el Flip-flop.
Un flip-flop, además de muchas otras funciones, tiene la propiedad de conservar el estado anterior de las entradas y es también una memoria (limitada a un bit).
Se analizan varios tipos de circuitos flip-flops y la conveniencia de una señal extra llamada reloj para sincronizar toda la operación.
Introdujimos los conceptos de diagrama de tiempos y cómo nos pueden ayudar a comprender el funcionamiento de un circuito. Se analiza la conveniencia de responder a la transición negativa (de 1 a 0) del reloj en lugar de a la positiva (de 0 a 1)
Este circuito lógico nos servirá a lo largo de los demás capítulos como bloque constitutivo de otros circuitos más complejos además de tener múltiples aplicaciones.
Resumen
- El flip-flop es un elemento de memoria.
- Las compuertas pueden ser analizadas de acuerdo a sus entradas que habilitan o deshabilitan al circuito para continuar realizando operaciones lógicas.
- El flip-flop SR cambia su estado de acuerdo a a las entradas conservando “memoria” de sus entradas anteriores.
- El reloj es el mecanismo de sincronización.
- A los eventos que dependen del reloj para completarse se les conoce como síncronos a los que no dependen de él se les llama asíncronos (no síncronos).
- Aun diagrama que muestra las entradas a un circuito, sus salidas y cómo responde a los cambios del reloj, se le denomina diagrama de tiempos y es una herramienta indispensable para analizar
- circuitos complejos.
- Los circuitos pueden responder al borde positivo o negativo del reloj.
- La interconexión maestro-esclavo permite que los flip-flops respondan al borde negativo del reloj.
- El flip-flop JK no tiene estados que no se usen como es el caso de los SR.
- El flip-flop D retrasa la señal presente a su entrada por el tiempo de un ciclo de reloj.
- Las aplicaciones de los flip-flops son varias y van desde registros de corrimiento, secuenciadores, eliminadores de ruidos, sincronizadores, memorias, etc.
H) ELEMENTOS LOGICOS.REGISTRO Y CONTADORES
Los circuitos de corrimiento, contadores y generadores de secuencia forman la parte básica de la Unidad Aritmética y Lógica junto con los sumadores (vistos en el siguiente capítulo. Es por lo tanto de especial interés el conocimiento de su funcionamiento y diseño elemental.
Resumen
- Existen registros de corrimiento a la derecha e izquierda.
- El correr un registro a la izquierda o derecha equivale a multiplicar o dividir por 2.
- Una aplicación adicional de un registro de corrimiento es como convertidor paralelo-serial o serial-paralelo.
- Un contador es un circuito que comenzando en un estado inicial, regresa a este despues de N ciclos de reloj.
- Tenemos dos tipos de circuitos contadores: los síncronos y los asíncronos (no síncronos).
- El bloqueo es una condición que sucede cuando un contador comienza en alguno de los estados no utilizados y no puede salir de ellos.
- Un contador puede ser usado también como divisior de frecuencia.
I) ELEMENTOS LOGICOS. LA UNIDAD ARITMETICA Y LOGICA
Los circuitos que a continuación describimos forman, en conjunto, parte de lo que se llama Unidad Aritmética y Lógica (UAL, en inglés ALU) que es parte de la Unidad de Procesamiento Central (UPC, Central Processing Unit CPU). La unidad aritmética y lógica es la sección de la computadora que realiza las operaciones matemáticas y lógicas en los datos de entrada procesados por el computador. Esta sección de la máquina puede ser relativamente pequeña consistiendo en quizá uno o dos circuitos de integración a gran escala (LSI), formar parte de la propia computadora como en el caso de la microcomputadora o ser una serie considerable de circuitos lógicos de alta velocidad como en las macrocomputadoras o supercomputadoras. No importando el tamaño y la complejidad de estos circuitos, las máquinas pequeñas realizan generalmente las mismas operaciones lógicas y aritméticas usando los mismos principios que en las grandes máquinas. Lo que cambia es la velocidad de las compuertas lógicas y los flip-flops utilizados; también, técnicas especiales son utilizadas para realizar varias operaciones en paralelo.
Aunque muchas funciones pueden ser realizadas por los UAL de las máquinas de hoy en día, las operaciones aritméticas básicas (suma, resta, multiplicación y división) continúan siendo las operaciones más utilizadas.
Inclusive las especificaciones de una computadora nos dan evidencia de la naturaleza fundamental de estas operaciones: en cada máquina nueva se describen los tiempos requeridos para la suma y multiplicación
como características significativas.
Es importante resaltar que existe otra parte de la computadora llamada Unidad de Control que dirige las operaciones del UAL. Todo lo que hace el UAL es sumar, restar, acarrear, etc. cuando se le provee de la secuencia correcta de las señales de entrada. Depende del elemento de control el proveer de estas señales así como es función de la unidad de memoria proveer a los elementos aritméticos de la información que usarán. Asumiremos por el momento que las secciones de control y memoria de la máquina son capaces de generar las señales de control correctas y que los datos en los cuales se va a realizar la operación, están disponibles.
Se analiza la Unidad Aritmética y Lógica (UAL) que es la parte de la Unidad de Procesamiento Central (UPC) que se encarga, como su nombre lo dice, de realizar las operaciones lógicas y aritméticas con los datos que la Unidad de Control obtiene de la memoria central o de los registros de trabajo de la UPC. Forman parte importantísima de esta UAL los sumadores, restadores, multiplicadores y divisores de los que se dan ejemplos.
Resumen
- En la Unidad Aritmética y Lógica (UAL) se realizan las operaciones lógicas y aritméticas.
- La Unidad de Control dirige las operaciones de la UAL.
- La Unidad de Memoria provee de los datos a la UAL.
- En un registro especial llamado Acumulador, es donde la UAL guarda los datos de sus operaciones.
- El medio sumador suma dos bits binarios sin considerar acarreo de bits anteriores, el sumador completo considera este acarreo previo.
- Los sumadores paralelos y seriales son realizaciones practicas de los circuitos de suma.
- Usando el complemento de un número nos evitamos la resta que puede entonces realizarse con la suma.
- En la multiplicación y división encuentran su aplicación los registros de corrimiento. Estas operaciones pueden realizarse con sumas y restas consecutivas.
J) LA MEMORIA
La memoria de la computadora no está concentrada en un sólo lugar; los dispositivos de almacenaje están distribuidos en toda la máquina. En la parte más interna encontramos a los registros de operación que son registros de flip-flops que se usan en la unidad de control y aritmética de la computadora. Los cálculos se realizan con los datos que se toman de estos registros, por ejemplo, la suma, multiplicación y corrimientos son todos realizados en estos almacenamientos provisionales. El proceso actual de información se realiza en la localidad de estos registros.
Viendo hacia afuera, la siguiente categoría de registros de almacenamiento que encontramos es llamada memoria de alta velocidad, memoria interna o memoria principal.
Esta sección de la memoria de la computadora consiste en un conjunto de registros de almacenamiento, cada uno de los cuales es identificado con una dirección (localización de cada registro de memoria) que permite a la unidad de control, ya sea escribir o leer, de un registro en particular. Para que un programa (conjunto de instrucciones) pueda ser ejecutado es necesario que resida antes en esta memoria.
Es deseable que la velocidad de operación en esta sección de la memoria de la computadora sea tan rápida como sea posible, puesto que la mayoría de las transferencias de datos de y hacia la sección de procesamiento de la información de la máquina será a través de la memoria principal; por esta
razón los dispositivos de almacenamiento con un tiempo de acceso (tiempo que transcurre entre el momento que se solicita la información y el momento en que el dispositivo tiene una respuesta) rápido son
generalmente elegidos para la memoria principal.
La memoria es la parte que hace que la Unidad de Proceso Central pueda funcionar. Si contamos con memoria y una UPC es más que suficiente para realizar un pequeño sistema, obviamente es necesario de toda una serie de dispositivos para introducir y obtener la información (analizada en el capítulo 15). La memoria es clasificada en varios tipos y se estudia principalmente la memoria principal RAM y ROM. En el capítulo 15 se analizará la memoria secundaria o auxiliar.
Es importante entender el principio de organización de la memoria para poder entender el sistema como un todo, pues información posterior de la arquitectura del sistema y su clasificación depende de ésta comprensión.
Resumen
- La memoria es dividida en Registros, Memoria Principal y Memoria Secundaria.
- El tiempo de acceso es el tiempo de respuesta de una memoria.
- El proceso para localizar información se divide en aleatorio y secuencial.
- Los dispositivos secuenciales pueden ser de acceso directo o de acceso serial.
- Hay dispositivos de memoria estáticos y dinámicos.
- Los dispositivo de acceso aleatorio se dividen genéricamente en RAM (lectura y escritura) y ROM (de sólo lectura).
- La dirección es la localidad de memoria donde se encuentra una información.
- La dirección es generada por la UPC.
- La memoria dinámica debe ser “refrescada” continuamente para no perder su información.
- La memoria de sólo lectura o ROM se conoce como encodificadora.
- La memoriaROMtiene las variedades EPROM y PROM que son programables una o muchas veces para luego convertirse en memorias de sólo lectura.
- El bus son conexiones conductoras (alambres) que comunican a los distintos dispositivos.
K) LA UNIDAD DE PROCESAMIENTO CENTRAL
La Unidad de Procesamiento Central (UPC) Forma el cerebro de la computadora y su parte central y principal que interpreta las instrucciones almacenadas en la memoria principal que conforman un programa.
Sin la UPC no es posible el concepto de computadora tal como lo conocemos hoy en día.
La UPC se forma de la Unidad Aritmética y Lógica (UAL), los registros internos y la Unidad de Control (UC), existen además una serie de buses internos para llevar y traer información de los distintos componentes.
Se introduce en este capítulo a los registros y la Unidad de Control analizando en detalle cada componente y terminando con un ejemplo sencillo de una UC.
Resumen
- La Unidad de Procesamiento Central (UPC o CPU) se forma de la UAL, los registros y la Unidad de Control (UC).
- El contenido de la memoria principal puede ser interpretado como datos o instrucciones.
- Para saber si la información almacenada en la memoria es fidedigna, se utiliza la protección por distintas técnicas, una de las más usadas es la paridad que puede dividirse en par o impar.
- Los registros dependen del diseño de la máquina pero en general se debe contar como mínimo con los siguientes: Acumulador, Registro de Instrucciones, Contador de Programa y Contador de Datos.
- El registro de Contador de programa es incrementado cada vez que una instrucción es traída a la UPCpara su interpretación por la UC.
- Existe también un registro dentro de la UPC donde se lleva el estado de varias indicadores importantes para un programador y para la misma UPC.
- El ciclo de ejecución de una instrucción se divide en traer la instrucción (fetch) e interpretarla.
- En la Unidad de Control reside un programa llamado microprograma, que se encarga de interpretar las instrucciones almacenadas en la memoria principal llamadas macroinstrucciones.
- Existen UC microprogramables donde el programa que interpreta las macroinstrucciones puede ser cambiado.
- Se debe dividir el reloj en n partes dentro de la UPC para poder ejecutar una microinstrucción en cada ciclo de reloj dividido.
L) LOGICA DE LA UPC
En esta parte del documento identificaremos la lógica adicional que se requiere además de la Unidad de Procesamiento Central y la memoria para generar un sistema lo suficientemente comprensivo para ser de utilidad.
Debemos identificar por separado cada uno de los componentes de un sistema de computación por su función, tal como ya lo hemos hecho con la memoria RAM y ROM, pero no existe una correlación fundamentalmente necesaria entre el componente individual lógico y el circuito que
realiza la función.
Hemos dicho que un sistema de computo sólo debe de contar con la UPC y la memoria principal. Aunque esto es estrictamente cierto, la funcionalidad del circuito sería casi nula. Es necesario, entonces, agregar toda una serie de circuitos y dispositivos que hagan que el diseño sea funcional y práctico para el que lo usa.
La interfase a estos dispositivos y circuitos se realiza por medio de los puertos de Entrada/Salida. Es por estos puertos que la computadora se comunica y recibe información del mundo externo.
Resumen
- La transferencia de datos entre el sistema de cómputo y el mundo externo se le conoce como Entrada y Salida (E/S o I/O).
- La E/S se puede dividir en Programada, por Interrupciones y Acceso Directo a Memoria (DMA).
- La E/S programada es conocida también como E/S de mapa de memoria pues se divide el mapa de memoria entre memoria y dispositivos de E/S.
- Para evitar dividir el mapa de memoria se prefiere agregar más lineas de control a la UPC que seleccionen entre la memoria y los dispositivos de E/S.
- La E/S por Interrupción solicita al sistema por medio de una línea la atención.
- Para lograr la E/S por Interrupciones, se agregan varias líneas de control a la UPC.
- Si la UPC es interrumpida debe de realizar una secuencia ordenada antes de atender a la interrupción y esto incluye entre otras cosas el preservar el contenido de los registros.
- El dispositivo externo que interrumpe debe proporcionar un código de dispositivo o un vector de interrupciones que es la dirección donde se encuentra el programa que atiende al dispositivo.
- Es importante tener prioridades en las interrupciones. Esto se resuelve con un circuito que atiende las peticiones de los dispositivos externos y asigna las prioridades.
- El DMA consiste en guardar o leer datos de la memoria principal sin la intervención de la UPC. Para esto, es necesario generar todas las señales que requiere la memoria y que en condiciones normales genera la propia UPC.
- El DMA se consigue robando ciclos al reloj de la UPC o deteniendo su proceso.
- Para que las señales no interfieran una con otra cuando se generan de dos fuentes distintas se utiliza una nueva lógica llamada de tres estados donde uno de ellos es inactivo y los otros dos corresponden a la lógica binaria.
- Un caso especial de E/S es la serial que sirve para la comunicación en muchos casos. El dispositivo que se encarga de llevar el control de esta comunicación es llamado UART.
M) PROGRAMACION
Una de las partes primordiales de un sistema de cómputo y sin el cual su funcionamiento no es posible es el de la programación. Por medio de un programa podemos guiar todas las acciones de la electrónica para poder llegar a una aplicación práctica y útil.
El aspecto de la programación es muy extenso e incluye muchos temas complejos. Pero en su aspecto fundamental se describe brevemente en este capítulo.
El sistema operativo (SO) forma la parte sobre la cual actuan todos los demás programas, todo requerimiento a la computadora es encauzado por el canal adecuado por medio de la parte de entrada y salida básica del SO llamada BIOS.
Todo programa para poder ser ejecutado debe residir en la memoria y debe ser puesto de alguna forma en ella en comandos que la UPC pueda entender e interpretar para lo cual se han desarrollado toda una serie de programas llamados intérpretes y compiladores que se encargan de esta labor.
Resumen
- Un programa de arranque inicia el sistema de cómputo y le permite funcionar.
- El procesador de comandos de un sistema operativo queda residente todo el tiempo para recibir ordenes de otros programas o del mismo usuario.
- Un programa consiste en una secuencia lógica de instrucciones y se conoce como programar a crear estas secuencias.
- El código fuente consiste en las instrucciones que el programa ensamblador interpretará para crear un código objeto.
- El código objeto es el resultado de un ensamblador y consiste en el programa fuente interpretado y colocado en la memoria para su ejecución.
- Toda Unidad de Procesamiento Central (UPC)consta de un juego de instrucciones definidas por el fabricante durante su construcción.
- Entre las formas de indicar una localidad o dirección de memoria contamos con: direccionamiento directo, implícito o indirecto.
- Las instrucciones que permite una UPC son clasificados de acuerdo a su función y existen varias de estas clasificaciones.
- Un intérprete traduce instrucción a instrucción un programa fuente mientras que un compilador lo hace todo de una vez.
N) UNIDAD DE PROCESAMIENTO CENTRAL COMERCIAL
La única forma de que un programador pueda sacar provecho de las instrucciones que le ofrece el constructor de un circuito determinado, es el de conocer a la perfección su funcionamiento y su interrelación con otros componentes dentro del sistema. Para la realización de un programa en lenguaje de máquina se requiere de gran esfuerzo y tiempo.
Aunque el conjunto de instrucciones encontradas en cualquier Unidad de Procesamiento Central típica es muy reducido y cada una de ellas realiza una función muy específica y limitada, la unión de todas ellas es lo que forma los sistemas funcionales de hoy en día y corresponde al programador de sistemas realizar estas labores y programas las aplicaciones requeridas por otros usuarios y por el propio sistema para que funcione: compiladores, sistemas operativos, interpretes, manejadores, sistemas básicos de entrada y salida, etc.
Resumen
- Los registros generales se forman de n bits que componen la palabra de la UPC.
- Algunos registros tienen usos específicos y son usados para ciertas operaciones.
- El registro de banderas determina muchas veces el flujo del programa y las decisiones que deben hacerse dentro del mismo.
- El uso de la memoria segmentada sigue en aumento y se ha relegado la memoria lineal a su uso en pequeños sistemas o dentro de los segmentos.
- Existen muchas formas de realizar un direccionamiento dentro de una instrucción y entre ellas están las de forma: inmediata, de registro, indirectas e índices junto con combinaciones y variaciones de las anteriores.
- Las instrucciones son divididas en grupos según sus funciones y cada fabricante las agrupa de distintas formas.
- Cada fabricante agrega o quita instrucciones que según su experiencia se requieren o salen sobrando. En general existen dos tendencias dentro del juego de instrucciones:
a) Que cada instrucción realice el máximo de operaciones (CISC).
b) Que cada instrucción realice sólo lo básico (RISC) y sea muy rápida.
- Se utilizan en los diseños modernos procesadores auxiliares especializados en ejecutar a máxima velocidad ciertos tipos de instrucciones, son los llamados coprocesadores.
O) DISPOSITIVOS EXTERNOS
Se presentan en este documento toda una serie de dispositivos que, aunque popularmente se consideran parte de la computadora, son en realidad externos al sistema y pueden o no estar sin que por eso se afecte el desempeño o funcionamiento de un sistema de computo.
Los dispositivos externos hacen más fácil el uso de la computadora y es casi impensable un sistema de computo que no cuente con por lo menos uno de los dispositivos aquí mencionados. Al ir evolucionando las computadoras, los programas que se usan y bajando los precios, los dispositivos que se consideraban como opciones por ser muy sofisticados o caros, se incorporan ahora como parte del diseño inicial y forman un paquete que sin duda nos hacen más agradable usar las computadoras.
Resumen
- La interfase forma el lazo de unión entre el mundo externo y la computadora.
- Las fuentes de poder forman un dispositivo externo no opcional pues sin ellas no funcionaría el sistema. Hoy en día se usan casi exclusivamente las fuentes reguladas por interrupción.
- El reloj, como la fuente de poder, el monitor y el teclado, son externos al sistema pero imprescindibles. El teclado se forma por una serie de interruptores que se cierran al presionar las teclas a las que se unen mecánicamente, la información que generan es interpretada de forma programática o electrónica.
- Los monitores pueden ser tan sencillos como una serie de LEDs que nos indiquen el estado de varias funciones o tan complejos como un tubo de rayos catódicos que nos den muchísima información de una sola mirada.
- Los dispositivos de almacenaje son necesarios en todo trabajo serio y permiten guardar la información tanto generada por el sistema de cómputo como la necesaria para que funcione como los programas y sistemas operativos complejos. Pueden ir desde una cinta de almacenaje pasando por discos flexibles y duros hasta un sofisticado sistema de almacenaje por medio de discos compactos leidos por rayo laser.
- Casi todo sistema grande tiene como salida gran cantidad de información que estamos acostumbrados a recibir de forma impresa. Las impresoras toman información generada por el sistema de cómputo y la traspasan a papel utilizando técnicas que van desde un martillo que hace contacto con una cinta y luego con el material de impresión, hasta un rayo laser que fija una imagen positiva en un papel para luego ser revelada con carbón.
- Existen otra serie de dispositivos que hacen más fácil la tarea de introducir información de varios tipos a la computadora. Uno de los más comunes hoy en día es el ratón pero se debe considerar otros muchos como joysticks, digitalizadores, guantes, palancas, plumas de luz, etc.
P) OTROS ELEMENTOS LOGICOS Y ELECTRONICOS
Se introducen en este resumen otros circuitos útiles de los que ya se ha hecho mención a lo largo del presente documento. Los circuitos mencionados nos dan la pauta final para comunicarnos del sistema de cómputo al mundo externo y realizar otros tipos de aplicaciones que no se encuentren limitados al mundo virtual de la computadora.
Resumen
- Los voltajes digitales realizan transiciones bruscas entre dos estados nombrados arbitrariamente, mientras que los analógicos varian continuamente con el tiempo y pueden tomar cualquier estado de un conjunto infinito de posibles estados.
- Una aplicación directa de un interruptor analógico es el multiplexor donde varias señales se aplican a un sólo conjunto de cables que transmiten la información.
- Para poder hacer una interfase entre el mundo real y el de la computadora necesitamos convertir de las unidades usadas por uno a las del otro. Los circuitos de conversión digital-analógico y viceversa nos dan la forma de realizarlo.
- Los transductores convierten de una unidad a otra, usualmente de cantidades físicas a eléctricas.
- Un actuador convierte energía eléctrica a mecánica para poder realizar un trabajo. Son utilizados en forma intensiva en los mecanismos de impresión.
- Los circuitos de tiempo forman el corazón de un sistema de cómputo como actualmente se conoce. Los más utilizados por su estabilidad, fiabilidad, exactitud y precio son los de bases de cristal de cuarzo.
- Los circuitos de tiempo se configuran de dos formas:
- Monoestable donde una señal externa dispara un evento de tiempo
- finito después del cual el circuito vuelve a sus estado estable y
- Astable donde el circuito pasa de un estado a otro continuamente
- formando un tren de pulsos que no se detiene nunca.
PARTE II
CONCLUSIONES
APORTES
BIBLIOGRAFIA
1) Sistemas Digitales y Arquitectura de Computadoras/ Emiliano Llano Díaz/mexico/ 1era edición junio 199./pdf
INDICE
INTRODUCCION
MARCO TEORICO
PARTE I
A) CORRIENTE ELECTRICA
B) ELEMENTOS ELECTRICOS Y ELECTRONICOS
C) SISTEMAS NUMERICOS
D) CIRCUITOS LOGICOS
E) SIMPLIFICACION DE FUNCIONES LOGICAS
F) FAMILIAS LOGICAS
G) ELEMENTOS LOGICOS.EL FLIP-FLOP
H) ELEMENTOS LOGICOS.REGISTRO Y CONTADORES
I) ELEMENTOS LOGICOS. LA UNIDAD ARITMETICA Y LOGICA
J) LA MEMORIA
K) LA UNIDAD DE PROCESAMIENTO CENTRAL
L) LOGICA DE LA UPC
M) PROGRAMACION
N) UNIDAD DE PROCESAMIENTO CENTRAL COMERCIAL
O) DISPOSITIVOS EXTERNOS
P) OTROS ELEMENTOS LOGICOS Y ELECTRONICOS
PARTE II
CONCLUSIONES
APORTES
BIBLIOGRAFIA
