procesador

Microprocesador informático o simplemente procesador, un circuito integrado que contiene todos los elementos de la CPU.

Historia

El primer procesador comercial, el Intel 4004, fue presentado el 15 de noviembre de 1971. Los diseñadores fueron Ted Hoff y Federico Faggin de Intel, y Masatoshi Shima de Busicom (más tarde 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 y 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 Core 2 Duo, Intel Core 2 Quad, Intel Xeon, Intel Itanium II, 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 bits. 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.

Antecedentes

Entre estas 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 sólo 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.

Avances

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 estos 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 caché) 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.

Intel 4004

Intel 4004

Zilog Z80

Zilog Z80

Motorola 68000

Motorola 68000

Microprocesador Intel 80486DX2.

Microprocesador Intel 80486DX2.

Evolución del microprocesador

* ** 1971: Intel 4004. Nota: Fue el primer microprocesador comercial. Salió al mercado el 15 de noviembre de 1971.

* ** 1974: Intel 8008

* ** 1975: Signetics 2650, MOS 6502, Motorola 6800

* ** 1976: Zilog Z80

* ** 1978: Intel 8086, Motorola 68000

* ** 1979: Intel 8088

* ** 1982: Intel 80286, Motorola 68020

* ** 1985: Intel 80386, Motorola 68020, AMD80386

* ** 1987: Motorola 68030

* ** 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 G3, MIPS R120007

* ** 1999: Intel Pentium III, AMD K6-2, PowerPC G4

* ** 2000: Intel Pentium 4, Intel Itanium 2, AMD Athlon XP, AMD Duron, MIPS R14000

* ** 2003: PowerPC G5

* ** 2004: Intel Pentium M

* ** 2005: Intel Pentium D, Intel Extreme Edition con hyper threading, Intel Core Duo, AMD Athlon 64, AMD Athlon 64 X2, AMD Sempron 128.

* ** 2006: Intel Core 2 Duo, Intel Core 2 Extreme, AMD Athlon FX

* ** 2007: Intel Core 2 Quad, AMD Quad Core, AMD Quad FX

* ** 2008: Procesadores Intel y AMD con más de 8 núcleos.

Partes lógicas

La Unidad Central de Procesamiento (CPU) es el cerebro del ordenador. Su función es ejecutar programas almacenados en la memoria RAM tomando sus instrucciones, examinándolas y luego ejecutándolas una tras otra. La CPU se compone de varias partes:

• Unidad de Control: Es la encargada de activar o desactivar los diversos componentes del microprocesador en función de la instrucción que el microprocesador esté ejecutando y en función también de la etapa de dicha instrucción que se esté ejecutando.La unidad de control (UC) interpreta y ejecuta las instrucciones almacenadas en la memoria principal y genera las señales de control necesarias para ejecutarlas.
• Unidad Aritmética y Lógica: Es la que se encargará de realizar todas las operaciones que transforman los datos, en especial operaciones matemáticas como la suma y la resta y tomar decisiones lógicas.El coprocesador matemático: o, más correctamente, la FPU (Floating Point Unit, Unidad de coma Flotante).
• Los registros: El procesador necesita para su funcionamiento de ciertas áreas de almacenamiento de forma temporal , durante la ejecución de las instrucciones, que aquí se llaman registros, y que son de dimensiones mínimas ; sin embargo, tienen la ventaja de ser extremadamente rápidos. Comparados con los accesos a RAM, los de registro son como mínimo 10 veces más veloces.

Partes físicas

• El encapsulado: Es lo que rodea a la oblea de silicio en sí, para darle consistencia, impedir su deterioro (ejemplo por oxidación) y permitir un enlace con los conectores externos que lo acoplarán a su zócalo o a la placa base.
• Zócalo: Es el lugar en donde se inserta el procesador, efectuando una conexión entre el y el resto del equipo. Cada familia de microprocesadores necesita un zócalo distinto, por diferencias físicas entre marcas. Aparte del zócalo , el procesador también necesita un tipo determinado de placa “base o madre” acorde a sus características.
• Chipset: El "chipset" (conjunto de circuitos integrados) es el conjunto (set) de chips que se encarga de controlar determinadas funciones del ordenador, como la forma en que trabajará el microprocesador con la memoria o la caché, o el control de puertos PCI, AGP, USB...
• Memoria Caché: Es la parte en donde se almacenan datos que se usan muy frecuentemente, con el motivo de evitar el tener que pedirlos constantemente a la memoria principal,acelerando el acceso a otros 

Básicamente un procesador realiza comparaciones lógicas y operaciones básicas sobre datos que se pueden encontrar en la Memoria RAM, Caché, registros de CPU, etc. Utilizando compuertas lógicas, registros y las instrucciones o Flips Flops.

El microprocesador ejecuta instrucciones almacenadas como números binarios en la memoria principal . La ejecución se puede realizar en varias fases:

• PreFetch, Pre lectura de la instrucción desde la memoria principal.
• Fetch, envio de la instrucción al decodificador (una parte de la CPU).
• Decodificación de instrucción, es decir determinar que instrucción es y por tanto que se debe hacer.
• Lectura de operandos (si los hay).
• Ejecución de la microinstrucción.
• Escritura de los resultados, primero en el registro acumulador y después en la memoria RAM si fuera necesario.

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 segmentación. 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 (en un solo ciclo) de mayor tiempo. El microprocesador se conecta a un oscilador que genera varios ciclos en un segundo.

Las instrucciones que lee, interpreta y ejecuta el procesador están escritas en su propio lenguaje, el lenguaje-máquina. También se utiliza un lenguaje de más alto nivel el ensamblador. Cada modelo de procesador tiene su propio lenguaje-máquina y necesita su propio ensamblador, es decir, las instruciones de los AMD e Intel serán distintas.

caracteristicas principales:

Velocidad

Actualmente se habla de frecuencias de Gigaherzios (GHz.), o de Megaherzios (MHz.). Lo que supone miles de millones o millones, respectivamente, de ciclos por segundo.

Sin embargo, la capacidad de un procesador no se puede medir solamente en función de su 'frecuencia de reloj', sino que interviene también la cantidad de instrucciones que es capaz de gestionar a la vez ('juego de instrucciones'), y lo que se conoce como 'ancho de bus' (cantidad máxima de información en bruto transmisible) que se mide en bits. Un bit es una pareja del tipo '0/0', '0/1', '1/1' o '1/0' en el código binario: cuantos más bits admita el 'ancho de bus', códigos más largos de ceros y unos se pueden procesar. Esta capacidad viene determinada por el número de transistores, pero también por los sucesivos niveles de memoría que se sitúan cerca de la CPU.

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

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.

Las memorias

En el pasado, los procesadores contaban sólo con la memoria RAM para almacenar la información de las órdenes que se iban pasando sucesivamente al procesador; llegó un momento en que los procesadores eran más potentes que la memoría RAM. Es decir, que ésta les podía pasar de golpe menos información de la que ellos podían gestionar, con lo que el procesador estaba ampliamente desaprovechado

Para solucionar este desfase se diseñaron las 'memorias caché', estableciendo así dos niveles consecutivos de memoria entre la CPU y la memoria RAM.

Junto a la CPU, y en orden creciente de distancia respecto a la misma, se sitúan tres unidades o niveles de memoría. La 'memoria caché de primer nivel' (L1), la 'memoria caché externa' (L2) y la memoria RAM.

La 'caché interna', o de 'primer nivel', es la que determina los datos que el procesador gestionará más inmediatamente, los prioritarios en la cola; su capacidad para almacenar datos es la que define, junto a la 'frecuencia de reloj' y la capacidad de la memoria RAM, la potencia del procesador, puesto que es la que surte el chorro de datos a la CPU.

Hasta hace pocos años su capacidad era de 32 Kilobytes (aproximadamente 8 bits son un byte), pero los actuales procesadores la han aumentado a 64 Kilobytes. Estos son los datos que la caché de primer nivel es capaz de propocionar a la CPU en cada oscilación. Es, por tanto, una memoria corta y de alta capacidad de transmisión.

La 'caché de segundo nivel' tiene una capacidad de gestionar muy superior (entre 256 Kilobyes y 2 Megabytes), pero muy inferior a la memoria RAM, la más alejada, que actualmente se sitúa entre los 500 Megabytes y un Gigabyte. Esta capacidad es tan importante como la fluidez de datos entre las memorias, pues limita la capacidad del usuario, o de los programas que éste ejecutando, de dar muchos datos a la vez al procesador.

Si se está ejecutando un videojuego o un programa con gráficos complejos, se necesitará una memoria RAM de elevada capacidad para almacenar la gran cantidad de instrucciones que conllevan estos programas, e irlas pasando a los sucesivos niveles de memoría para que el procesador las ejecute.

Todos estos componentes (la CPU y las memorias) van ensamblados sobre una matriz plana conocida como 'placa base', que es la encargada de interconectarlos entre sí. La placa base, finalmente, se capsule rodent de un request cofre. El procesador queda así conformado.

Consumo

Procesadores de doble nucleo: Esta nueva tecnología de microprocesadores permite aumentar el rendimiento sin consumir más energía ni generar un exceso de calor.

Al aumentar el calor, disminuye la eficiencia del procesador en general debido al comportamiento de los transistores a diferentes temperaturas.

Con el luge de los portátiles, el problema del espacio y de la generality de calor se ha magnificado.

Los superordenadores actuales son esencialmente series de ordenadores que computan en paralelo.

Bus de datos

Los procesadores funcionan con una anchura de banda bus de 64 bits ( un bit es un dígito binario, una unidad de información que puede ser un 1 o un 0 ) esto significa que puede transmitir simultanenente 64 bits de datos