LENGUAJE ENSAMBLADOR

1.    Contenido

    Definición

El lenguaje ensamblador, o assembler (en inglés assembly language y la abreviación asm), es un lenguaje de programación de bajo nivel. Consiste en un conjunto de mnemónicos que representan instrucciones básicas para los computadores, microprocesadores, microcontroladores y otros circuitos integrados programables. Implementa una representación simbólica de los códigos de máquina binarios y otras constantes necesarias para programar una arquitectura de procesador y constituye la representación más directa del código máquina específico para cada arquitectura legible por un programador. Cada arquitectura de procesador tiene su propio lenguaje ensamblador que usualmente es definida por el fabricante de hardware, y está basada en los mnemónicos que simbolizan los pasos de procesamiento (las instrucciones), los registros del procesador, las posiciones de memoria y otras características del lenguaje. Un lenguaje ensamblador es por lo tanto específico de cierta arquitectura de computador física (o virtual). Esto está en contraste con la mayoría de los lenguajes de programación de alto nivel, que idealmente son portátiles.

Un programa utilitario llamado ensamblador es usado para traducir sentencias del lenguaje ensamblador al código de máquina del computador objetivo. El ensamblador realiza una traducción más o menos isomorfa (un mapeo de uno a uno) desde las sentencias mnemónicas a las instrucciones y datos de máquina. Esto está en contraste con los lenguajes de alto nivel, en los cuales una sola declaración generalmente da lugar a muchas instrucciones de máquina.

 

    Caracteristicas

·      El código escrito en lenguaje ensamblador posee una cierta dificultad de ser entendido ya que su estructura se acerca al lenguaje máquina, es decir, es un lenguaje de bajo nivel.

·      El lenguaje ensamblador es difícilmente portable, es decir, un código escrito para un microprocesador, puede necesitar ser modificado, para poder ser usado en otra máquina distinta. Al cambiar a una máquina con arquitectura diferente, generalmente es necesario reescribirlo completamente.

·      Los programas hechos por un programador experto en lenguaje ensamblador son generalmente mucho más rápidos y consumen menos recursos del sistema (memoria RAM y ROM) que el programa equivalente compilado desde un lenguaje de alto nivel. Al programar cuidadosamente en lenguaje ensamblador se pueden crear programas que se ejecutan más rápidamente y ocupan menos espacio que con lenguajes de alto nivel.

·      Con el lenguaje ensamblador se tiene un control muy preciso de las tareas realizadas por un microprocesador por lo que se pueden crear segmentos de código difíciles y/o muy ineficientes de programar en un lenguaje de alto nivel, ya que, entre otras cosas, en el lenguaje ensamblador se dispone de instrucciones del CPU que generalmente no están disponibles en los lenguajes de alto nivel.

·      También se puede controlar el tiempo en que tarda una rutina en ejecutarse, e impedir que se interrumpa durante su ejecución.

    Ventajas

Tiempo de programación

Al ser de bajo nivel, el Lenguaje Ensamblador requiere más instrucciones para realizar el mismo proceso, en comparación con un lenguaje de alto nivel. Por otro lado, requiere de más cuidado por parte del programador, pues es propenso a que los errores de lógica se reflejen más fuertemente en la ejecución.

Por todo esto, es más lento el desarrollo de programas comparables en Lenguaje Ensamblador que en un lenguaje de alto nivel, pues el programador goza de una menor abstracción.

Programas fuentes grandes

Por las mismas razones que aumenta el tiempo, crecen los programas fuentes; simplemente, requerimos más instrucciones primitivas para describir procesos equivalentes. Esto es una desventaja porque dificulta el mantenimiento de los programas, y nuevamente reduce la productividad de los programadores.

Peligro de afectar recursos inesperadamente

Tenemos la ventaja de que todo lo que se puede hacer en la máquina, se puede hacer con el Lenguaje Ensamblador (flexibilidad). El problema es que todo error que podamos cometer, o todo riesgo que podamos tener, podemos tenerlo también en este Lenguaje. Dicho de otra forma, tener mucho poder es útil pero también es peligroso.

Falta de portabilidad

Como ya se mencionó, existe un lenguaje ensamblador para cada máquina; por ello, evidentemente no es una selección apropiada de lenguaje cuando deseamos codificar en una máquina y luego llevar los programas a otros sistemas operativos o modelos de computadoras. Si bien esto es un problema general a todos los lenguajes, es mucho más notorio en ensamblador: yo puedo reutilizar un 90% o más del código que desarrollo en "C", en una PC, al llevarlo a una RS/6000 con UNIX, y lo mismo si después lo llevo a una Macintosh, siempre y cuando esté bien hecho y siga los estándares de "C", y los principios de la programación estructurada. En cambio, si escribimos el programa en Ensamblador de la PC, por bien que lo desarrollemos y muchos estándares que sigamos, tendremos prácticamente que reescribir el 100 % del código al llevarlo a UNIX, y otra vez lo mismo al llevarlo a Mac.

    Desventajas

Velocidad

El proceso de traducción que realizan los intérpretes, implica un proceso de cómputo adicional al que el programador quiere realizar. Por ello, nos encontraremos con que un intérprete es siempre más lento que realizar la misma acción en Lenguaje Ensamblador, simplemente porque tiene el costo adicional de estar traduciendo el programa, cada vez que lo ejecutamos.

De ahí nacieron los compiladores, que son mucho más rápidos que los intérpretes, pues hacen la traducción una vez y dejan el código objeto, que ya es Lenguaje de Máquina, y se puede ejecutar muy rápidamente. Aunque el proceso de traducción es más complejo y costoso que el de ensamblar un programa, normalmente podemos despreciarlo, contra las ventajas de codificar el programa más rápidamente.

Tamaño

Por las mismas razones que vimos en el aspecto de velocidad, los compiladores e intérpretes generan más código máquina del necesario; por ello, el programa ejecutable crece. Así, cuando es importante reducir el tamaño del ejecutable, mejorando el uso de la memoria y teniendo también beneficios en velocidad, puede convenir usar el lenguaje Ensamblador. Entre los programas que es crítico el uso mínimo de memoria, tenemos a los virus y manejadores de dispositivos (drivers). Muchos de ellos, por supuesto, están escritos en lenguaje Ensamblador.

Flexibilidad

Las razones anteriores son cuestión de grado: podemos hacer las cosas en otro lenguaje, pero queremos hacerlas más eficientemente. Pero todos los lenguajes de alto nivel tienen limitantes en el control; al hacer abstracciones, limitan su propia capacidad. Es decir, existen tareas que la máquina puede hacer, pero que un lenguaje de alto nivel no permite. Por ejemplo, en Visual Basic no es posible cambiar la resolución del monitor a medio programa; es una limitante, impuesta por la abstracción del GUI Windows. En cambio, en ensamblador es sumamente sencillo, pues tenemos el acceso directo al hardware del monitor.

    Instrucciones-Registros

La mayoría de las CPU tienen más o menos los mismos grupos de instrucciones, aunque no necesariamente tienen todas las instrucciones de cada grupo. Las operaciones que se pueden realizar varían de una CPU a otra. Una CPU particular puede tener instrucciones que no tenga otro y viceversa. Los primeros microprocesadores de 8 bits no tenían operaciones para multiplicar o dividir números, por ejemplo, y había que hacer subrutinas para realizar esas operaciones. Otras CPU puede que no tengan operaciones de punto flotante y habría que hacer o conseguir bibliotecas que realicen esas operaciones.

Las instrucciones de la CPU pueden agruparse, de acuerdo a su funcionalidad, en:

Operaciones con enteros: (de 8, 16, 32 y 64 bits dependiendo de la arquitectura de la CPU, en los sistemas muy viejos también de 12, 18, 24, 36 y 48 bits)

Estas son operaciones realizadas por la Unidad aritmético lógica de la CPU

·  Operaciones aritméticas. Como suma, resta, multiplicación, división, módulo, cambio de signo

·  Operaciones booleanas. Operaciones lógicas bit a bit como AND, OR, XOR, NOT

·  Operaciones de bits. Como desplazamiento o shift lógico y rotaciones u Operadores a nivel de bits (hacia la derecha o hacia la izquierda, a través del bit del acarreo o sin él)

·  Comparaciones

Operaciones de mover datos:

Entre los registros y la memoria:

Aunque la instrucción se llama "mover", en la CPU, "mover datos" significa en realidad copiar datos, desde un origen a un destino, sin que el dato desaparezca del origen.

Se pueden mover valores:

·  Desde un registro a otro

·  Desde un registro a un lugar de la memoria

·  Desde un lugar de la memoria a un registro

·  Desde un lugar a otro de la memoria

·  Un valor inmediato a un registro

·  Un valor inmediato a un lugar de memoria

Operaciones de pila (stack, en inglés):

·  PUSH (escribe datos hacia el tope de la pila)

·  POP (lee datos desde el tope de la pila)

Operaciones de entrada/salida:

Son operaciones que mueven datos de un registro, desde y hacia un puerto; o de la memoria, desde y hacia un puerto

·  INPUT Lectura desde un puerto de entrada

·  OUTPUT Escritura hacia un puerto de salida

Operaciones para el control del flujo del programa:

·  Llamadas y retornos de subrutinas

·  Llamadas y retornos de interrupciones

·  Saltos condicionales de acuerdo al resultado de la comparaciones

·  Saltos incondicionales

Operaciones con números reales:

El estándar para las operaciones con números reales en las CPU está definido por el IEEE 754.

Una CPU puede tener operaciones de punto flotante con números reales mediante el coprocesador numérico (si lo hay), como las siguientes:

·  Operaciones aritméticas. Suma, resta, multiplicación, división, cambio de signo, valor absoluto, parte entera

·  Operaciones trascendentales

·   Operaciones trigonométricas. Seno, coseno, tangente, arcotangente

·   Operaciones con logaritmos, potencias y raíces

·  Otras

El lenguaje ensamblador tiene mnemónicos para cada una de las instrucciones de la CPU en adición a otros mnemónicos a ser procesados por el programa ensamblador (como por ejemplo macros y otras sentencias en tiempo de ensamblado).

      Ejemplos

Ejemplo para la arquitectura x86

El siguiente es un ejemplo del programa clásico Hola mundo escrito para la arquitectura de procesador x86 (bajo el sistema operativo DOS).

Ejemplo para el computador virtual (POCA)

Una selección de instrucciones para una computadora virtual21 con las correspondientes direcciones de memoria en las que se ubicarán las instrucciones. Estas direcciones NO son estáticas. Cada instrucción se acompaña del código en lenguaje ensamblador generado (código objeto) que coincide con la arquitectura de computador virtual, o conjunto de instrucciones ISA.

Ejemplo para el µC Intel 8051

Código en lenguaje ensamblador para µC Intel 80C51:

Ejemplo para el Microchip PIC16F84

Código en lenguaje ensamblador para el microcontrolador 16F84 de Microchip:

 

 

 

  

2.    Resumen

Este lenguaje proporciona las herramientas para tomar control sobre todo lo que la computadora realiza físicamente.

Una de sus ventajas en Proporcionar un control absoluto sobre la PC. Los programas en ensamblador son rápidos y compactos.

Y una de sus desventajas es una instrucción mal interpretada o un error de lógica se vuele más compleja.

El lenguaje ensamblador es un tipo de lenguaje de bajo nivel utilizado para escribir programas informáticos, y constituye la representación más directa del código máquina específico para cada arquitectura de computadoras legible por un programador.

El lenguaje ensamblador generalmente suelen aplicarse a microprocesadores y para la Creación de programas sencillos.

La unidad de manejo de memoria o unidad de gestión de memoria (de sus siglas en inglés: Memory Management Unit) es un dispositivo de Hardware formado por un grupo de circuitos integrados, responsable del manejo de los accesos a la memoria por parte de la Unidad de Procesamiento Central (CPU).

Cuando la CPU intenta acceder a una dirección de memoria virtual, la MMU realiza una búsqueda en una memoria caché especial llamada Buffer de Traducción Adelantada (TLB, Translation Lookaside Buffer), que mantiene una parte de la tabla de páginas usadas hace menos tiempo.

3.    Summary

This language provides the tools to take control over everything that computer physically performed. One of its advantages in providing complete control over the PC. Assembler programs are fast and compact. And one of its drawbacks is a misunderstood instruction or a logic error will fly more complex. Assembly language is a type of low-level language used to write computer programs, and is the most direct representation of specific machine code for each computer architecture readable by a programmer. Assembly language usually applied generally to microprocessors and to Creating simple programs. The unit memory management or memory management unit (its acronym: Memory Management Unit) is a hardware device consists of a group of integrated circuits, responsible for the management of memory accesses by the Unit Central Processing (CPU). When the CPU tries to access a virtual memory address, the MMU performs a search in a special cache called Translation Adelantada Buffer (TLB, Translation Lookaside Buffer), which maintains a portion of the page table used less time.

4.    Recomendaciones

·         Tener conocimientos básicos de programación (bucles, condiciones, etc.)

·         Disponer de tiempo, es un lenguaje que no se aprende rápido y cuesta adaptarse a él.

·         Para entender más en profundidad el lenguaje, se deberían tener conocimientos sobre la arquitectura de una CPU (registros, pila, etc)

·         Un ordenador con Linux instalado.

5.    Conclusiones

El lenguaje Ensamblador es un lenguaje en desuso y no permite la pórtabilidad del código, muchos se preguntarán para qué nos sirve aprenderlo.

La respuesta corta, podría ser que la utilidad es relativamente nula, no vais a encontrar trabajo por conocer este lenguaje, ni vais a programar día a día con él y puede que después de aprenderlo, se te olvide gran parte de su sintaxis. Ahora bien, al ser un lenguaje de bajo nivel, os va a ayudar a mejorar bastante en la creación de algoritmos y optimización del código. Esto es una cosa, que según vayaís progresando con el curso, lo vaís a notar, debido a que al tener que trabajar a bajo nivel, necesitaís escribir muchas líneas para hacer operaciones muy simples. Esto obliga al programador, a dedicar gran parte del tiempo, a optimizar el algoritmo para no dedicar muchas horas a escribir líneas.

6.    Apreciación del Equipo

El lenguaje ensamblador posee una cierta dificultad de ser entendido pero tiene una gran importancia ya que trabaja directamente con el microprocesador; por lo cual se debe de conocer el funcionamiento interno de este, tiene la ventaja de que en él se puede realizar cualquier tipo de programas que en los lenguajes de alto nivel no lo pueden realizar.

7.    Glosario de Términos

MNEMÓNICO: es una palabra que sustituye a un código de operación (lenguaje de máquina).

FLEXIBILIDAD: Capacidad para adaptarse con facilidad a las diversas circunstancias o para acomodar las normas a las distintas situaciones o necesidades.

UNIX :(registrado oficialmente como UNIX®) es un sistema operativo portable, multitarea y multiusuario; desarrollado, en principio, en 1969.

MACINTOSH abreviado como Mac, es la línea de computadoras personales diseñada, desarrollada y comercializada por Apple Inc.

GUI: es un programa informático que actúa de interfaz de usuario.

STACK: es una palabra inglesa, que significa pila de cosas o apilamiento, y que se emplea en español en ciertos ámbitos para referirse a: Pila (informática).

ISA: (en español: Arquitectura Estándar de la Industria), es una arquitectura de bus creada en 1980 por IBM, en Boca Ratón (Florida), para ser empleado en las computadoras IBM PC.

8.    Bibliografía o Linkografia

Ø  https://es.wikipedia.org/wiki/Lenguaje_ensamblador

Ø  http://www.monografias.com/trabajos14/lenguaje-ensamblador/lenguaje-ensamblador.shtml

Ø  http://www.unioviedo.es/ate/alberto/TEMA3-Ensamblador.pdf

Ø  http://www.taringa.net/post/hazlo-tu-mismo/14201465/Lenguaje-Ensamblador-Lo-basico-con-ejemplos.html

LINK DE DESCAGA SLIDESHARE:  Lenguaje Assembler

MICROCONTROLADOR

1.    CONTENIDO

· Definición

Un microcontrolador (abreviado μC, UC o MCU) es un circuito integrado programable, capaz de ejecutar las órdenes grabadas en su memoria. Está compuesto de varios bloques funcionales, los cuales cumplen una tarea específica. Un microcontrolador incluye en su interior las tres principales unidades funcionales de una computadora: unidad central de procesamiento, memoria y periféricos de entrada/salida.

Algunos microcontroladores pueden utilizar palabras de cuatro bits y funcionan a velocidad de reloj con frecuencias tan bajas como 4 kHz, con un consumo de baja potencia (mW o microvatios). Por lo general, tendrá la capacidad de mantenerse a la espera de un evento como pulsar un botón o de otra interrupción; así, el consumo de energía durante el estado de reposo (reloj de la CPU y los periféricos de la mayoría) puede ser sólo de nanovatios, lo que hace que muchos de ellos sean muy adecuados para aplicaciones con batería de larga duración. Otros microcontroladores pueden servir para roles de rendimiento crítico, donde sea necesario actuar más como un procesador digital de señal (DSP), con velocidades de reloj y consumo de energía más altos.

Cuando es fabricado el microcontrolador, no contiene datos en la memoria ROM. Para que pueda controlar algún proceso es necesario generar o crear y luego grabar en la  EEPROM o equivalente del microcontrolador algún programa, el cual puede ser escrito en lenguaje ensamblador u otro lenguaje para microcontroladores; sin embargo, para que el programa pueda ser grabado en la memoria del microcontrolador, debe ser codificado en sistema numérico hexadecimal que es finalmente el sistema que hace trabajar al microcontrolador cuando éste es alimentado con el voltaje adecuado y asociado a dispositivos analógicos y discretos para su funcionamiento.

· Características

Los microcontroladores están diseñados para reducir el costo económico y el consumo de energía de un sistema en particular. Por eso el tamaño de la unidad central de procesamiento, la cantidad de memoria y los periféricos incluidos dependerán de la aplicación. El control de un electrodoméstico sencillo como una batidora utilizará un procesador muy pequeño (4 u 8 bits) porque sustituirá a un autómata finito. En cambio, un reproductor de música y/o vídeo digital (MP3 o MP4) requerirá de un procesador de 32 bits o de 64 bits y de uno o más códecs de señal digital (audio y/o vídeo). El control de un sistema de frenos ABS (Antilock Brake System) se basa normalmente en un microcontrolador de 16 bits, al igual que el sistema de control electrónico del motor en un automóvil.

Los microcontroladores representan la inmensa mayoría de los chips de computadoras vendidos, sobre un 50% son controladores "simples" y el restante corresponde a DSP más especializados. Mientras se pueden tener uno o dos microprocesadores de propósito general en casa (Ud. está usando uno para esto), usted tiene distribuidos seguramente entre los electrodomésticos de su hogar una o dos docenas de microcontroladores. Pueden encontrarse en casi cualquier dispositivo electrónico como automóviles, lavadoras, hornos microondas, teléfonos, etc.

Un microcontrolador difiere de una unidad central de procesamiento normal, debido a que es más fácil convertirla en una computadora en funcionamiento, con un mínimo de circuitos integrados externos de apoyo. La idea es que el circuito integrado se coloque en el dispositivo, enganchado a la fuente de energía y de información que necesite, y eso es todo. Un microprocesador tradicional no le permitirá hacer esto, ya que espera que todas estas tareas sean manejadas por otros chips. Hay que agregarle los módulos de entrada y salida (puertos) y la memoria para almacenamiento de información.

Un microcontrolador típico tendrá un generador de reloj integrado y una pequeña cantidad de memoria de acceso aleatorio y/o ROM/EPROM/EEPROM/flash, con lo que para hacerlo funcionar todo lo que se necesita son unos pocos programas de control y un cristal de sincronización. Los microcontroladores disponen generalmente también de una gran variedad de dispositivos de entrada/salida, como convertidor analógico digital, temporizadores, UARTs y buses de interfaz serie especializados, como I2C y CAN. Frecuentemente, estos dispositivos integrados pueden ser controlados por instrucciones de procesadores especializados. Los modernos microcontroladores frecuentemente incluyen un lenguaje de programación integrado, como el lenguaje de programación BASIC que se utiliza bastante con este propósito.

Los microcontroladores negocian la velocidad y la flexibilidad para facilitar su uso. Debido a que se utiliza bastante sitio en el chip para incluir funcionalidad, como los dispositivos de entrada/salida o la memoria que incluye el microcontrolador, se ha de prescindir de cualquier otra circuitería.

· Arquitecturas

  Arquitectura Von Neumann

  

Utiliza el mismo dispositivo de almacenamiento tanto para las instrucciones como para los datos, siendo la que se utiliza en un ordenador personal porque permite ahorrar una buena cantidad de líneas de E/S, que son bastante costosas, sobre todo para aquellos sistemas donde el procesador se monta en algún tipo de zócalo alojado en una placa madre. También esta organización les ahorra a los diseñadores de placas madre una buena cantidad de problemas y reduce el costo de este tipo de sistemas.

En un ordenador personal, cuando se carga un programa en memoria, a éste se le asigna un espacio de direcciones de la memoria que se divide en segmentos, de los cuales típicamente tenderemos los siguientes: código (programa), datos y pila. Es por ello que podemos hablar de la memoria como un todo, aunque existan distintos dispositivos físicos en el sistema (disco duro, memoria RAM, memoria flash, unidad de disco óptico...).

En el caso de los microcontroladores, existen dos tipos de memoria bien definidas: memoria de datos (típicamente algún tipo de SRAM) y memoria de programas (ROM, PROM, EEPROM, flash u de otro tipo no volátil). En este caso la organización es distinta a las del ordenador personal, porque hay circuitos distintos para cada memoria y normalmente no se utilizan los registros de segmentos, sino que la memoria está segregada y el acceso a cada tipo de memoria depende de las instrucciones del procesador.

A pesar de que en los sistemas integrados con arquitectura Von Neumann la memoria esté segregada, y existan diferencias con respecto a la definición tradicional de esta arquitectura; los buses para acceder a ambos tipos de memoria son los mismos, del procesador solamente salen el bus de datos, el de direcciones, y el de control. Como conclusión, la arquitectura no ha sido alterada, porque la forma en que se conecta la memoria al procesador sigue el mismo principio definido en la arquitectura básica.

Algunas familias de microcontroladores como la Intel 8051 y la Z80 implementan este tipo de arquitectura, fundamentalmente porque era la utilizada cuando aparecieron los primeros microcontroladores.

 Arquitectura Harvard

  

La otra variante es la arquitectura Harvard, y por excelencia la utilizada en supercomputadoras, en los microcontroladores, y sistemas integrados en general. En este caso, además de la memoria, el procesador tiene los buses segregados, de modo que cada tipo de memoria tiene un bus de datos, uno de direcciones y uno de control.

La ventaja fundamental de esta arquitectura es que permite adecuar el tamaño de los buses a las características de cada tipo de memoria; además, el procesador puede acceder a cada una de ellas de forma simultánea, lo que se traduce en un aumento significativo de la velocidad de procesamiento. Típicamente los sistemas con esta arquitectura pueden ser dos veces más rápidos que sistemas similares con arquitectura Von Neumann.

La desventaja está en que consume muchas líneas de E/S del procesador; por lo que en sistemas donde el procesador está ubicado en su propio encapsulado, solo se utiliza en supercomputadoras. Sin embargo, en los microcontroladores y otros sistemas integrados, donde usualmente la memoria de datos y programas comparten el mismo encapsulado que el procesador, este inconveniente deja de ser un problema serio y es por ello que encontramos la arquitectura Harvard en la mayoría de los microcontroladores.

Por eso es importante recordar que un microcontrolador se puede configurar de diferentes maneras, siempre y cuando se respete el tamaño de memoria que este requiera para su correcto funcionamiento.

· Elementos

      

Registros

Son un espacio de memoria muy reducido pero necesario para cualquier microprocesador, de aquí se toman los datos para varias operaciones que debe realizar el resto de los circuitos del procesador. Los registros sirven para almacenar los resultados de la ejecución de instrucciones, cargar datos desde la memoria externa o almacenarlos en ella.

Aunque la importancia de los registros parezca trivial, no lo es en absoluto. De hecho una parte de los registros, la destinada a los datos, es la que determina uno de los parámetros más importantes de cualquier microprocesador. Cuando escuchamos que un procesador es de 4, 8, 16, 32 o 64 bits, nos estamos refiriendo a procesadores que realizan sus operaciones con registros de datos de ese tamaño, y por supuesto, esto determina muchas de las potencialidades de estas máquinas.

Mientras mayor sea el número de bits de los registros de datos del procesador, mayores serán sus prestaciones, en cuanto a poder de cómputo y velocidad de ejecución, ya que este parámetro determina la potencia que se puede incorporar al resto de los componentes del sistema, por ejemplo, no tiene sentido tener una ALU de 16 bits en un procesador de 8 bits.

Unidad de control

Esta unidad es de las más importantes en el procesador, en ella recae la lógica necesaria para la decodificación y ejecución de las instrucciones, el control de los registros, la ALU, los buses y cuanta cosa más se quiera meter en el procesador.

La unidad de control es uno de los elementos fundamentales que determinan las prestaciones del procesador, ya que su tipo y estructura determina parámetros tales como el tipo de conjunto de instrucciones, velocidad de ejecución, tiempo del ciclo de máquina, tipo de buses que puede tener el sistema, manejo de interrupciones y un buen número de cosas más que en cualquier procesador van a parar a este bloque.

Unidad aritmético-lógica (ALU)

Como los procesadores son circuitos que hacen básicamente operaciones lógicas y matemáticas, se le dedica a este proceso una unidad completa, con cierta independencia. Aquí es donde se realizan las sumas, restas, y operaciones lógicas típicas del álgebra de Boole.

Actualmente este tipo de unidades ha evolucionado mucho y los procesadores más modernos tienen varias ALU, especializadas en la realización de operaciones complejas como las operaciones en coma flotante. De hecho en muchos casos le han cambiado su nombre por el de “coprocesador matemático”, aunque este es un término que surgió para dar nombre a un tipo especial de procesador que se conecta directamente al procesador más tradicional.

Buses

Son el medio de comunicación que utilizan los diferentes componentes del procesador para intercambiar información entre sí, eventualmente los buses o una parte de ellos estarán reflejados en los pines del encapsulado del procesador.

En el caso de los microcontroladores, no es común que los buses estén reflejados en el encapsulado del circuito, ya que estos se destinan básicamente a las E/S de propósito general y periféricos del sistema.

Existen tres tipos de buses:

•   Dirección: Se utiliza para seleccionar al dispositivo con el cual se quiere trabajar o en el caso de las memorias, seleccionar el dato que se desea leer o escribir.

•   Datos: Se utiliza para mover los datos entre los dispositivos de hardware (entrada y salida).

•   Control: Se utiliza para gestionar los distintos procesos de escritura lectura y controlar la operación de los dispositivos del sistema.

Conjunto de instrucciones

Aunque no aparezca en el esquema, no podíamos dejar al conjunto o repertorio de instrucciones fuera de la explicación, porque este elemento determina lo que puede hacer el procesador.

Define las operaciones básicas que puede realizar el procesador, que conjugadas y organizadas forman lo que conocemos como software. El conjunto de instrucciones vienen siendo como las letras del alfabeto, el elemento básico del lenguaje, que organizadas adecuadamente permiten escribir palabras, oraciones y cuanto programa se le ocurra.

Existen dos tipos básicos de repertorios de instrucciones, que determinan la arquitectura del procesador: CISC y RISC.

· Memorias

En los microcontroladores la memoria de instrucciones y datos está integrada en el propio chip. Una parte debe ser no volátil, tipo ROM, y se destina a contener el programa de instrucciones que gobierna la aplicación. Otra parte de memoria será tipo RAM, volátil, y se destina a guardar las variables y los datos.

Hay dos peculiaridades que diferencian a los microcontroladores de los computadores personales:

No existen sistemas de almacenamiento masivo como disco duro o disquetes.

Como el microcontrolador sólo se destina a una tarea en la memoria ROM, sólo hay que almacenar un único programa de trabajo.

La RAM en estos dispositivos es de poca capacidad pues sólo debe contener las variables y los cambios de información que se produzcan en el transcurso del programa. Por otra parte, como sólo existe un programa activo, no se requiere guardar una copia del mismo en la RAM pues se ejecuta directamente desde la ROM.

Los usuarios de computadores personales están habituados a manejar Megabytes de memoria, pero, los diseñadores con microcontroladores trabajan con capacidades de ROM comprendidas entre 512 bytes y 8 k bytes y de RAM comprendidas entre 20 y 512 bytes.

Según el tipo de memoria ROM que dispongan los microcontroladores, la aplicación y utilización de los mismos es diferente. Se describen las cinco versiones de memoria no volátil que se pueden encontrar en los microcontroladores del mercado.

1º. ROM con máscara

Es una memoria no volátil de sólo lectura cuyo contenido se graba durante la fabricación del chip. El elevado coste del diseño de la máscara sólo hace aconsejable el empleo de los microcontroladores con este tipo de memoria cuando se precisan cantidades superiores a varios miles de unidades.

2ª. OTP

El microcontrolador contiene una memoria no volátil de sólo lectura "programable una sola vez" por el usuario. OTP (One Time Programmable). Es el usuario quien puede escribir el programa en el chip mediante un sencillo grabador controlado por un programa desde un PC.

La versión OTP es recomendable cuando es muy corto el ciclo de diseño del producto, o bien, en la construcción de prototipos y series muy pequeñas.

Tanto en este tipo de memoria como en la EPROM, se suele usar la encriptación mediante fusibles para proteger el código contenido.

3ª EPROM

Los microcontroladores que disponen de memoria EPROM (Erasable Programmable Read OnIy Memory) pueden borrarse y grabarse muchas veces. La grabación se realiza, como en el caso de los OTP, con un grabador gobernado desde un PC. Si, posteriormente, se desea borrar el contenido, disponen de una ventana de cristal en su superficie por la que se somete a la EPROM a rayos ultravioleta durante varios minutos. Las cápsulas son de material cerámico y son más caros que los microcontroladores con memoria OTP que están hechos con material plástico.

4ª EEPROM

Se trata de memorias de sólo lectura, programables y borrables eléctricamente EEPROM (Electrical Erasable Programmable Read OnIy Memory). Tanto la programación como el borrado, se realizan eléctricamente desde el propio grabador y bajo el control programado de un PC. Es muy cómoda y rápida la operación de grabado y la de borrado. No disponen de ventana de cristal en la superficie.

Los microcontroladores dotados de memoria EEPROM una vez instalados en el circuito, pueden grabarse y borrarse cuantas veces se quiera sin ser retirados de dicho circuito. Para ello se usan "grabadores en circuito" que confieren una gran flexibilidad y rapidez a la hora de realizar modificaciones en el programa de trabajo.

El número de veces que puede grabarse y borrarse una memoria EEPROM es finito, por lo que no es recomendable una reprogramación continua.

5ª FLASH

Se trata de una memoria no volátil, de bajo consumo, que se puede escribir y borrar. Funciona como una ROM y una RAM pero consume menos y es más pequeña.

A diferencia de la ROM, la memoria FLASH es programable en el circuito. Es más rápida y de mayor densidad que la EEPROM.

La alternativa FLASH está recomendada frente a la EEPROM cuando se precisa gran cantidad de memoria de programa no volátil. Es más veloz y tolera más ciclos de escritura/borrado.

· Interrupciones

Las interrupciones son esencialmente llamadas a subrutina generadas por los dispositivos físicos, al contrario de las subrutinas normales de un programa en ejecución. Como el salto de subrutina no es parte del hilo o secuencia de ejecución programada, el controlador guarda el estado del procesador en la pila de memoria y entra a ejecutar un código especial llamado "manejador de interrupciones" que atiende al periférico específico que generó la interrupción. Al terminar la rutina, una instrucción especial le indica al procesador el fin de la atención de la interrupción. En ese momento el controlador restablece el estado anterior, y el programa que se estaba ejecutando antes de la interrupción sigue como si nada hubiese pasado. Las rutinas de atención de interrupciones deben ser lo más breves posibles para que el rendimiento del sistema sea satisfactorio, porque normalmente cuando una interrupción es atendida, todas las demás interrupciones están en espera.

Los procesos de atención a interrupciones tienen la ventaja de que se implementan por hardware ubicado en el procesador, así que es un método rápido de hacer que el procesador se dedique a ejecutar un programa especial para atender eventos que no pueden esperar por mecanismos lentos como el de encuesta.

En términos generales, un proceso de interrupción y su atención por parte del procesador, tiene la siguiente secuencia de acciones:

1.  En el mundo real se produce el evento para el cual queremos que el procesador ejecute un programa especial, este proceso tiene la característica de que no puede esperar mucho tiempo antes de ser atendido o no sabemos en qué momento debe ser atendido.

2.  El circuito encargado de detectar la ocurrencia del evento se activa, y como consecuencia, activa la entrada de interrupción del procesador.

3.  La unidad de control detecta que se ha producido una interrupción y “levanta” una bandera para registrar esta situación; de esta forma si las condiciones que provocaron el evento desaparecen y el circuito encargado de detectarlo desactiva la entrada de interrupción del procesador, ésta se producirá de cualquier modo, porque ha sido registrada.

4.  La unidad de ejecución termina con la instrucción en curso y justo antes de comenzar a ejecutar la siguiente comprueba que se ha registrado una interrupción

5.  Se desencadena un proceso que permite guardar el estado actual del programa en ejecución y saltar a una dirección especial de memoria de programas, donde está la primera instrucción de la subrutina de atención a interrupción.

6.  Se ejecuta el código de atención a interrupción, esta es la parte “consciente” de todo el proceso porque es donde se realizan las acciones propias de la atención a la interrupción y el programador juega su papel.

7.  Cuando en la subrutina de atención a interrupción se ejecuta la instrucción de retorno, se desencadena el proceso de restauración del procesador al estado en que estaba antes de la atención a la interrupción.

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2.    

RESUMEN

Un microcontrolador es un circuito integrado programable que incluye todos los componentes de un computador y el cual se emplea para controlar el funcionamiento de una tarea determinada y debido a su reducido tamaño, suele ir incorporado en el propio dispositivo que gobierna (es un controlador incrustado).   Los PIC controlan los teclados y ratones de las computadoras, los teléfonos, los hornos de microondas, los televisores, etc., de ahí que su extensa área de aplicación amerita que se aprenda a programar los mismos, objetivo fundamental de este curso.

3.    SUMMARY
A microcontroller is a programmable integrated circuit that includes all components of a computer and which is used to control the operation of a particular task and because of its small size, is usually built into the device itself that governs (is an embedded controller) . The PIC control keyboards and computer mice, telephones, microwave ovens, televisions, etc., hence its wide application area that warrants learn to program the same fundamental goal of this course.

4.    RECOMENDACIONES

v  Crear una lista de todas las interfaces externas que el microcontrolador tendrá que soportar.

v  Pensar en los requisitos de potencia de procesamiento que necesitará nuestro microcontrolador.

v  Seleccionar la arquitectura con la cual va a trabajar el microcontrolador.

v  A la hora de seleccionar un microcontrolador tener en cuenta  la cantidad de memoria programada (OTP o Flash) y la cantidad de RAM disponible.

5.    CONCLUSIONES

El microcontrolador es uno de los logros más sobresalientes del siglo XX. Hace un cuarto de siglo tal afirmación habría parecido absurda. Pero cada año, el microcontrolador se acerca más al centro de nuestras vidas, forjándose un sitio en el núcleo de una máquina tras otra. Su presencia ha comenzado a cambiar la forma en que percibimos el mundo e incluso a nosotros mismos. Cada vez se hace más difícil pasar por alto el microcontrolador como otro simple producto en una larga línea de innovaciones tecnológicas.

6.    APRECIACION DEL EQUIPO

Hoy en la actualidad los microcontroladores son muy utilizados en el aspecto tecnológico ya que ayudar a monitorear, circuiteria de control, para hacer pequeñas computadoras para robots y sistemas de adquisición de datos. Y son de tan bajo consumo de energía que se usan para monitorear signos vitales dentro del cuerpo.

7.    GLOSARIO DE TÉRMINOS

Kilohertz(KHz):El Kilohercio un kilohercio, o el Kilohercio, es una medida de frecuencia igual a 1,000 hercios.

CPU: Unidad central de proceso.

DSP: Procesador digital de señales.

ABS: Sistema que impide el bloqueo de las ruedas de un vehículo automóvil en una maniobra de frenado brusco.

ALU: Unidad aritmética lógica o unidad aritmético-lógica.

VOLÁTIL: Que cambia o varía con facilidad y de forma poco previsible.

8.    BIBLIOGRAFÍA O LINKOGRAFÍA

v  https://es.wikipedia.org/wiki/Microcontrolador

v  http://learn.mikroe.com/ebooks/microcontroladorespicc/chapter/introduccion-al-mundo-de-los-microcontroladores/

LINK DE DESCAGA SLIDESHARE:  Microcontrolador