Construye tu computadora Mínimum.

Parte 1: Inicio de las microcomputadoras.

Por: Oscar Toledo Esteva.       Septiembre de 2018.


En la década de los 70 del siglo XX, surgió el circuito integrado que contenía miles de transistores, el cual llamaron procesador digital, los aficionados a la electrónica digital ya construían controles para diversos mecanismos, relojes, frecuencímetros, etc, todos cableados para una sola tarea. Conocian los números binarios, los circuitos flip-flop y las lógicas de las compuertas. Pero nunca habían construído una máquina que fuera programable desde el exterior. Disponible el invento "procesador", conectaron la memoria volatil SRAM (Static Random Access Memory) para guardar los programas temporales, y junto conectaron la memoria no-volatil EPROM (Erasable Programmable Read-Only-Memory) para el programa operativo de todo el conjunto, a esta máquina portentosa la bautizaron como computadora. La comunicación directa con el procesador fue con lenguaje máquina, 16 switches mecánicos fijaban la direccion de la memoria, la palanca hacia arriba indicaba el estado lógico 1 y la palanca hacia abajo el estado lógico 0. En el mismo panel otros 8 switches bits (dígitos binarios) introducian las instrucciones y los datos. Cuando las secuencias de instrucciones estaban almacenadas en la memoria, el programa se ejecutaba y centelleaban los 24 focos instalados en el mismo panel. Fijando la dirección a: 0000 0000 0000 0000 y el dato a: 0000 0000 con los 24 switches, una instrucción sin operación (NOP) se ejecutaba y en microsegundos la máquina indicaba en los focos cada locación secuencial al buscar otra instrucción del procesador. De esta máquina que el usuario programaba con entusiasmo, nació la computadora personal.

Fig 1. Un procesador de 8 bits con dos memorias externas en paralelo, el núcleo típico de las primeras computadoras.

En una computadora todo sucede en su núcleo principal: el procesador digital. Los progresos de fabricación en espacio nanométrico cambió su nombre por el de microprocesador central o MPC, que internamente incluye memorias EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only-Memory) y SRAM, reloj calendario, convertidor de señal análogo a digital (ADC), y señal digital a análogo (DAC), interfaz para memoria externa y MicroSD, interfaz serializado I2C, UART, USB, CAN, SPI, etc, y un conjunto de instrucciones para que el usuario maneje los registros internos de control y los programas.

Hoy, por la búsqueda de la máxima velocidad y el bajo consumo de energía, están cambiando los fundamentos del diseño y la terminología del procesador. Por la alta integración de funciones en un microprocesador económico ya podemos construir una computadora más poderosa y con menos componentes, capaz de direccionar 4294967296 locaciones de memorias; mientras los anteriores no rebasaban las 65536 locaciones y no incluian ninguna memoria. El microprocesador elegido para construir la computadora contiene 4 gigabytes de locaciones segmentados que comparte con los periféricos, memorias internas o externas, y con los registros privados para usos especiales.

Las herramientas para la programación facilitan el avance en los equipos electrónicos que son controlados por los microprocesadores digitales, desde el motor de la lavadora, reloj de pulsera, teléfonos celulares, drones, aviones, automóviles, robots para cirugia médica, hasta sistemas automáticos guiados por satélites.

Foto 1. Para construir nuestra computadora necesitamos lo básico: Un microprocesador, un regulador de voltaje, un interfaz de comunicación, un circuito impreso y un switch para reiniciar nuestra máquina.

El microprocesador integra una unidad de control con una ruta de datos para procesar su conjunto de instrucciones, cada instrucción es una cifra binaria exclusiva, con una extensión de 16 bits o 32 bits.

El repertorio de instrucciones del microprocesador son para transferencia de datos, manipulación de datos y control de programas, adicionalmente incluyen manejo de punto flotante y procesamiento de señales análogas. Y algunos tienen un programa depurador integrado (debug) con ordenes para escribir, leer y ejecutar programas temporales o definitivos del usuario. Otros cuentan con un oscilador de frecuencia interno para operar y ejecutar la mayoría de sus funciones.

La propiedad más llamativa de una computadora es su versatilidad, para cada necesidad concreta, el usuario especifica o cambia un programa y otra tarea es ejecutada por el microprocesador, sin quitar un tornillo de la computadora o cambiar un cable interno del circuito electrónico.

Foto 2. El microprocesador para nuestra computadora está encapsulado en un chip con 64 patas con norma LQFP-64 para montaje de superficie plana (SMD). Un punto señala la pata número uno y cada separación de patas o pin mide .5mm, por lo impráctico de esta medida se solda sobre un circuito impreso comercial donde cada pata va directo a perforaciones separadas por 2.54mm de fácil manipulación.

Por el interés y la demanda de la tecnología microelectrónica, los circuitos impresos para determinados procesadores se encuentran en sitios de venta de internet o tiendas de componentes electrónicos.

Foto 3. Un circuito impreso comercial con norma LQFP-64 para ajustar y soldar con precisión el microprocesador y otros componentes, donde cada patita milimétrica va de acuerdo con los hoyos de 2.54mm.

Fig 2. El microprocesador opera con 3.3V precisos y consume menos de 100 MA. Se conecta un módulo de 117 V.CA que suministra 5V de corriente continua al convertidor de 3.3V para el microprocesador.

 

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