Un Microprocesador Elemental Como Ejercicio De Diseño De Sistemas Digitales

UN MICROPROCESADOR ELEMENTAL COMO EJERCICIO DE DISEÑO DE SISTEMAS DIGITALES
T. POLLÁN, C. BERNAL Y A. BONO Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industial de Zaragoza. Departamento de Ingeniería Electrónica y Comunicaciones. Universidad de Zaragoza. tpollan@unizar.es El microprocesador es reconocido como la «cumbre» paradigmática de los sistemas digitales y es percibido como muy potente ycomplejo. Por ello, se propone un microprocesador elemental concreto como ejemplo útil de diseño digital de complejidad viable, es decir, de sistema de relativa complejidad pero abordable como ejercicio o trabajo de asignatura (más aún, si su descripción se hace a través de un lenguaje circuital, como puede ser el VHDL). .

1. Introducción
Es frecuente que, en congresos o reuniones sobremetodología docente, los profesores de electrónica digital nos recordemos la necesidad de que la enseñanza de esta materia no quede limitada al conocimiento de los bloques o “piezas” de diseño y al manejo de pequeños diagramas de bloques o a la descripción de sistemas muy simples. Entendemos que debemos aproximar al alumno al diseño de sistemas complejos, que son los sistemas digitales de autenticointerés y utilidad hoy día. Ciertamente, la disponibilidad de lenguajes de descripción circuital (en particular, VHDL y Verilog) ha permitido que, una vez conocidas las “piezas” de diseño digital (funciones booleanas, bloques combinacionales, grafos de estado, registros, contadores, …) podamos abordar el diseño y simulación de sistemas de diferentes grados de complejidad; además, disponemos de ampliosdispositivos programables (CPLDs y FPGAs), relativamente baratos, donde implementar tales diseños. Para ello, necesitamos enunciados de sistemas digitales que sean, a la vez, razonablemente complejos y adecuados como ejercicios de asignatura. Esta comunicación propone como ejercicio de diseño un microprocesador de 16 instrucciones con una configuración básica sencilla y ortogonal. En el mismosentido, en el anterior Congreso TAEE 2006, celebrado en la Universidad Politécnica de Madrid presentamos una comunicación con el título de “Máquinas algorítmicas como opción didáctica de sistemas digitales complejos” [1]. Propusimos como ejemplos útiles de diseño digital de complejidad viable aquellos sistemas que pueden plantearse como máquinas algorítmicas, con separación entre parte de control yparte operativa y descripción del control en forma de algoritmo, representable en un grafo de estados. Es decir, las máquinas algorítmicas son sistemas de relativa complejidad pero abordables como ejercicios o trabajos de asignatura (más aún, si su descripción se hace a través de un lenguaje circuital, como puede ser el VHDL); además, presentan características didácticas muy positivas. Ahora bien,en buena medida, el microprocesador es reconocido como la «cumbre» paradigmática de los circuitos integrados digitales y es percibido como un sistema digital muy potente y, por lo mismo, sumamente complejo. Se trata, pues, de mostrar que, a pesar de tal complejidad, su diseño no presenta una dificultad especial y puede ser desarrollado, con relativa normalidad, a partir de un «recorrido»estructurado de su configuración y su funcionamiento.

Se trata, también, de desarrollar una sencilla aproximación a la arquitectura de computadores, esto es, a la configuración de los procesadores que actúan bajo programa. Para ello, consideraremos un pequeño «microprocesador» con un repertorio relativamente reducido de instrucciones y con un solo modo de direccionamiento: directo (para evitar lanecesidad de introducir conceptos de «segundo orden», como el direccionamiento indexado o similares). En la bibliografía existen numerosos procesadores con muy pocas instrucciones, que han sido presentados con el objetivo de servir como una primera, y muy básica, introducción a la arquitectura de computadores. Algunos manejan solo 4 instrucciones; por ejemplo, la «máquina sencilla» propuesta por M....