Microprocesadores
Microprocesadores, incluyendo un Intel 80486 y un
Intel 80386El microprocesador, micro o "unidad central de
procesamiento", CPU , es un chip que sirve como cerebro del ordenador. En
el interior de este componente electrónico existen millones de transistores
integrados.
Suelen tener forma de prisma chato, y se instalan
sobre un elemento llamado zócalo. También, en modelos antiguos solía soldarse
directamente a la placa madre. Aparecieron algunos modelos donde se adoptó el
formato de cartucho, sin embargo no tuvo mucho éxito. Actualmente se dispone de
un zócalo especial para alojar el microprocesador y el sistema de enfriamiento,
comúnmente se usa un ventilador (cooler). El microprocesador está compuesto
por: registros, la Unidad
de control, la Unidad
aritmético-lógica, y dependiendo del procesador, una unidad en coma flotante.
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| Procesador AMD-K6 |
2.2 Bus de datos
2.3 Zócalos
2.5 Chipset
3.1 Antecedentes
3.2 Avances
Los principales parámetros característicos de un
microprocesador son su ancho de bus (medido en bits), la frecuencia de reloj a
la que trabajan (medida en hercios), y el tamaño de memoria integrado. Existen
dos tipos de memoria caché cuyo funcionamiento es análogo:
L1 o interna (situada dentro del propio procesador
y por tanto de acceso aún más rápido). La caché de primer nivel contiene muy
pocos kilobytes (unos 32 ó 64 Kb).
L2 o externa (situada entre el procesador y la RAM ). Los tamaños típicos de
la memoria caché L2 oscilan en la actualidad entre 256 kb y 8 Mb. La memoria
caché L2 es ligeramente más lenta y con más latencias que la L 1, pero es más barata y de
mayor cantidad de datos. En los primeros microprocesadores, sólo la memoria
caché L1 estaba integrada en el CPU, la caché L2 estaba en la placa madre
insertado en una ranura llamada "COAST", pero actualmente todos los
procesadores tienen la memoria caché L2 integrada dentro de él mismo
Fetch, lectura de la instrucción desde la memoria
principal,
Decodificación de la instrucción, es decir,
determinar qué instrucción es y por tanto qué se debe hacer,
Fetch de los datos necesarios para la realización
de la operación,
Ejecución,
Escritura de los resultados en la memoria
principal o en los registros.
Cada una de estas fases se realiza en uno o varios
ciclos de CPU, dependiendo de la estructura del procesador, y concretamente de
su grado de supersegmentación. La duración de estos ciclos viene determinada
por la frecuencia de reloj, y nunca podrá ser inferior al tiempo requerido para
realizar la tarea individual (realizada en un solo ciclo) de mayor coste
temporal. El microprocesador dispone de un oscilador de cuarzo capaz de generar
pulsos a un ritmo constante, de modo que genera varios ciclos (o pulsos) en un
segundo.
Actualmente se habla de frecuencias de Megaherzios
(MHz) o de Gigaherzios (GHz), lo que supone millones o miles de millones,
respectivamente, de ciclos por segundo. El indicador de la frecuencia de un
microprocesador es un buen referente de la velocidad de proceso del mismo, pero
no el único. La cantidad de instrucciones necesarias para llevar a cabo una
tarea concreta, así como la cantidad de instrucciones ejecutadas por ciclo ICP
son los otros dos factores que determinan la velocidad de la CPU. La cantidad de
instrucciones necesarias para realizar una tarea depende directamente del juego
de instrucciones disponible, mientras que ICP depende de varios factores, como
el grado de supersegmentación y la cantidad de unidades de proceso o
"pipelines" disponibles entre otros La cantidad de instrucciones
necesarias para realizar una tarea depende directamente del juego de
instrucciones.
Los modelos de la familia x86 (a partir del 386)
trabajan con datos de 32 bits, al igual que muchos otros modelos de la
actualidad. Pero los microprocesadores de las tarjetas gráficas, que tienen un
mayor volumen de procesamiento por segundo, se ven obligados a aumentar este
tamaño, y así tenemos hoy en día microprocesadores gráficos que trabajan con
datos de 128 ó 256 bits. Estos dos tipos de microprocesadores no son
comparables, ya que ni su juego de instrucciones ni su tamaño de datos son
parecidos y por tanto el rendimiento de ambos no es comparable en el mismo
ámbito.
La arquitectura x86 se ha ido ampliando a lo largo
del tiempo a través de conjuntos de operaciones especializadas denominadas
"extensiones", las cuales han permitido mejoras en el procesamiento
de tipos de información específica. Este es el caso de las extensiones MMX y
SSE de Intel, y sus contrapartes, las extensiones 3DNow!, de AMD. A partir de
2003, el procesamiento de 64 bits fue incorporado en los procesadores de
arquitectura x86 a través de la extensión AMD64 y posteriormente con la
extensión EM64T en los procesadores AMD e Intel, respectivamente.
El zócalo es una matriz de pequeños agujeros
ubicados en una placa base donde encajan, sin dificultad, los pines de un
microprocesador. Esta matriz permite la conexión entre el microprocesador y el
resto del equipo. En los primeros ordenadores personales el microprocesador
venía directamente soldado a la placa base, pero la aparición de una amplia
gama de microprocesadores llevó a la creación de los zócalos.
En general cada familia de microprocesadores
requiere un tipo distinto de zócalo, ya que existen diferencias en el número de
pines, su disposición geométrica y la interconexión requerida con los
componentes de la placa base. Por tanto, no es posible conectar un
microprocesador a una placa base con un zócalo no diseñado para él.
El microprocesador tiene puertos de entrada/salida
en el mismo circuito integrado. El chipset es un conjunto de circuitos
integrados que se encarga de realizar las funciones que el microprocesador
delega en ellos. El conjunto de circuitos integrados auxiliares necesarios por
un sistema para realizar una tarea suele ser conocido como chipset, cuya
traducción literal del inglés significa conjunto de circuitos integrados. Se
designa circuito integrado auxiliar al circuito integrado que es periférico a
un sistema pero necesario para el funcionamiento del mismo. La mayoría de los
sistemas necesitan más de un circuito integrado auxiliar; sin embargo, el
término chipset se suele emplear en la actualidad cuando se habla sobre las
placas base de los IBM PCs.
Este término fue manipulado frecuentemente entre
1970 y 1990 para designar los circuitos integrados encargados de las tareas
gráficas de los ordenadores domésticos de la época: el Commodore Amiga y el
Atari ST. Ambos ordenadores tenían un procesador principal, pero gran cantidad
de sus funciones gráficas y de sonido estaban incluidas en coprocesadores
separados que funcionaban en paralelo al procesador principal.
Se ha comparado al Chipset con la médula espinal:
una persona puede tener un buen cerebro, pero si la médula falla, todo el
cuerpo no sirve para nada. En los microprocesadores normales el chipset está
formado por 2 circuitos auxiliares al procesador principal:
El puente norte se usa como puente de enlace entre
el microprocesador y la memoria, controlando las funciones de acceso hacia y
desde el microprocesador, la memoria RAM, el puerto gráfico AGP, y las
comunicaciones con el puente sur.
El puente sur controla los dispositivos asociados:
la controladora de discos IDE, puertos USB, Firewire, SATA, RAID, ranuras PCI,
ranura AMR, ranura CNR, puertos infrarrojos, disquetera, LAN y una larga lista
de todos los elementos que podamos imaginar integrados en la placa madre. El
puente sur es el encargado de comunicar el procesador con el resto de los
periféricos.
El primer procesador comercial, el Intel 4004, fue
presentado el 15 de noviembre de 1971. Los diseñadores jefe fueron Ted Hoff y
Federico Faggin de Intel, y Masatoshi Shima de Busicom (más tarde de ZiLOG).
Los microprocesadores modernos están integrados
por millones de transistores y otros componentes empaquetados en una cápsula
cuyo tamaño varía según las necesidades de las aplicaciones a las que van
dirigidas, y que van desde el tamaño de un grano de lenteja hasta el de casi
una galleta. Las partes lógicas que componen un microprocesador son, entre
otras: unidad aritmético-lógica, registros de almacenamiento, unidad de
control, Unidad de ejecución, memoria caché y buses de datos control y
dirección.
Existen una serie de fabricantes de microprocesadores,
como IBM, Intel, Zilog, Motorola, Cyrix, AMD. A lo largo de la historia y desde
su desarrollo inicial, los microprocesadores han mejorado enormemente su
capacidad, desde los viejos Intel 8080, Zilog Z80 o Motorola 6809, hasta los
recientes Intel Itanium, Transmeta Efficeon o Cell. Ahora los nuevos
microprocesadores pueden tratar instrucciones de hasta 256 bits, habiendo
pasado por los de 128, 64, 32, 16, 8 y 4. Desde la aparición de los primeros
computadores en los años cuarenta del siglo XX, muchas fueron las evoluciones
que tuvieron los procesadores antes de que el microprocesador surgiera por
simple disminución del procesador.
Entre esas evoluciones podemos destacar estos
hitos:
ENIAC (Electronic Numeric Integrator And
Calculator) Fue un computador con procesador multiciclo de programación
cableada, esto es, la memoria contenía solo los datos y no los programas. ENIAC
fue el primer computador, que funcionaba según una técnica a la que posteriormente
se dio el nombre de monociclo.
EDVAC (Electronic Discrete Variable Automatic
Computer) fue la primera máquina de Von Neumann, esto es, la primera máquina
que contiene datos y programas en la misma memoria. Fue el primer procesador
multiciclo.
El IBM 7030 (apodado Stretch) fue el primer
computador con procesador segmentado. La segmentación siempre ha sido
fundamental en Arquitectura de Computadores desde entonces.
El IBM 360/91 supuso grandes avances en la
arquitectura segmentada, introduciendo la detección dinámica de riesgos de
memoria, la anticipación generalizada y las estaciones de reserva.
El CDC 6600 fue otro importante computador de
microprocesador segmentado, al que se considera el primer supercomputador.
El último gran hito de la Arquitectura de
Computadores fue la segmentación superescalar, propuesta por John Cocke, que
consiste en ejecutar muchas instrucciones a la vez en el mismo microprocesador.
Los primeros procesadores superescalares fueron los IBM Power-1.
Hay que destacar que los grandes avances en la
construcción de microprocesadores se deben más a la Arquitectura de
Computadores que a la miniaturización electrónica. El microprocesador se
compone de muchos componentes. En los primeros procesadores gran parte de los
componentes estaban ociosos el 90% del tiempo. Sin embargo hoy en día los
componentes están repetidos una o más veces en el mismo microprocesador, y los
cauces están hechos de forma que siempre están todos los componentes trabajando.
Por eso los microprocesadores son tan rápidos y tan productivos. Esta
productividad tan desmesurada, junto con el gran número de transistores por
microprocesador (debido en parte al uso de memorias cache) es lo que hace que
se necesiten los inmensos sistemas de refrigeración que se usan hoy en día.
Inmensos en comparación con el microprocesador, que habitualmente consiste en
una cajita de 2
centímetros de largo y de ancho por 1 milímetro de altura,
cuando los refrigeradores suelen tener volúmenes de al menos 5 centímetros
cúbicos.
1971: Intel 4004. Nota: Fue el primer
microprocesador comercial, salió al mercado el 15 de noviembre de 1971.
1974: Intel 8008
1978: Intel 8086, Motorola 68000
1979: Intel 8088
1982: Intel 80286, Motorola 68020
1985: Intel 80386, Motorola 68020, AMD80386
1989: Intel 80486, Motorola 68040, AMD80486
1993: Intel Pentium, Motorola 68060, AMD K5, MIPS
R10000
1995: Intel Pentium Pro
1997: Intel Pentium II, AMD K6, PowerPC (versiones
G3 y G4), MIPS R120007
1999: Intel Pentium III, AMD K6-2
2000:
Intel Pentium 4, Intel Itanium 2, AMD Athlon XP, AMD Duron, PowerPC G4, MIPS
R14000
2004:
Intel Pentium M
2005:
Intel Pentium D, Intel Extreme Edition con hyper threading, Intel Core Duo, AMD
Athlon 64, AMD Athlon FX.
2006: Intel Core 2 Duo, Intel Core 2 Extreme, AMD
Athlon 64 X2
2007: Intel Core 2 Quad, AMD Quad Core
2008: Procesadores Intel y AMD con más de 8
núcleos.
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