Hardware básico de un sistema computacional

Estructura general y organización de los microprocesadores

- Introducción. 

Microprocesador:

 Es un circuito de gran escala de integración que contiene la CPU completa de una computadora en un único circuito integrado.

Los microprocesadores han experimentado un sin número de mejoras a través de los años, las mismas que han permitido alcanzar el desarrollo de sistemas microprocesados tan sofisticados como lo son, por ejemplo, los computadores personales de hoy en día. 

Circuito Integrado

Los circuitos integrados, también conocidos por sus siglas CI, han ido evolucionando en el tiempo sus funcionalidades y la complejidad de su estructura. Los circuitos integrados están compuestos por transistores y/o compuertas lógicas. Dependiendo de la cantidad que los componen, se clasifica a los circuitos integrados en las siguientes escalas de integración:

Tipos de encapsulamiento

Los circuitos integrados requieren de comunicación con otro tipo de componentes, por ello tienen una serie de pines o terminales que le permiten conectarse con el exterior.

Contienen en su interior una serie de transistores y conexiones miniatura que resultan ser muy delicados como para estar expuestos, por lo que cuentan con una envoltura de cerámica o plástico para mantenerlos seguros este tipo de protección se llama encapsulado.

El encapsulado cumple las siguientes funciones 

• Excluir las influencias ambientales. Como la humedad, polvo y el aire, que son factores que repercuten gravemente en el uso y manejo del encapsulado. También depende de la luminosidad del ambiente a la que esté expuesto.

• Permitir la conectividad eléctrica. Ya que presentan pines de conectividad que permiten el flujo de la corriente.

• Disipar el calor. La temperatura puede ocasionar que tengan un al funcionamiento así se genere un desgaste e incluso se dañen.

• Facilitar el manejo y montaje. Ya que los encapsulados de tipo comercial son flexibles y adaptables con una amplia disposición en el mercado. Los de tipo cerámicos son mas confiables que los de plástico y los metálicos cumplen con fines más industriales y militares.

Arquitectura de buses. 

El bus es un sistema digital que transfiere datos entre los componentes de un ordenador o entre ordenadores.

Un bus puede conectar lógicamente varios periféricos sobre el mismo conjunto de cables. Aplicada a la informática, se relaciona con la idea de las transferencias internas de datos que se dan en un sistema computacional en funcionamiento

Bus paralelo

los datos son enviados por bytes al mismo tiempo, con la ayuda de varias líneas que tienen funciones fijas. ha sido usado de manera intensiva, desde el bus del procesador, los buses de discos duros, tarjetas de expansión y de vídeo, hasta las impresoras.

Bus serie

En este los datos son enviados, bit a bit y se reconstruyen por medio de registros o rutinas de software. Está formado por pocos conductores y su ancho de banda depende de la frecuencia. Es usado desde hace menos de 10 años en buses para discos duros, tarjetas de expansión y para el bus del procesador.

Bus de datos.

Mueve los datos entre los dispositivos del hardware de Entrada como el teclado, el escáner, el ratón, etc.; de salida como la Impresora, el Monitor o la tarjeta de Sonido; y de Almacenamiento como el Disco Duro, el Disquete o la Memoria-Flash. 

Bus de direcciones.

está vinculado al bloque de Control de la CPU para tomar y colocar datos en el Subsistema de Memoria durante la ejecución de los procesos de cómputo.

Bus de control.

Este bus transporta señales de estado de las operaciones efectuadas por la CPU. El método utilizado por el ordenador para sincronizar las distintas operaciones es por medio de un reloj interno que posee el ordenador y facilita la sincronización y evita las colisiones de operaciones (unidad de control). Estas operaciones se transmiten en un modo bidireccional.

Arquitectura básica de los microcontroladores

Inicialmente todos los controladores adoptaron la arquitectura clásica de Van Neumann, y actualmente se impone la arquitectura Harvard.

La arquitectura de Van Neumann se caracteriza por disponer de una sola memoria principal donde se almacenan datos e instrucciones de forma indistinta. A dicha memoria se accede a través de un sistema de buses único (direcciones, datos y control).

La arquitectura Harvard dispone de dos memorias independientes: una, que contiene sólo instrucciones y otra, sólo datos. Ambas disponen de sus respectivos sistemas de buses de acceso y es posible realizar operaciones de acceso (lectura o

escritura) simultáneamente en ambas memorias.

Procesador CPU 

Determina las principales características del microcontrolador tanto hardware como software, se encarga de direccionar la memoria de instrucciones, recibir código de la operación en curso, su decodificación y la ejecución de la operación de cada instrucción, la búsqueda de operandos y almacenamiento de resultados.

Memoria 

La memoria de instrucciones y datos está integrada en el mismo chip. Una parte de la memoria será no volátil tipo ROM y la otra parte será tipo RAM, volátil que se destina para guardar las variables y los datos.

La memoria RAM es de poca capacidad tiene variables y cambios de información que se producen en la ejecución del programa.

Puerta de entrada y salida 

Se podría decir que son las patitas del encapsulado de acuerdo a su disposición que se encuentre el microprocesador, de acuerdo a las especificaciones del fabricante del microcontrolador son capaces de soportar las líneas tanto como entrada o salida, sirve para la comunicación entre el computador y los periféricos exteriores.

Reloj principal 

El microcontrolador posee un oscilador que genera una señal de onda cuadrada de alta frecuencia, que configura los impulsos del reloj usado en toda la sincronización del sistema, se necesita pocos componentes exteriores para seleccionar y estabilizar la frecuencia de trabajo. Dichos componentes suelen ser un cristal de cuarzo junto a elementos pasivos o bien un resonador cerámico o una red R-C.

Recursos especiales

Temporizadores o timers: se emplean para controlar periodos de tiempo y para llevar la cuenta de acontecimientos que suceden en el interior del microcontrolador.

Perro guardián o watchdog

 Es un temporizador que cuando se desborda y pasa por cero provoca un reset automáticamente del sistema.

Conversor A/D

Procesa señales analógicas convirtiéndolas en señales digitales.

Estado de reposo o de bajo consumo: es un sistema donde se detiene le reloj principal y circuitos asociados con propósito de ahorrar energía en periodos de tiempo donde el microcontrolador se mantiene en espera de instrucciones. 

Comparador analógico

Algunos microcontroladores disponen internamente de un amplificador operacional que actúa como comparador entre una señal fija de referencia y otra variable que se aplica por una de las patitas de la capsula. La salida del comparador proporciona un nivel lógico 1 o 0 según una señal sea mayor o menor que otra.

Modulador de anchura de impulso o PWM

Son circuitos que proporcionan en su salida impulsos de anchura variable, que se ofrecen a través de las patitas del encapsulado.