Fundamentos de Programación de Microprocesadores

Fundamentos de Programación de Microprocesadores

El conjunto de instrucciones de un microprocesador es único para cada chip. Por ejemplo, el Intel 80386 usa codificación binaria diferente que el Motorola 68020, significando que operaciones idénticas requieren códigos de máquina distintos.

Como no hay estándar universal para conjuntos de instrucciones, la programación de bajo nivel demanda conocimiento profundo y específico del chip.

Cuando un desarrollador escribe código que controla directamente una CPU —como ajustar inyección de combustible de un motor— está programando en el lenguaje de máquina nativo del procesador, una serie de bits binarios que la unidad de control de la CPU decodifica.

Aunque el lenguaje de máquina es técnicamente binario, los programadores casi siempre lo escriben en hexadecimal para legibilidad. A continuación hay algunas instrucciones comunes para el Intel 8080:

Hexadecimal Binario Descripción instrucción
----------- -------- -----------------------------------------
7B 01111011 Mueve contenido de registro A a registro E
87 10000111 Suma contenido de registro A a registro D
1C 00011100 Incrementa contenido de registro E en 1
D3 11010011 Emite byte de datos a bus de datos

Incluso con notación hexadecimal, estos códigos pueden ser confusos. El lenguaje ensamblador ofrece abreviatura mnemónica —p. ej., 7B se vuelve MOV A,E— que aún se traduce a binario por un ensamblador antes de ejecución.

Tras escribir un programa, debe cargarse en memoria. Para almacenamiento no volátil, un programador de ROM escribe la imagen binaria en un chip ROM; para memoria volátil, un cargador de arranque o rutina de sistema operativo puede aceptar pulsaciones de tecla o archivos de disco y colocar el código en RAM.

En un PC completo, un compilador escribe el código ensamblado a archivo de disco. En tiempo de ejecución, invocar el nombre del archivo hace que el contador de programa de la CPU apunte a la primera instrucción y el programa corre.

Aunque programación en máquina o ensamblador produce código altamente eficiente, es laboriosa y propensa a errores. Lenguajes de alto nivel (p. ej., C, C++, Java) permiten a desarrolladores expresar intención —como print "¡Hola, mundo!"— sin detallar pasos individuales de máquina.

Programas de alto nivel se convierten en código de máquina por compiladores (traducción estática) o intérpretes (traducción en tiempo de ejecución). Código compilado corre más rápido porque no ocurre traducción durante ejecución, mientras que código interpretado incurre sobrecarga por cada instrucción.

Lenguajes compilados comunes incluyen C, C++, FORTRAN y Pascal, mientras que BASIC y FORTH son típicamente interpretados. Como conjuntos de instrucciones difieren entre CPUs, compiladores e intérpretes deben apuntar a una arquitectura de procesador específica.

Fabricantes como Intel y Motorola mitigan problemas de compatibilidad diseñando nuevas CPUs retrocompatibles. Por ejemplo, un procesador Pentium IV soporta el conjunto completo de instrucciones 80386 más instrucciones adicionales. Código compilado para 80386 correrá en Pentium, pero código usando instrucciones solo-Pentium no correrá en 80386.

Compiladores usualmente dejan a desarrolladores seleccionar CPU objetivo; compilar para 80386 garantiza compatibilidad con hardware antiguo, mientras que compilar para Pentium puede explotar características nuevas cuando disponibles.

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