Simulando la CPU Intel 4004 Parte 1
Tabla de Contenidos:
- Introducción
- La CPU Intel 4004
- Primer microprocesador
- Arquitectura de 4 bits
- Limitaciones de memoria y puertos de entrada/salida
- Chips de apoyo: ROM y RAM
- Organización de la memoria ROM
- Características de la memoria RAM
- Arquitectura interna de la CPU 4004
- Acumulador y registros
- Pila de direcciones
- Conjunto de instrucciones
- Ejemplos de instrucciones de 4 bits y 8 bits
- Ejemplos de instrucciones de 12 bits
- Simulación de la CPU 4004
- Simulación solo de la CPU
- Simulación de CPU y chips de apoyo
- Conclusiones
La CPU Intel 4004: El primer microprocesador de 4 bits 💡
La CPU Intel 4004 es ampliamente considerada como el primer microprocesador debido a su arquitectura innovadora y revolucionaria. Aunque existieron unidades centrales de procesamiento anteriores, estas se implementaban utilizando múltiples circuitos integrados, lo que limitaba su rendimiento y capacidad. Sin embargo, el Intel 4004 fue el primero en integrar todos los componentes en un solo chip, permitiendo la creación de las computadoras modernas. Aunque su arquitectura era de solo 4 bits, lo cual limitaba su capacidad de almacenamiento y procesamiento, logró sentar las bases para los procesadores de mayor capacidad que se desarrollarían posteriormente.
Limitaciones de memoria y puertos de entrada/salida ⚠️
Una de las limitaciones clave del Intel 4004 era su capacidad de memoria. Podía direccionar directamente solo 4 kb de instrucciones de programa de 8 bits y 5,120 bits de almacenamiento de datos de 4 bits. En términos de bytes, esto equivalía a solo 640 bytes de almacenamiento de datos. Además, el procesador contaba con hasta 16 puertos de entrada y salida de 4 bits, que podían ser directamente direccionados. Sin embargo, no existía una señal para seleccionar un puerto en particular, lo que requería el uso de circuitos integrados de apoyo, como las memorias ROM y RAM.
Los chips de apoyo: ROM y RAM 📁
Para ampliar la capacidad de almacenamiento y el acceso a puertos de entrada/salida, se requerían chips de apoyo como la memoria ROM y la memoria RAM. La memoria ROM se organizaba en palabras de 8 bits y ofrecía hasta 256 palabras de instrucciones, así como un puerto de entrada/salida de 4 bits adicional. Por otro lado, la memoria RAM, en el chip 4002, contenía 320 bits de memoria, agrupados en cuatro registros de 20 caracteres de 4 bits cada uno. Esta memoria también contaba con un puerto de salida de 4 bits. Ambos chips de apoyo podían conectarse al procesador para ampliar su capacidad y funcionalidad.
Arquitectura interna de la CPU 4004 ⚙️
La CPU Intel 4004 cuenta con una arquitectura interna interesante y peculiar. Posee un acumulador de 4 bits y 16 registros de 4 bits cada uno. Sin embargo, solo se puede acceder a la mitad de los registros en un momento dado, y se utiliza una instrucción especial para cambiar entre los dos bancos de registros. Además, la CPU cuenta con una pila de direcciones para facilitar la llamada a procedimientos y soporta un total de 46 instrucciones, de las cuales 41 son de 8 bits y 5 son de 16 bits.
Ejemplos de instrucciones de 4 bits y 8 bits 📝
Las instrucciones de la CPU 4004 se dividen en dos partes: el código de operación (op code) y el modificador. Las instrucciones de 4 bits son las más comunes y vienen en formas como la instrucción de suma (encoded as 1000) y la instrucción de resta (encoded as 1001). Estas instrucciones realizan operaciones aritméticas utilizando el acumulador y los registros específicos indicados en la instrucción.
Ejemplos de instrucciones de 12 bits 📝
Además de las instrucciones de 4 y 8 bits, la CPU 4004 también incluye instrucciones de 12 bits. Estas instrucciones pueden contener una dirección completa de 12 bits o una dirección relativa a una condición específica. Por ejemplo, la instrucción "gcn jump to ROM address" (código de operación 0001) se utiliza para saltar a una dirección de ROM especificada si se cumple una determinada condición. Este tipo de instrucciones permite una mayor flexibilidad en el flujo de ejecución del programa.
Simulación de la CPU 4004: CPU solo y CPU con chips de apoyo 💻
La simulación de la CPU 4004 se puede realizar de dos formas: solo la CPU o la CPU junto con los chips de apoyo. En el caso de la simulación solo de la CPU, se deben simular todas las señales que se envían a los pines, como la dirección del contador de programa y la lectura de las instrucciones desde la ROM. También se debe realizar la decodificación de las instrucciones y actualizar los registros internos después de cada instrucción. Esta simulación es más compleja y requiere un mayor esfuerzo de programación.
Por otro lado, la simulación de la CPU junto con los chips de apoyo simplifica el proceso al leer la instrucción y acceder a la memoria en un solo paso. No es necesario simular los pines de direcciones ni los chips de apoyo. En esta simulación, se realiza la decodificación de las instrucciones y se actualizan los registros internos, al igual que en la simulación solo de la CPU. Esta aproximación es más rápida y fácil de implementar, y suele ser la opción preferida.
Conclusiones
La CPU Intel 4004 fue un hito importante en la historia de la informática, ya que sentó las bases para el desarrollo de los microprocesadores modernos. Aunque tenía limitaciones en términos de capacidad de memoria y puertos de entrada/salida, su arquitectura innovadora abrió el camino a los avances en el campo de la informática. La simulación de la CPU 4004 puede realizarse de diferentes formas, ya sea solo la CPU o la CPU junto con los chips de apoyo. Cada enfoque tiene sus ventajas y desafíos, pero ambos permiten comprender mejor el funcionamiento de esta histórica unidad central de procesamiento.
Recursos:
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