Arquitectura de Computadoras - Morris Mano

547 Pages·1980·33.04 MB·Spanish

Contenido
lr
PREFACIO v l
t
SISTEMASE INARIOS
't-'l
Computadoreds igiialesy sistemasd ¡gitales
t-z Númerosb inar ios 4
t-5 Conversioneesn tre númerosd e based ¡ferente
1-4 Númerosh exadecimaleys o ctales 9
-5 Comolementos I I
-6 Códigosb ¡nar¡os | 6
Almacenamientdoe binariosy regislros 23
I -8 Lógicab inaria 26
-q Circuitosintegrados3 l
Referencias3 3
Problemas 33
ALGEBRAD E BOOLEY COMPUERTASL OGICAS 36
Def¡ n¡cionelsó gicas 36
z-l
2-2 Definicióna xiomáticdae l álgebrab ooleana 38
2-3 Teoremasb ásicosy propiedadesd el álgebrad e
Boole 4l
2-4 Fun cionesb ooleanas 45
2-5 Formasc anónicay normalizada 49
2-6 Otraso per acionesló gicas 55
Compuertasló gi casd igitales 58
2-8 Familiasd e circuitosin tegradosló gicod igitales 62
Referencias 70
Problemas 7l
CONTENIDO
SIMPLIFICACION
DE FUNCIONESD E BOOLE
75
3-1 El métodod el mapa 75,
3-2 Mapas de dos y tres variables 7Sr/
3-3 Mapa de cuatrov ariables gO
X
3-4 Mapas de cincoy seisv ariablesx .g3
3-5 Simplificaciónd e un productod e sumasy , g6
3-6 Ejecuciónc on NAND y NOR Sg
3-7 Otrase jecucionesc on dos niveles g6
3-8 Condicionesd e NO im porta I 03
3-9 Ef métodod el tabulado I Os
333---11 1 201 OSDebelsteeecrrcvmiaóicnnidao ecn ielóoscnds o e pn rfciomluseyp reronimstei emsr po|ls i|ci smadpolisc a|d |o |s lOs
Referencias | | s
Problemas | | 6
LOGI CAC OMB INACIONAL
120
4-1 fntroducción | 20
4-2 Procedimiento
de diseño | 2l
4-3 Sumadores 123
4-4 Sustractores | 27
4-5 Conversióne ntre códigos l30
4-6 Procedimiento
de aná"isf is | 3g
444---87E CCiirrccuuiittoossNN OARN Dde d me um¡ut¡fnti¡nviávile t 4|4 36
Lasf uncioneso R excrusivay' de equivarencia r4g
Referencias I 54
Problemas I 54
LOGI CAC OMB INACIONALC ON MSI Y LSI
159
5-1 fn troducción I Sg
5-2 Sumador paralelob inario | 60
5-3 Sumadord ecimal | 66
5-4 Comparadord e magnitudes | 70
5-5 Decodificadores
| 7 |
5-6 Muftiplexores I gl
5-7 Memoria de solo lectura( ROM)
55--98 NArorteagsf coo lnócgliucyoep nrotegsr amable( pLA)181895
20l
Refer encias 202 I
Problemas 2O3
I
CONTENIDO v
LOGICAS ECUENCIAL 208
6-1 fn troducción 208
6-2 Flip-lfo ps 2l O
6-3 Disparod e losF lip-lfo ps( triggering) 2t 6
6-4 Análisisd e los circuitoss ecuencialestemporizados2 24
6-5 Reducciónd e estadosy asignación 231
6-6 Tablasd e excitaciónd e los Flip-flops 237
6-7 Procedimientod e diseño 240
6-8 Diseñod e contadores 251
6-9 Diseñod e ecuacionesd e estado 255
Refer encias 259
Problemas 260
REGIS TROSC ONTADROE SY UNI DADD E MEM OR IA 265
7-1 lntroducción 265
7-2 Registros 266
7-3 Registrosd e desplazamiento 272
7-4 Contadoresd e rizado 282
7-5 Contadoress incrónicos 286
7-6 Secuenciads e tiempo 295
7-7 La unidadd e memoria 3OO
7-8 Ejemplosd e memoria de accesoa leatorio 306
Refer encias 3l 2
Problemas 3l3
LOGI CA DE TRASFER ENCIAD E REGIS TROS 316
8-1 lntroducción 3 | 6
8-2 Trasferenciae ntre regtstros 3l9
8-3 Microoperacionesa ntméticas,l ógicasy
desplazamiento 327
8-4 Proposicionecso ndi cionale sde control 332
8-5 Datosb inariosd el puntof ijo 335
8-6 Sobrecap acidad 33I
8-7 Desplazam ientosa r itméticos 341
8-8 Datosd ecimales 343
8-9 Datosd el punto flotante 345
8-1 0 Datosn o numéricos 348
8-11 Códigosd e instrucción 352
8-1 2 Diseñod e un computadors encillo 357
Referencias 366
Problemas 366
\
--
V¡ CONTENIDO
9 DISEÑOL OGICOD E PROCESADORES 372
9- 1 Introducción 372
9-2 Organizaciónd el procesador 373
9-3 Unidad lógicaa ritmética 382
9-4 Diseñod e un circuitoa ritmético 383
9-5 Diseñod el circuitol ógico 39O
9-6 Diseñod e una unidad lógicaa ritmética 393
9-7 Registro de condición 396
9-8 Diseñod e un.registrod e desplazamiento 3gg
9-9 Unidad procesadora 4Ol
9-10 Diseñod el acumulador 406
Referencias 417
Problemas 417
10 DISEÑOD E LOGICAD E CONTROL 423
1O-1 Introducción 423
1O-2 Organizaciónd el control 42G
10-3 Controld e componentesa lambrados- Ejemplo1 431
10-4 Controld e microprograma 441
10-5 Controld e la unidad procesadora 447
1O-6 Controla base de componentesc onectados-
Ejemplo2 452
1O-7 Controld el PLA 461
10-8 Secuenciadodr el microprograma 464
Referencias 471
Problemas 472
11 DISEÑOD EC OMPUTAOORES 477
11 -1 Introducción 477
11-2 Configuraciónd el sistema 478
11-3 Instruccionedse computador 482
11-4 Sincronizaciónd e tiempo y control 4Sg
11-5 Ejecuciónd e instrucciones 4gO
11 -6 Diseñod e los registrosd e computador 497
11-7 Diseñod el control 5O3
11 -8 Consolad el computador Sl2
Referencias 5l3
Problemas 5l4
CONTENIDO vii
12 DISEÑOD EL SISTEMAD EL MICROCOMPUTADOR 518
12-1 lntroducción 5l8
12-2 Organrzaciódne l microcomputador 521
12-3 Organizaciónd el microprocesador 526
12-4 Instruccioneys modos de direccionamiento 534
12-5 Pila,s ubrutinase interrupción 543
12-6 Organizaciónd e la memoria 554
12-7 Interconexiónd e entrada-salida 559
12-8 Accesod irecto de memoria 569
Referencias 574
Problemas 575
13 CIRCUITOSIN TEGRADOSD IGITALES 579
13 - 1 Introducción 579
13-2 Característicadse l transistorb ipolar 581
13-3 CircuitosR TLy DTL 585
13-4 Lógicad e inyeccióni ntegrada( l'zL) 589
13-5 Lógica de transistor-transisto(rT TL) 591
13-6 Lógicad e emisor acoplado( ECL) 600
13-7 Semiconductord e óxido de metal (MOS) 604
13-8 MOS complementado( CMOS) 608
Referencias 6lO
Problemas 6l O
APENDICE: Respuestasa problemass eleccionados 613
INDICE 625
Pr efa cio
La lógica digital trata de la interconexión entre componentes digitales
y módulos y en un término usado para denotar el diseño y análisis de los
sistemas digitales. EI ejemplo más conocido de un sistema digital es un
computador digital para propósito general. Este libro presenta los concep-
tos básicos usados en el diseño y análisis de los sistemas digitales e intro-
duce los principios de la organízacíón del computador digital y su diseño.
Presenta varios métodos y técnicas adecuados para una variedad de apli-
caciones de diseño del sistema digital. Cubre todos los aspectos del siste-
ma digital desde los circuitos de compuertas electrónicas hasta la estruc-
tura compleja de un sistema de microcomputador.
Los Capítulos t hasta 6 presentan técnicas de diseño de lógica de dise-
ño desde el punto de vista clósico. El álgebra de Boole y las tablas de ver-
dad se usan para el análisis y diseño de los circuitos combinacionalesy las
técnicas de transición de estado para el análisis y diseño de los circuitos
secuenciales. Los Capítulos 7 hasta el 12 presentan métodos de diseño de
sistemas digitales desde el punto de vista de trasferencia entre registros.
EI sistema digital se descompone en subunidades de regirqtrosy el sistema
se especifica con una Iista de proposiciones de trasferencia entre registros
que describen las trasferencias operacionales de la información almacena-
da en los registros. El método de trasferencia entre registros se usa para
ei análisis y diseño de las unidades del procesador, unidades de control,
un procesador central de computador y para describir las operaciones in-
ternas de microprocesadores y microcomputadores. El Capítulo 13 trata
de la electrónica de los circuitos digitales y presenta las familias lógicas
digitales más comunes a base de circuitos integrados.
Los componentes usados para construir sistemas digitales se fabrican
en la forma de circuitos integrados. Los circuitos integrados contienen
una gran cantidad de circuitos digitales interconectados dentro de una
pequeña pastilla. Los dispositivos (MSI) de integración a mediana escala
conforman funciones digitales y los dispositivos (LSI) de integración a
gran escala conforman módulos de computador completos. Es muy impor-
ante para el diseñador lógico, familiarizarse con los diferentes componen-
viii
X
PREFACIO ix
tes digitales encontrados en la forma de circuitos integrados. Por esta
razón muchos circuitos MSI y LSI se introducen a lo largo del libro y se
explican completamentes us familias lógicas.E l uso de circuitos integrados
en el diseño de sistemasd igitales se ilustra por medio de ejemplose n el
texto y en los problemasa l final de los capítulos.
Este Iibro fue planeadoo riginalmente como una segundae dición del
diseñn lógico de computadores,d el autor (Prentice-Hall, rg72). Debido a
la gran cantidad de material nuevo y a las revisionese xtensasq ue se han
llevado a cabo,p arecem ás apropiadoa doptar un nuevo título para el texto
presente.A lrededor de un tercio del texto es material que aparecee n el
Iibro anterior. Las otras dos tercerasp artes constituyen información nue-
va o revisada.L os factoresf undamentalesp ara las revisionesy adiciones
surgen de las desarrolladase n la tecnologíae lectrónica digital. Se da un
gran énfasisa los circuitos MSI y LSI y a los métodosd e diseñoq ue usan
circuitos integrados.E l libro cubre varios componentesL SI de la variedad
de grupo de bits y microcomputador.P resentaa plicacionesd e Ia meryroria
de sólo lectura (RoM) y del arreglo lógico programable( PLA). sin embar-
go, los adelantosp osteriorese n el método de diseño de trasferenciae ntre
registros,d emandau na nueva redacciónd e la segundap arte del libro.
El capítulo 1 presentav arios sistemasb inarios adecuadosp ara repre-
sentar información en componentesd igitales. El sistema de númerosb ina-
rios se explica y se ilustran los códigosb inarios para demostrar la repre-
sentación de la información decimal y alfanumérica. La lógica binariá se
introduce desde un punto de vista intuitivo antes de proceder con una
definición formal del álgebrad e Boole.
Los postuladosb ásicosy teoremasd el álgebrad e Boole se encuentran
en el Capítulo 2. Se enfatiza la correlacióne ntre las expresionesd e Boole
y sus compuertas de interconeccióne quivalentes.T odas Ias operaciones
Iógicasp osiblesp ara dos variabless e investigany a partir de elló se dedu-
cen las compuertasd igitales disponiblese n Ia forma de circuitos integra-
dos se presentana l comienzod e este capítulo, pero se deja para la última
parte del capítulo el análisis más detallado para describir Ia construcción
interna de las compuertas.
. rll capítulo 3 presentae l mapa y los métodosd e tabulado para simpli-
ficar las funcionesd e Boole. El método del mapa se usa para simplificar
circuitos digitales construidosc on AND, OR, NAND, NOR, y compuertas
lógicas alambradas. Los diferentes procesosd e simplificación se sumari-
zan en forma de tabla para una referenciaf ácil.
Los procedimientosd e diseño y análisis de los circuitos combinacio-
nales se presentane n el Capítulo 4. Algunos componentesb ásicosu sados
en el diseño de sistemas digitales,-t ales como sumadoresy convertidores
de código son introducidos como ejemplosd e análisis y diseño.E l capítulo
investiga configuracionesp osibles usando circuitos combinacionalesd e
multinivel NAND y NOR.
El capítulo 5 versas obrel os componentesM SI y LSI de lógica combi-
nacional. A menudo se explican funcionest ales como sumadoreip aralelos,
decodificadoresy multiplexores,y se ilustra con ejemploss u uso en el di-
señod e circuitos combinacionalesL. a memoria de sólo lectura (RoM) y el
arreglo lógico programable( PLA) son introducidosy se demuestras u uti-
lidad en el diseñod e circuitos combinacionalesc omplejos.
f, .Á
4^^idE
-/-
PREFACIO
El Capítulo 6 esboza varios métodos para el diseño y análisis de los
circuitos secuenciales temporizados. El capítulo comienza presentando
varios tipos de flip-flops y la forma como ellos son disparados. El diagrama
de estado, tabla de estado, y las ecuaciones de estado se presentan como
herramientas convenientes para analizar los circuitos secuenciales. Los
métodos de diseño presentados, trasforman el circuito secuencial a un
grupo de funciones de Boole que especifican la entrada lógica a los flip-flops
del circuito. Las funciones de entrada de Boole se derivan de la tabla de
excitación y se simplifican por medio de mapas.
En el Capítulo 7, se presentan una variedad de registros, registros de
desplazamiento y contadores similares a aquéllos disponibles en la forma
de circuitos integrados. Se explica la operación de la memoria de acceso
aleatorio (RAM). Las funciones digitales introducidas en este capítulo
son los bloques de construcción básicos a partir de los cuales se pueden
construir sistemas digitales más complejos.
El papítulo 8 introduce un método de trasferencia entre registros para
describir los sistemas digitales. Este muestra cómo expresar en forma
simbólica la secuencia de operación entre los registros de un sistema digi-
tal. Se definen símbolos para trasferencia entre registros, microoperacio-
nes aritméticas, lógicas y de desplazamiento. Se cubren en detalle los dife-
rentes tipos de datos almacenados en los registros de los computadores.
Se usan algunos ejemplos típicos para mostrar cómo se presentan las ins-
trucciones de computador en forma binaria codificada y cómo las operacio-
nes especificadas por instrucciones pueden ser expresadas con proposi-
ciones de trasferencia entre registros. El capítulo concluye con el diseño de
un computador muy sencillo para demostrar el método de trasferencia entre
registros del diseño de sistemas digitales.
El Capítulo 9 tiene que ver con la unidad procesadora de los computa-
dores digitales. Se discuten alternativas para organizar una unidad pro-
cesadora con buses y memorias tapón (Scratchpad memory). Se presenta
una unidad lógica, aritmética típica (ALU) y se desarrolla para el diseño
de cualquier otra configuración de ALU. Se presentan también otros com-
ponentes encontrados comúnmente en los procesadores, tales como regis-
tros de condición y desplazamiento. Se comienza el diseño de un registro
acumulador para propósitos generales, comenzando a partir de un grupo
de operaciones de trasferencia entre registros y culminando con un dia-
grama lógico.
En el Capítulo 10 se introducen cuatro métodos de diseño de lógica de
control. Dos de los métodos constituyen un control alambrado con circuito
impreso. Los otros dos introducen el concepto de la microprogramación y
cómo diseñar un controlador con un arreglo lógico programable (PLA). Los
cuatro métodos son demostrados por medio de ejemplos que muestran el
d,esarrollo de algoritmos de diseño y el procedimiento para obtener los cir-
cuitos de control del sistema. La última sección introduce un secuenciador
de microprograma LSI y muestra cómo se puede usar en el diseño de una
unidad de control de microprograma.
El Capítulo 11 está dedicado al diseño de un computador digital pe-
queño. Los registros en el computador son definidos y se especifica el con-
I
junto de instrucciones del computador. La descripción del computador se
PREFACIO xi
formaliza con las proposicionesd e trasferencia entre registros que especi-
fican las microoperacionese ntre los registros, lo mismo que las funciones
de control que inician esas microoperaciones.S e muestra entonces que el
conjunto de microoperacionesp uede usarse para diseñar Ia parte procesa-
dora de datos del computador. Las funciones de control en la lista de pro-
posiciones de trasferencia entre registros, suministran la información para
el diseño de la unidad de control. La unidad de control para el computador
se diseña por medio de tres métodos diferentes: el control alambrado con
circuito impreso,e l control PLA y el control del microprograma.
El Capítulo 12 es enfocado sobre varios componentesL SI para formar
un sistema de microcomputador.L a organizaciónd e un microprocesador
típico se describey explica su organizacióni nterna. Un conjunto típico de
instruccionesp ara el microprocesador,sper esentay se explican varios mo-
dos de direccionamiento.L a operaciónd e una pila y el manipuleo de las
subrutinas e interrupciones,s e cubre desdee l punto de vista de los mate-
riales. El capítulo ilustra también la conexiónd e las pastillas de memoria
al sistema de bus del microprocesadoyr la operaciónd e varias unidades
de interconexión que se comunican con dispositivosd e entrada y salida.
Concluye con una descripciónd el modo de trasferenciad e accesod irecto
a Ia memoria.
El Capítulo 13 detalla los circuitos electrónicosd e la compuertab ásica
en siete familias lógicas de circuitos integrados.E ste capítulo final debe
ser consideradoc omo un apéndice,p uedes er omitido si se desea.E l Capí-
tulo 13 asume un. conocimientop revio de electrónica básica, pero no hay
un prerrequisito específicop ara el resto del libro.
Cada capítulo incluye un grupod e problemasy una lista de referencias.
Las respuestasa los problemass eleccionadosa parecene n el apéndicep ara
suministrar una ayuda al estudiante y para ayudar al lector independien-
te. Un manual de solucioness e suministra para el instructor por parte
del publicista.
El libro es adecuadop ara un curso en lógica digital y diseñod e courpu-
tadores en un departamento de ingeniería eléctrica o de computadores.
Se puede usar también en un departamentod e ciencia de computadores
para un curso en organizaciónd e computador.L as partes del libro pueden
usarsed e va¡ias formas: (1) Como un primer curso en lógica digital o cir-
cuitos de conmutacióna l cubrir los Capítulos t hasta el 7 y posiblemente
el Capítulo 13. (2) Como un segundoc urso,e n lógica de computadord igital
con un prerrequisitod e un curso en circuitos de conmutaciónb ásicos,b a-
sadoe n los Capítulos3 y 7 hasta el 12. (3) Comou na introducción a la con-
figuración con materiales de los microprocesadoreys microcomputadores
al cubrir los Capítulos8 hasta el 12.
En conclusión,m e gustariae xplicar la filosofiaf undamentald el mate-
rial presentadoe n este libro. El método clásicoh a sido predominantee n el
pasadop ara describir las operacionesd e los circuitos digitales. Con el ad-
venimiento de los circuitos integradosy especialmented e la introducción
de los componentesL SI del microcomputador,e l método clásico parece
estar bastante lejos de las aplicacionesp rácticas.A unque el método clásico
para describir sistemas digitales complejosn o es directamente aplicable,
el conceptob ásicod e álgebrad e Boole, lógica combinacionaly procedimien-
-4
- ?,s
--:7
P REFACI O
to de lógica secuencial, son todavía importantes para comprender Ia cons-
trucción interna de muchas funciones digitales. Por otra parte, el método
de trasferencia entre registros, presenta una mejor representación para
describir las operaciones entre los dife¡entes módulos en los sistemas
digitales. Este versa de la trasferencia de cadenas de bits en paralelo y
puede ser considerado como de un nivel mayor en la jerarquía de la repre-
sentación del sistema digital. La transición del método clásico al de tras-
ferencia entre registros, se hace en este libro por medio de las funciones
MSI de circuitos integrados. Los Capítulos 5 y 7 cubren muchas funciones
digitales que están disponibles en circuitos integrados. Su operación se
explica en términos de conpuertas y flip-flops que conforman el circuito
digital particular. Cada circuito MSI se considera como una unidad f'un-
cional que realiza una función particular. Esta operación se describe en el
método de rotación de trasferencia entre registros. Así, el análisis y dise-
ño de registros y otras funciones digitales se hace por medio del método
clásico, pero el uso de esas funciones al describir Ias operaciones de un sis-
tema digital, se especifica por medio de proposiciones de trasferencia entre
registros. EI método de trasferencia entre registros se usa para definir las
instrucciones de computador, para expresar las operaciones digitales en
forma concisa, para demostrar la organización de los computadores digita-
les y para especificar los componentes de los materiales para el diseño de
sistemas digitales.
Deseo expresar mis agradecimientosa l Dr. John L. Fike por revisar el
manuscrito original y al Profesor Víctor Payse por indicar correcciones
durante la enseñanzad el curso al usar el manuscrito. La mayor parte del
trabajo de mecanografia fue hecho por Mrs. Lucy Albert y su hábil ayuda
es apreciada grandemente. Mis mayores agradecimientos los doy a mi se-
ñora por ias sugerencias que ella hizo al mejorar la facilidad de lectura del
libro y por su ánimo y apoyo durante la preparación de éste.
M. Mor.nls M¡No