República Bolivariana de Venezuela Ministerio del Poder Popular para la Defensa Universidad Nacional Experimental Politécnica de las Fuerzas Armadas Coro – Coro – Estado Falcón
Diseño de Lógica de Control Y De Computadores
Integrantes: Jorge Capielo 21.114.509 Argenis Mustiola 23.673.97 23.673.977 7 IS6D-B
Santa Ana de Coro; Mayo del 2013
INDÍCE pp. Introducción…………………………………………………………………. Registro de Condición……………………………………………………… Memoria Scratchpad……………………………………………………….. Diseño de lógica de control……………………………………………….. Organización del control………………………………………………….. Control de componentes alambrados……………………………………. Control de microprogramas……………………………………………….. Control de la unidad procesadora………………………………………… Control a base de componentes conectados……………………………. Control del PLA…………………………………………………………….. Secuenciador del microprograma………………………………………… Diseño de computadores………………………………………………… Configuración del sistema………………………………………………… Instrucciones del computador……………………………………………. Sincronización de tiempo y control………………………………………. Ejecución de instrucciones……………………………………………….. Diseño del registro del computador……………………………………… Diseño de control………………………………………………………….. Consola del computador………………………………………………….. Conclusión…………………………………………………………………. Bibliografía…………………………………………………………………
INTRODUCCIÓN
El diseño de los materiales de un computador digital puede derivarse en tres fases interrelacionadas las cuales son el diseño del sistema, diseño lógico y diseño del circuito. El diseño del sistema versa sobre las especificaciones y propiedades generales del sistema. Esta tarea incluye el establecimiento de un objetivo de diseño y filosofía de diseño, la formulación de las instrucciones del computador, y la investigación de su factibilidad económica. El diseño del circuito especifica los componentes de los diferentes circuitos lógicos, circuitos de memoria, equipo electromecánico y suministro de potencia. El diseño de la parte de la parte de los materiales del computador es enormemente influenciado por el sistema de programación (software) el cual normalmente se desarrolla al tiempo y constituye una parte integral del sistema del computador total. El diseño de un sistema digital requiere una secuencia de control que comienza con la suposición de la disponibilidad de variables de tiempo, este es diseñado como una variable de secuencia por medio de un estado o una representación equivalente para la transacción entre estados. La secuencia de control y las relaciones de transferencia registros pueden deducirse directamente de la especificación en palabras del problema, pero en algunas ocasiones es conveniente utilizar una representación intermedia para describir la secuencia necesaria de operaciones del sistema.
La formación binaria que se encuentre en un sistema digital es almacenada en un procesador o en un registro de memoria y puede estar constituida por datos e información de control, estos datos son elementos discretos que son manipuladas por las microoperaciones. Siendo un algoritmo un procedimiento para dar solución a un problema especifico y un algoritmo diseñado es para configurar el problema con una pieza del equipo. Un flujograma es una manera de expresar la secuencia de pasos de procedimientos o instrucciones y la forma de tomar decisión respecto un algoritmo. Este en un algoritmo diseñado usa los nombres de las variables de registro definidos de la configuración inicial del equipo, y este consiste en un diagrama de bloques conectados por medio de líneas directas y dentro de estos bloques encuentran las instrucciones para la configuración.
Registro de Condición Las magnitudes relativas de dos números pueden ser determinadas restando un número de otro y luego combinando ciertas condiciones de los bits en la diferencia resultante. Si los dos números están sin signo las condiciones de los bits de algún interés, son el arrastre de salida y un resultado posible de cero. Si los dos números incluyen un bit de signo en la posición de mayor orden, las condiciones principales de los bits, son el signo del resultado, una indicación de cero y una condición de sobrecapacidad (M. Morris Mano, 1982, Lógica Digital y Diseño de Computadores). Es conveniente algunas veces suplementar el ALU con un registro de condición donde se almacenan aquellas condiciones de los bits para análisis posterior. El estado de los bits de condición se llama algunas veces código de condición de los bits o bits indicadores.
Memoria Scratchpad La memoria Scratchpad o memoria de acceso rápido denominada Bloc de notas se encuentra situada en la RAM interna de la posición 30H a 7FH. Está se utiliza para el almacenamiento temporal de los cálculos, los datos y otros trabajos en curso, esta memoria es más ágil que la memoria RAM externa al micro-controlador, pero la RAM externa puede tener una capacidad suficiente para cualquier aplicación (64KB), el área Scratchpad está limitada a 96 Bytes.
Diseño de Lógica de Control La lógica de diseño de un sistema digital es un proceso para deducir los circuitos digitales que realizan datos de procesamientos y de circuitos digitales que suministran señales de control. Actualmente se utilizan sistemas asistidos por computador para automatizar este proceso, a pesar de todo el desarrollo del mismo y el análisis del sistema no pueden ser automatizados y requieren del razonamiento mental del diseñador humano. Para ello se utilizan los algoritmos diseñados para representar de una manera secuencial y organizada la configuración del diseño lógico de una pieza del equipo.
La lógica de control permite que todos los registros de un sistema digital se puedan controlar por medio de pulsos de un reloj maestro, los cuales se aplican a todos los flip-flop y los registros del sistema. Estos pulsos no cambian el estado de un registro a no ser que el registro se habilite por la señal de control.
Organización del Control Una vez que se haya establecido la secuencia de control se puede diseñar el sistema secuencial que configura las operaciones de control. Los métodos de diseño que se usan, estados y tablas de excitación pueden usarse en teoría, pero en la práctica son engorrosos y difíciles de manejar. Además los circuitos de control obtenidos en este método requieren un gran número de flip-flops y compuertas. El principal objetivo de la organización del control debe ser el desarrollo de un circuito que configure la secuencia de control deseada de una manera lógica y directa. Debido a esto se usan métodos para el diseño que pueden ser considerados como una extensión del método lógico secuencial, estos son:
1. Método de un flip-flop por estado: Este método usa un flip-flop por estado en el circuito secuencial de control. Solamente pone a uno un flip-flop en un tiempo dado, los demás se ponen a cero.
2. Método del registro de secuencia y el decodificador: Este método usa un registro para darle secuencia a los estados del control. El registro se decodifica para suministrar una salida por cada estado.
3. Control PLA: El control del PLA es esencialmente similar al registro de secuencia y al método del decodificador excepto que todos los circuitos combinacionales se configuran con un PLA, incluyendo el decodificador y la lógica de conexión.
4. Control de microprograma: El propósito de la unidad de control es iniciar una serie de pasos secuenciales de micro-operaciones. Durante cualquier tiempo dado se deben iniciar ciertas operaciones mientras que otras permanecen latentes. Así, las variables de control en un tiempo dado pueden ser representadas por una cadena de 1 o 0 llamada palabra de control.
Dichas palabras pueden ser programadas para iniciar las diferentes componentes en el sistema de una manera organizada.
Control de Componentes Alambrados La representación básica de el control alambrado es la de generar las señales de control por medio de circuitos secuenciales. La ventaja principal de esta forma de generar las señales de control es que la velocidad de ejecución de las micro-operaciones es mayor que en el control microprogramado. Su desventaja principal es la rigidez de la unidad de control: el cambiar o agregar instrucciones a la CPU implica rediseñar y reconstruir toda la Unidad de Control. Para realizar el alambrado es necesario elaborar un diseño lógico de control, el cual se lleva a cabo mediante 5 pasos: 1. se asume el problema. 2. se asume una configuración inicial del equipo. 3. se formula el algoritmo. 4. se especifica la parte del procesador de datos. 5. se diseña la lógica de control.
Control de Micro-programa. Se llama microprograma a la secuencia de palabras de control necesarias para ejecutar una instrucción. La idea central del control micro-programado es la de almacenar en una memoria el patrón de unos y ceros que representan las variables de control de los registros.
Se le llama Palabra de Control o microinstrucción al patrón de unos y ceros que representa las señales de control de los registros necesarios para ejecutar una micro-operación. Las características relevantes de una Unidad de Control Micro-programada son los siguientes:
* Los microprogramas almacenados en la memoria de control definen el conjunto de instrucciones de la computadora. De ahí que es posible cambiar el conjunto de instrucciones cambiando solo el contenido de la memoria de control. Esto ofrece mucha flexibilidad tanto al diseñador como al usuario.
* Ya que no es frecuente que se cambien las microinstrucciones almacenadas en la memoria de control, es muy común utilizar ROM para implementar esta memoria de control.
* La ejecución de cualquier instrucción implica varios accesos a la memoria de control, por lo que la velocidad de esta memoria juega un papel muy importante en la velocidad de ejecución de la computadora.
Control de la Unidad Procesadora Se debe hacer provisión para incluir todas las variables de control posibles en el sistema y no solamente para controlar un ALU. El multiplexor y los bits seleccionados deben incluir todos los demás bits de condición posibles que se quieran comprobar en el sistema. Para construir microprogramas correctos es necesario especificar exactamente como el bit de condición es afectado por cada micro-operación en el procesador. Los bits S (signo) y Z (cero) están afectados por todas las operaciones. Los bits C (arrastre) y V (sobrecapacidad) no cambian después de las siguientes operaciones del ALU: 1. Las cuatro operaciones OR, AND, OR-exclusiva y complemento. 2. Las operaciones de incremento y decremento. Para las demás operaciones, el bit de arrastre del ALU va al bit C del registro de condición. El bit C se afecta también después de un desplazamiento circular con operación de arrastre.
Control a Base de Componentes conectados Consiste en el desarrollo de un algoritmo aritmético y de un método diferente para diseñar la lógica de control. En este método se desarrolla en primer plano un algoritmo, diseñado conjuntamente con la con la configuración de
los materiales (Componentes) que conforma la parte procesadora del sistema.
Control PLA (Programmable Logic Array – Arreglo Lógico Programable) Es un tipo de dispositivo lógico programable utilizado para implementar circuitos lógicos combinacionales. También posen componentes LSI que pueden configurar cualquier circuito conbinacional. Es esencialmente similar al registro de secuencia y al método del decodificador excepto que todos los circuitos combinacionales se configuran con un PLA, incluyendo el decodificador y la lógica de decisión El PLA tiene un conjunto de planos programables, puerta AND, que luego se pueden complementar un condicional para producir una salida. Esta disposición permite que un gran número de funciones lógicas pueda ser sintetizado en la suma de los productos (y, a veces producto de sumas) de formas canónicas.
Secuenciador del Micro-programa Es un circuito lógico sencillo que permite realizar la ejecución en secuencia de un conjunto de instrucciones muy elementales llamadas microinstrucciones (no confundir con las instrucciones propias del lenguaje máquina). Cada microinstrucción contiene las señales de control que se enviarán a la UP, junto a una serie de bits que permitirán seguir el secuenciamiento. Es decir, Es el centro neurálgico de gestión, control y planificación del microprocesador, por tanto su función es fundamental para el desarrollo de cualquier instrucción software.
Configuración del sistema.
Cada bloque representa un registro, excepto por la memoria, el generador del reloj maestro y la lógica de control. Esta configuración se supone que satisface la estructura del sistema final. El nombre de cada registro se describe dentro del bloque, conjuntamente con la designación simbólica en paréntesis. El generador de reloj es una fuente de pulsos de reloj común, por lo general un oscilador, el cual genera un tren periódico de pulsos. La unidad de memoria tiene una capacidad de 4.096 palabras de 16 bits cada una. Esta capacidad es suficientemente larga para un proceso significativo. Son necesarios 12 bits de una instrucción para especificar la dirección de un operando, el cual deja 4 bits para la parte de la instrucción. El tiempo de acceso de la memoria se asume que es menor que un milisegundo, de manera que la palabra puede leerse o escribirse durante el intervalo entre dos pulsos del reloj. La parte del computador digital que se va a diseñar se descompone en subunidades de registros los cuales son:
Instrucciones de computador. El numero de instrucciones disponibles en un computador y su eficiencia en resolver el problema entre manos, es una buena indicación de lo bien que el diseñador del sistema previo la aplicación que se requería de la maquina. Los sistemas de cómputo mediano y de gran escala, pueden tener cientos de instrucciones, mientras que la mayoría de computadores pequeños limitan la lista a menos de 100. Las instrucciones se deben escoger con cuidados para imprimir las características suficientes del sistema con el fin de resolver un amplio rango de problemas de procesamiento de datos. Los requerimientos mínimos de tal lista deben incluir una capacidad para almacenar y cargar palabras de la memoria, un conjunto suficiente de operaciones aritméticas y lógicas, algunas propiedades de modificación de direcciones, bifurcación incondicional, bifurcación bajo condiciones de prueba, propiedades de manipulación de registro e instrucciones I/0. La lista de instrucciones escogidas para el computador pretende ser la mínima requerida para un procesador de datos práctico pero restringido. El diseño simbólico es una palabra de tres letras y representa una abreviación que va a ser usada por programadores y usuarios cuando se
escriben programas simbólicos para el computador. EL código hexadecimal listado es un número hexadecimal equivalente al código binario adoptado por el código de operación. Una instrucción de referencia de memoria usa un digito hexadecimal (4 bits) para el código de operación; los tres dígitos hexadecimales restantes (12 bits) de la instrucción representan una dirección designada por la letra m. Cada instrucción tiene una breve descripción en palabras y se especifica más precisamente en la columna de función con una proposición de macro-operación.
Instrucciones de referencia de registros:
Cada instrucción de referencia de registro tiene un código de operación 0110 (hexadecimal 6) y contiene un solo 1 en uno de los 12 bits restantes de la
instrucción. Estas instrucciones se especifican cuatro dígitos hexadecimales, los cuales representan todos los 16 bits de una palabra de instrucción.
Instrucciones de entrada – salida:
El computador tiene cuatro instrucciones de entrada y salida que se listan en la tabla de “instrucciones de entrada -salida”. Estas instrucciones tienen un código de operación 0111 (hexadecimal 7) y cada una contiene un 1 en solamente uno de los 12 bits restantes de la palabra de instrucción. Las instrucciones de entrada – salida se especifican en cuatro dígitos hexadecimales comenzando con 7.
Sincronización de tiempo y control Todas las operaciones del computador están sincronizadas por un generador de tiempo maestro cuyos pulsos de reloj se aplican a todos los flips-flops del sistema. Además está disponible cierto número de variables de tiempo en la unidad de control para darle secuencia a la operación en el orden adecuado. Esas variables de tiempo se designan como t 0, t1, t2 y t3 y se muestran a continuación:
Ejecución de instrucciones: Fase de búsqueda
Lectura de la instrucción y búsqueda de los operando
Fase de ejecución
Ejecución de la instrucción
Búsqueda:
Extraer de la memoria
Incrementar el contenido
Determinar la instrucción
Localizar operandos
Leer operandos
Ejecución:
Ejecutar
Almacenar
Volver
Diseño del registro del computador Este registro debe tener condición de incremento y transferencia. Se puede configurar por medio de un contador con carga en paralelo, como el PC recibe entrada de dos fuentes, este requiere un multiplexor para seleccionar entre dos entradas. Los otros registros se diseñan de manera similar. Los tipos de registros necesarios para el computador son los siguientes:
Diseño del control: La unidad de control del computador genera las variables de control para los registros y unidad de memoria. Hay 24 variables de control diferentes así como también 3 métodos para el diseño de la lógica de control:
l. Control con Componentes Alambrados: El registro de secuencia G en este caso es un contador y el decodificador de tiempo entrega cuatro estados de control para el sistema. Un segundo decodificador se usa para el código de operación almacenado en el registro I. A su vez el bloque de la red de lógica de control genera todas las funciones
de control para el computador. Y la configuración de la red de lógica completa el diseño del control con componentes alambrados.
II. El Control PLA: Es similar al método de registro de secuencia y decodificador, excepto que todos los circuitos de combinaciones se configuran dentro del PLA. Los dos decodificadores se incluyen dentro de la configuración del PLA ya que ellos son circuitos de combinaciones. Es de interés aclarar que el número de salidas de control y el número total de terminales de entrada PLA son de 24.
El Control del Microprograma: El control del microprograma no necesita los registros I, G y F. El código de operación está en B(OP) y al final del ciclo de búsqueda puede ser usado para especificar una dirección de macro operación
para la memoria de
control sin necesidad de un registro I. Las variables de tiempo generadas en el registro de secuencia G pueden ser remplazadas por una secuencia de pulsos de reloj que leen microinstrucciones consecutivas de la memoria de control. La parte de secuencia de dirección del control del microprograma necesita solamente tres operaciones: 1. Incrementar el CAR para leer la siguiente microinstrucción en secuencia. 2. Borrar el CAR para iniciar el ciclo de búsqueda„ 3. Entregar la trasformación de bits del B(OP) a una dirección externa del CAR
Consola del computador: Una computadora personal u ordenador personal, también conocido como PC (sigla en inglés de personal computer), es una microcomputadora diseñada en principio para ser usada por una sola persona a la vez. (En el habla habitual, las siglas PC se refieren más específicamente a la computadora
compatible
IBM
PC.)
Una
computadora
personal
es
generalmente de tamaño medio y es usado por un solo usuario (aunque hay sistemas operativos que permiten varios usuarios simultáneamente, lo que es conocido como multiusuario). Una computadora personal suele estar equipada para cumplir tareas comunes de la informática moderna, es decir permite navegar por Internet, escribir textos y realizar otros trabajos de oficina o educativos, como editar textos y bases de datos. Además de actividades de ocio, como escuchar música, ver videos, jugar, estudiar, etc. En cuanto a su movilidad podemos distinguir entre computadora de escritorio y computadora portátil. Dentro del conjunto de las computadoras portátiles están las llamadas computadoras portátiles de escritorio.
Conclusión Se puede concluir que la lógica de diseño de un sistema digital consiste en el proceso de deducir los circuitos digitales que realizan datos de procesamientos y los circuitos digitales que suministran señales de control; y a su vez crear algoritmos y generar procesos que realicen las funciones o tareas que se desea. El control alambrado y el control micro-programado son similares en el hecho de que ambos se utilizan para generar las señales de control, pero se diferencian en que el control alambrado tiene una velocidad mayor de ejecución de las micro-operaciones que el control micro-programado; y que este último se basa en almacenar en una memoria el patrón de 1´s y 0´s que representan las variables de control de los registros. Formando parte del control micro-programado, está el termino Palabra de Control o microinstrucción, que es el patrón de 1´s y 0´s que representa las señales de control de los registros necesarios para ejecutar una micro-operación. Un sistema está configurado por registros, la memoria, el generador del reloj maestro y la lógica de control, donde el reloj es una fuente de pulsos de reloj común, el cual genera un tren periódico de pulsos y la unidad de memoria tiene una capacidad de 4.096 palabras de 16 bits cada una. Los sistemas de cómputo mediano y de gran escala, pueden tener cientos de instrucciones, mientras que la mayoría de computadores pequeños limitan la lista a menos de 100, entre las cuales se encuentran instrucciones de memoria, de registros y de entrada y salida. Todas las operaciones del computador están sincronizadas por un generador de tiempo maestro cuyos pulsos de reloj se aplican a todos los flips-flops del sistema. Además está disponible cierto número de variables de tiempo en la unidad de control para darle secuencia a la operación en el orden adecuado. Para ejecutar las instrucciones existen dos fases, la fase de búsqueda y fase de ejecución.
BIBLIOGRAFÍA * http://unefazuliasistemas.files.wordpress.com/2011/05/arquitectura-delcomputador-rojas-urdaneta-valera.pdf *(2010, 10). BuenasTareas.com. Recuperado 10, 2010, de http://www.buenastareas.com/ensayos/Geopolitica/987281.html *www.sev.gob.mx/.../Diseño_Unidad_Control_Alambrado.pdf *Bulletin 1560E, 1562E MV Smart Motor Controllers (SMC). Allen – Bradley * Isaias Suarez. Buenas Tareas [En Línea]. Nueva Esparta, 2000. Diseño de Lógica de Control. Medicion Pagina 6, [Consulta: 06 de Mayo del 2013].Disponible en: http:www.buenastareas.com/diseño/Dise%C3%B1o-DeLogica-De-Control/6240938.html *Morrys Mano. Books Google [En Línea]. Pearson Educación, 1982. Lógica Digital y Diseño de Procesadores. Medición Pagina 396 Capitulo 9, [Consulta: 06 de Abril del 2013]. Disponible en: http://books.google.co.ve/books?id=Jadk9JigJs4C&printsec=frontcover&hl=e s#v=onepage&q&f=false
*Alciro Gerad. Alciro Books [En Linea]. Math Editor, 2008. Microcontroladores 8051 “Memoria Scratch Pad 2.2.1, [Consulta: 07 de Abril del 2013]. Disponible en: http:alciro.org/Trabajo%20de%20arquitectura/Memoria%20de%20acceso%2 0directo%20e%20indirecto,%20alciro%20-%20Documents,%20alciro.org.htm
