Download Tema 15 Procesadores digitales Parte 2B

Escuelas Técnicas de Ingenieros
Universidad de Vigo
Departamento de Tecnología Electrónica
Electrónica Digital: Procesadores digitales
ELECTRÓNICA DIGITAL
Tema 15
PROCESADORES DIGITALES (PARTE 2B)
Arquitecturas Harvard y Von Neumann. Tipos de
procesadores digitales
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Departamento de Tecnología Electrónica
Electrónica Digital: Procesadores digitales
PROCESADORES DIGITALES SECUENCIALES
SÍNCRONOS PROGRAMABLES
AUTÓMATAS PROGRAMABLES
1969
Procesadores digitales secuenciales síncronos programables
especializados en la ejecución de ecuaciones lógicas mediante
una secuencia de operaciones lógicas realizadas por una
unidad operativa, que era simplemente una unidad lógica
capaz de realizar las funciones Y y O de dos variables y la
inversión.
Se les denominó autómatas programables y se les conoce
también, sobre todo en Estados Unidos como PLC
(acrónimo de Programmable Logic Controller)
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Electrónica Digital: Procesadores digitales
PROCESADORES DIGITALES SECUENCIALES
SÍNCRONOS PROGRAMABLES
AUTÓMATAS PROGRAMABLES
A PARTIR DE 1975
Computadores cuya organización (elementos de entrada y
salida, forma constructiva, etc.) y cuya arquitectura
(lenguajes de programación, tipos de datos, etc.) están
especialmente orientados a la implementación de sistemas
electrónicos de control industrial”
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PROCESADORES DIGITALES SECUENCIALES
SÍNCRONOS PROGRAMABLES
A sistemas externos
AUTÓMATAS PROGRAMABLES
MEMORIA DE PROGRAMA
MEMORIA
MEMORIA
MEMORIA
PROCESADORES
PROGRAMA
PROGRAMA
DE DATOS Y
DE
EJECUTIVO
DE CONTROL
ESTADOS E/S
COMUNICACIONES
MICROPROCESADOR
UNIDAD DE
UNIDAD DE
UNIDAD
UNIDAD
SALIDA DIGITAL
ENTRADA DIGITAL
DE E/S
DE E/S
PARALELO
PARALELO
ANALÓGICAS
ESPECIALES
Diagrama de bloques típico de un autómata programable
realizado con un microprocesador
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PROCESADORES DIGITALES SECUENCIALES
SÍNCRONOS PROGRAMABLES
AUTÓMATAS PROGRAMABLES
Familia de autómatas
programables
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PROCESADORES DIGITALES SECUENCIALES
SÍNCRONOS PROGRAMABLES
AUTÓMATAS PROGRAMABLES
Unidad Central de un autómata
programable totalmente modular
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PROCESADORES DIGITALES SECUENCIALES
SÍNCRONOS PROGRAMABLES
AUTÓMATAS PROGRAMABLES
Autómata programable
con módulos de
entrada/salida
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PROCESADORES DIGITALES SECUENCIALES
SÍNCRONOS PROGRAMABLES
AUTÓMATAS PROGRAMABLES
INTERFAZ MÁQUINA-USUARIO
UNIDAD
Al Autómata
Programable
DE
INTERFAZ
CONTROLADOR
PANTALLA
DE PANTALLA
TÁCTIL
Diagrama de bloques de un panel táctil
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PROCESADORES DIGITALES SECUENCIALES
SÍNCRONOS PROGRAMABLES
AUTÓMATAS PROGRAMABLES
INTERFAZ MÁQUINA-USUARIO
Fotografía de un panel táctil [ Touch Panel (TP)]
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Electrónica Digital: Procesadores digitales
PROCESADORES DIGITALES SECUENCIALES
SÍNCRONOS PROGRAMABLES
PROCESADORES DIGITALES DE SEÑALES
(DIGITAL SIGNAL PROCESSORS) [DSP]
El nombre de procesadores digitales de señales se acuñó
cuando diversos fabricantes de circuitos digitales, como
por ejemplo Texas Instruments y Motorola, fueron capaces de
integrar en un único circuito integrado una unidad de control de
arquitectura Harvard con una unidad operativa que posee una
memoria de acceso aleatorio doble en lectura y escritura
simultánea en una de ellas. Se trata por tanto de una denominación
comercial.
Se realizaron en la década de 1970 en circuitos integrados distintos
bajo otra denominación comercial como es la de procesadores
expansibles (Bit-slice processors).
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PROCESADORES DIGITALES SECUENCIALES
SÍNCRONOS PROGRAMABLES
PROCESADORES DIGITALES DE SEÑALES
PRINCIPALES CARACTERÍSTICAS
• Arquitectura Harvard en la unidad de control, que facilita la
implementación de procesadores más rápidos que los de
arquitectura Von Neumann.
• Unidad aritmética orientada a la ejecución de sumas de
multiplicaciones que es una de las operaciones típicas de los
procesos de señales analógicas, como por ejemplo la transformada
rápida de Fourier.
• Unidades de memoria de datos de acceso múltiple que facilitan la
ejecución de una operación y la memorización del resultado en un
solo ciclo del generador de impulsos
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PROCESADORES DIGITALES SECUENCIALES
SÍNCRONOS PROGRAMABLES
CTR
M1
G
C2/1+
Variables de control E/S
UNIDAD OPERATIVA
Control de desplazamiento
Desinhibición de escritura
Desinhibición de entrada
R1
Entrada de acarreo
Variables de dirección
n
n
1,2D
MEMORIA
NO
Variables selección
modo operación
C1
Dirección de escritura-lectura
Dirección de lectura
n
n
G 1-M
VOLÁTIL
RAM
1A 2n0-1
2A 2n0-1
G3
C4
Salida de rebasamiento
Salida de acarreo
ALU
1D
m
M
4
R2
0
2m-1
0V
4
1A
Generador de impulsos
CO
CI
P
EN
C1
4
4
1A,3,4D
k
G
MUX
0
2k - 1
4
4
2A
1D
Q
0
1
Información
externa
4
1
∇
EN
Esquema de bloques básico de un procesador digital de señales (DSP)
de coma fija
DESPLAZADOR
UNIDAD DE CONTROL
Señales de control
PROCESADORES DIGITALES DE SEÑALES
4
∇
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PROCESADORES DIGITALES SECUENCIALES
SÍNCRONOS PROGRAMABLES
PROCESADORES DIGITALES DE SEÑALES
n
A
Π
G1
C2
P
2n-1
∑
n
B
Q
DESPLAZADOR
P
2n-1
2n-1
1,2D
2n-1
Q
Esquema de bloques del circuito multiplicador-acumulador (MAC)
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PROCESADORES DIGITALES SECUENCIALES
SÍNCRONOS PROGRAMABLES
PROCESADORES DIGITALES DE SEÑALES
n
A
Π
G1
C2
P
2n-1
∑
n
B
Q
DESPLAZADOR
P
2n-1
2n-1
1,2D
2n-1
Q
Esquema de bloques básico de la unidad operativa de un DSP
que posee un circuito MAC
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PROCESADORES DIGITALES SECUENCIALES
SÍNCRONOS PROGRAMABLES
PROCESADORES DIGITALES DE SEÑALES
BUS DE DATOS
BUS DE DIRECCIONES
PILA
4 x 12
MEMORIA
DE DATOS
1536 x 16
MUX
MUX
CONTADOR
Esquema de bloques
general del circuito
TMS 32010 que
pertenece a la primera
generación de DSP.
AR1
Registros
temporales
ALU
ACUMULADOR
PA0 – PA2
UNIDAD
DE CONTROL
HARVARD
D0 - D15
DESPLAZADOR
(0-15)
MUX
AR0
MEMORIA DE
INSTRUCCIONES
1536 x 16
DESPLAZADOR
MUX
MUX
A0 - A11
MULTIPLICADOR
16 x 16
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PROCESADORES DIGITALES SECUENCIALES
SÍNCRONOS PROGRAMABLES
PROCESADORES DIGITALES DE REPERTORIO DE
INSTRUCCIONES DE APLICACIÓN ESPECÍFICA
Se les conoce como ASIP (acrónimo de Application Specific
Instruction set Processor).
Facilitan la inclusión, en un único circuito integrado de aplicación
específica (ASIC), de uno o más procesadores cuyo repertorio de
instrucciones, y por lo tanto su sistema físico, los adapta el diseñador a
las características exigidas por la aplicación.
Para desarrollar sistemas con este tipo de procesadores se necesitan
herramientas especiales de diseño asistido por computador que son
comercializadas como productos propietarios (IP products) por
diversas empresas
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Electrónica Digital: Procesadores digitales
PROCESADORES DIGITALES SECUENCIALES
SÍNCRONOS PROGRAMABLES
PROCESADORES DIGITALES CONFIGURABLES
CONFIGURABILIDAD
Característica de los sistemas electrónicos digitales cuya función se puede
modificar utilizando solamente una parte de los elementos que los componen
y/o cambiando la interconexión entre ellos.
PROCESADOR DIGITAL CONFIGURABLE
Procesador digital cuyo sistema físico (Hardware) se puede modificar
cambiando las conexiones entre los elementos que lo forman mediante
señales eléctricas almacenadas en elementos de memoria.
Los más utilizados son los biestables, los antifusibles, y los transistores
MOS de puerta flotante
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Electrónica Digital: Procesadores digitales
PROCESADORES DIGITALES SECUENCIALES
SÍNCRONOS PROGRAMABLES
PROCESADORES DIGITALES CONFIGURABLES
• Definidos por el sistema físico (Hardware)
Procesadores
Digitales
Configurables
• De aplicación específica
• Definidos mediante una
herramienta de programación
• De juego de instrucciones fijo
• De juego de instrucciones flexible
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Electrónica Digital: Procesadores digitales
PROCESADORES DIGITALES SECUENCIALES
SÍNCRONOS PROGRAMABLES
PROCESADORES DIGITALES CONFIGURABLES
FPGA
FPGA
BL BL BL BL BL BL BL BL
CPU
BL BL BL BL BL BL BL BL
BL BL BL BL BL BL BL
BL BL BL BL BL BL BL BL
BL BL BL BL BL BL BL
BL BL BL BL BL BL BL
BL BL BL BL BL BL BL BL
RAM
BL BL BL BL BL BL BL BL
BL BL
CPU
BL BL
BL BL
RAM
BL BL
BL BL
INTERFAZ
BL BL
BL BL BL BL BL BL BL BL
BL BL BL BL BL BL BL BL
BL BL BL BL BL BL BL BL
INTERFAZ
BL BL BL BL BL BL BL BL
BL BL BL BL BL BL BL
BL BL BL BL BL BL BL
b)
a)
Procesador digital configurable definido por hardware:
a) Colocado entre los bloques lógicos configurables;
b) Separado de los bloques lógicos configurables
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SÍNCRONOS PROGRAMABLES
PROCESADORES DIGITALES CONFIGURABLES
FPGA
FPGA
BL BL BL BL BL BL BL BL BL BL
BL BL BL BL
RAM
BL BL BL BL BL BL BL BL BL BL
Proceso de
configuración
BL BL BL BL
CPU
BL BL BL BL BL BL BL BL BL BL
BL BL BL BL
INTERFAZ
BL BL BL BL BL BL BL BL BL BL
BL BL BL BL
BL BL BL BL BL BL BL BL BL BL
BL BL BL BL BL BL BL BL BL BL
BL BL BL BL BL BL BL BL BL BL
BL BL BL BL BL BL BL BL BL BL
BL BL BL BL BL BL BL BL BL BL
BL BL BL BL BL BL BL BL BL BL
BL BL BL BL BL BL BL BL BL BL
BL BL BL BL BL BL BL BL BL BL
Proceso de generación de un procesador digital configurable
definido mediante un programa (Software)