Microprocesadores: memoria, registros y puertos

Un microprocesador es la unidad central de proceso integrada en un chip. Tres bloques:

Bloque	Qué hace
Unidad aritmético-lógica (ALU)	Calcula y actualiza los bits de estado o flags
Unidad de control	Lee las instrucciones, las interpreta y gobierna al resto
Registros	Almacenan temporalmente datos y direcciones (el funcionamiento interno de los registros como circuitos secuenciales se estudia en el tema 7)

1.1 Los tres buses

Un bus es un conjunto de líneas compartidas. Hay tres, y confundirlos es un error clásico:

Bus	Qué lleva	Sentido	Su anchura determina
De datos	El dato	Bidireccional	Cuántos bits se mueven de una vez
De direcciones	Dónde está el dato	Unidireccional (sale de la CPU)	Cuánta memoria se puede direccionar: 2ⁿ
De control	Órdenes: lectura, escritura, interrupción, reloj	Mixto	—

La regla que se pregunta: la anchura del bus de direcciones fija la memoria direccionable (16 líneas → 64 K posiciones), y la del bus de datos, el tamaño de la palabra. Son cosas distintas y no tienen por qué coincidir.

Así cuelgan la memoria y los periféricos de los tres buses:

Posiciones = 2ⁿ

Memoria (bytes) = 2ⁿ · (m / 8) (con una palabra de m bits por posición)

Símbolos. n: líneas del bus de direcciones. m: líneas del bus de datos (bits por palabra). K: aquí 1 K = 1.024 posiciones. Cuándo valen: mapa de memoria completo, con una palabra por posición; la capacidad depende de la unidad direccionable (en muchas arquitecturas, como RV32I, cada dirección apunta a un byte aunque los registros sean de 32 bits, y entonces la capacidad es 2ⁿ bytes) y el ancho del bus de datos no equivale siempre a la palabra de la CPU. De dónde salen: n líneas distinguen 2ⁿ combinaciones y cada una apunta a una palabra de m bits.

💡 Ejemplos resueltos.

• Bus de 16 líneas (pregunta 4). 2¹⁶ = 65.536 posiciones; como 1 K = 1.024, son 65.536 / 1.024 = 64 K posiciones. Con palabras de 8 bits (1 byte) la memoria máxima son 64 K · 1 byte = 64 KiB.
• Mismo bus de direcciones, distinto bus de datos (pregunta 10). Dos procesadores con 20 líneas de dirección: los dos alcanzan 2²⁰ = 1.048.576 posiciones; con palabras de 8 bits son 1 MiB y con palabras de 16 bits, 2 MiB. El mapa de posiciones no cambia; lo que cambia es cuánto se mueve de cada vez.

1.2 Von Neumann y Harvard

• Von Neumann: datos e instrucciones comparten la misma memoria y el mismo bus. Es simple, y su límite es el «cuello de botella»: no se puede leer una instrucción y un dato a la vez.
• Harvard: memorias y buses separados para instrucciones y datos. Permite solapar la búsqueda de una instrucción y el acceso a un dato, y es la de los DSP y muchos microcontroladores — justo los que hacen procesado de señal en tiempo real (los procesadores actuales suelen ser una Harvard modificada: memoria única, cachés de instrucciones y de datos separadas).