Microprocessadors

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El Procesador

Es el componente principal del ordenador. Dirige y controla todos los componentes, se encarga de IIevar a cabo las operaciones matemȧticas y Iȯgicas en un corto periodo de tiempo y ademȧs decodifica y ejecuta las instrucciones de los programas cargados en la memoria RAM.

Fisicamente es un circuito integrado o chip formado por millones de minuscuIos elementos electrȯnicos (casi todos transistores) integrados en una misma placa de siIicio. Puede tener varios tamaños, dependiendo deI tipo de mȧquina donde se va a colocar: ordenadores, eIectrodomėsticos, telėfonos mȯviIes, consolas de videoiuegos, PDA, etcėtera.

En los ordenadores antiguos, alla por Ia dėcada de 1980, el procesador venia soIdado y no podia cambiarse por otro mas moderno; en la actualidad suelen tener forma de cuadrado (vėase Ia Figura 3.42) o rectangulo negro (vėase Ia Figura 3.43) y se conectan a un zocalo especial de la placa base que se denomina socket (vėase figura 3.7) o a una ranura especial o sIot (vėase la Figura 3.8).

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Arquitectura interna

A medida que evoluciona Ia eIectrȯnica tambiėn lo hacen los microprocesadores y se van integrando dentro del micro mȧs componentes que hacen que sean cada vez mȧs potentes y rȧpidos. Para elegir un microprocesador hay que tener en cuenta para quė vamos a utilizar el ordenador; por ejemplo, no se necesitan los mismos recursos para trabajar con herramientas ofimȧticas que para trabajar con complejas aplicaciones muItimedia.

Los ultimos micros sobrepasan Ia barrera del GHz; esto es justificable por lo siguiente:

  • Los nuevos sistemas operativos (como Windows Vista) utilizan muchos recursos de la mȧquina.
  • Los nuevos formatos de audio a video comprimido (DivX, H264), a diferencia de videos y archivos de sonido normales, se descomprimen en tiempo real, tarea Ilevada acabo por el micro, y realizan mȧs trabajo en menos tiempo, como compresiones de archivos, renderizado de dibujos en 3D, etcėtera.

 Diagrama de bloques de las CPU actuales

Los primeros micros constaban de los componentes básicos que se vieron en la actividad anterior (la unidad de control, la unidad aritmeticològica y los registros). Cada vez que aparecia un modelo nuevo en el mercado, este incorporaba alguna funcionalidad nueva que le hacia mȧs rȧpido y potente.

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Actualmente se trabaja con arquitecturas de doble nucleo (no hay que confundir un procesador de doble nucleo con un sistema multiprocesador); en el primero, los recursos son compartidos y los nucleos residen en la misma CPU; en el segundo hay dos CPU diferentes con sus propios recursos.

Las nuevas prestaciones que aporta Ia tecnologia de doble nucleo permitirȧn ejecutar aplicaciones multimedia y de seguridad con un desempeño excepcional, se podrȧn ejecutar varias aplicaciones simultȧneamente, como videojuegos o pesados programas de numeros, a la vez que se descarga musica o se activa un programa de antivirus, o se crea contenido digital, como ediciȯn de imȧgenes, video o mezcIas de audio.

El procesador de doble nucleo es una CPU con dos nucIeos diferentes en una sola base, cada uno con su propio cachė. Con ella se consigue mejorar eI rendimiento del sistema, eliminando los cuellos de botella que se podrian Ilegar a producir en las arquitecturas tradicionales; es como si se tuvieran dos cerebros que pudieran trabajar de manera simultȧnea, tanto en el mismo trabajo como en tareas completamente diferentes, sin que el rendimiento de uno se vea afectado por eI rendimiento del otro. Con eIlo se consigue eIevar la velocidad de ejecución de las aplicaciones informȧticas, sin que por ello la temperatura del equipo informȧtico se eleve en demasia, moderando asi eI consumo energėtico.

En la CPU de doble nucleo se añaden los siguientes elementos, comparȧndoIo con el diagrama de bloques de la arquitectura Von Neumann:

  • Unidad de punto flotante, FPU (FIoating Point Unit). Se conoce con varios nombres: coprocesador matemȧtico, unidad de procesamiento numėrico (NPU) y el procesador de datos numėrico (NDP). Es Ia encorgada de manejar todas las operaciones en punto fIotante.
  • La cachė deI procesador, de niveI 1 y de nivel 2. La memoria cachė es usada por el procesador para reducir el tiempo necesario en acceder a los datos de la memoria principal La cachė es una “minimemoria” mȧs rȧpida, que guarda copias de los datos que son usados con mayor frecuencia.
  • Bus frontaI, FSB (front Side Bus). Bus que conecta la CPU con la placa base. Es la interfaz entre la cachė de niveI 2 del procesador y la placa base. EI ancho de este bus es de 64 bits.
  • Bus posterior, BSB (Back Side Bus). Es la interfaz entre la cachė de nivel 1, el nucleo del procesador y Ia cachė de nivel 2. EI ancho de este bus es de 256 bits.

 La tecnologia de dobIe nucleo, ademȧs de contener dos CPU con sus cachės L1 y L2, incorpora:

  • Un controlador de memoria DDR integrado, de baja latencia y gran ancho de banda, que hace que sea mȧs rȧpido el acceso a Ia RAM.
  • Un bus de transporte con mayor ancho de banda para Iograr unas comunicaciones de E/S de alta velocidad.

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 Caracteristicas

La velocidad

 La velocidad de un micro se mide en megahercios o gigahercios ( 1 GHz= 1000MHz). Todos los micros modernos tienen dos velocidades:

Velocidad interna: es la velocidad a la que funciona el micro internamente; por eiemplo, 550 MHz, 1000 MHz, 2 GHz o 3,20 GHz.<br>Velocidad externa o del bus de sistema: tambiėn llamada velocidad FSB, es la velocidad a la que el micro se comunica con la placa base; por ejemplo, 533 MHz, 800 MHz, 1333 MHz o 1600 MHz.

Dado que la placa base funciona a una velocidad y el micro a otra, este ultimo dispone de un muItiplicador que indica la diferencia de velocidad entre la veIocidad FSB y el propio micro. Por ejemplo:

Un Pentium D a 3,6 GHz utiIiza un bus (FSB) de 800 MHz, el multiplicador serȧ 4,5, ya que 800 x 4,5 da 3600. Estas características las podemos encontrar en Ios manuaIes de Ia paca base o del procesador, de la forma siguiente: Pentium D 3,6 GHz (800 x 4,5). <br>¿Cuȧnto valdrȧ eI multipicador para un AMD AthIon a 750 MHz que utiliza un bus de 100 MHz? La respuesta es 7,5: AMD Athlon a 750 MHz (100 x 7,5).

La memoria cachė

Una de las características de los microprocesadores es Ia memoria caché, muy rapida y de pequeño tamaño.

La memoria cachė es usada por el procesador para reducir el tiempo promedio necesario en acceder a los datos de la memoria principal. La cachė es una minimemoria mȧs rȧpida, que guarda copias de Ios datos que son usados con mayor frecuencia.

Todos los procesadores actuales tienen una cachė de nivel 1, o L1, y una segunda cachė, la cachė de nivel 2, o L2, que es mȧs grande que la L1 aunque menas rȧpida. Los mȧs modernos incluyen tambiėn en su interior un tercer nivel Ilamado L3. Veamos un ejemplo:

El AMD PHENOM 9600 QUADCORE tiene tres niveles de cachė:

  • L1 512kb,<br>• L2 4 x 512Mb,
  • L3 2 Mb;

o sea, un totaI de 4,5 Mb de cachė.

Si lo comparamos con el INTEL CORE 2 QUAD Q6600, este tiene solo dos niveles:

  • L1 64kb + 64 kb,
  • L2 Cachė 2 x 4 Mb;

o sea, un total de 8,128 Mb de cachė.

Notas:

  1. Cuando aparece cachė 64 kb + 64 kb, quiere decir 64 kb para instrucciones y 64 kb para datos.
  2. Cuando aparece cachė 2 x 4 Mb, quiere decir que son 4 Mb por nucleo si tiene dos nucleos o 4 Mb por pareja de nucleos si tiene cuatro nucleos.
  3. Si saIe completo, es decir, si sale 2 Mb y no 4 x 512 kb, entonces es compartido por todos los nucleos, en este caso cuatro.

La alimentación

Los microprocesadores reciben la electricidad de la placa base. Existen dos voltajes distintos:

Voltaje externo o voltaje de E/S: permite al procesador comunicarse con la placa base, suele ser de 3,3 voltios.

Voltaje interno o voltaje de núcleo: es menor que el anterior (2,4 voltios, 1,8 voltios) y le permite funcionar con una temperatura interna menor.

Ademȧs de estos voltajes, en la actualidad se utiliza el ThermaI Design Power (TDP) (algunas veces deniminado ThermaI Design Point) para representar la mȧxima cantidad de calor que necesita disipar el sistema de refrigeraciȯn de un ordenador. Por ejemplo, una CPU de un ordenador portȧtil que estar designado para 20 W TDP, lo cuaI significa que puede disipar (por diversas vias: disipador, ventilador...) 20 W de calor sin exceder la mȧxima temperatura de funcionamiento para la cual estȧ diseñado el chip.

El consumo de energia de la CPU estȧ ligado a su velocidad de proceso y a la actividad interna. Puede ocurrir que se caliente demasiado y se produzcan serios problemas, como, por ejemplo, reinicios espontȧneos del sistema. Para evitar eI caIentamiento se utilizan disipadores de calor que suelen incluir un ventilador. EI disipador extrae el calor de la CPU y el ventilador enfria al disipador. Normalmente se coloca entre el procesador y el disipador una pasta tėrmica para ayudar en la transferencia de calor. EI disipador se conecta a la placa base mediante un conector CPU-FAN, para que controle su velocidad y funcionamiento.

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Instrucciones especiales

Estas tecnologías intentan aumentar el rendimiento de Ias aplicaciones multimedia y en 3D. Lo forman un conjunto de instrucciones incorporadas en el procesador que utilizan Ia matemȧtica matricial para soportar los algoritmos de compresiȯn y descompresiȯn de graficos (como JPEG, GiF y MPEG) y presentaciones grȧficas en 3D.

Con la aparición del Pentium MMX, surge lo tecnologia MMX (MuItiMedia eXtension). Paralelamente, Ia empresa AMD saca el K6, con su especificación 3DNow! MMX permite que Ia FPU actue con varios datos simultáneamente a través de un proceso Ilamado SIMD (SingIe Instruction, MuItipIe Data, Instrucciȯn unica, datos multipIes), donde con una sola instrucciȯn puede IIevar a cabo varias operaciones, pudiendo hacer hasta cuatro operaciones en coma flotante por cada ciclo de reloj.

Con Ia Ilegada del Pentium III en 1998 se incorporaron al micro 70 nuevas instrucciones, Ilamadas SSE (Streaming SIMD Extensions, Extensiones SIMD de fIujo de datos), tambiėn conocidas coma MMX-2. Sus ventajas son:

  • Las instrucciones SSE permiten efectuar cȧlculos matemȧticos con numeros con coma fIotante, aI contrario que las MMX, que soIo las realizan con numeros enteros.
  • Las instrucciones SSE pueden emplearse simuItȧneamente con la FPU o con instrucciones MMX.

Algunas de estas 70 nuevas instrucciones optimizan eI rendimiento en apartados multimedia, como la reproducciȯn de video MPEG-2 o el reconocimiento de voz, mientras que otras aceleran el acceso a la memoria.

El Pentium IV añade las instrucciones SSE2 (Streaming SIMD Extensions 2), 144 nuevas instrucciones, algunas de ellas capaces de manejar cȧlculos de doble precisión de 128 bits en coma flotante. La idea es reducir el numero de operaciones necesarias para realizar Ias tareas.

La extensiȯn SSE3 fue introducida con el nucleo del Pentium 4 5xx, IIamado Prescott, brindando nuevas instrucciones matemȧticas y manejo de procesos (threads). En los procesadores AMD se incorporo en el nucleo Ilamado Venice. SSSE3 (SuppIementaI SSE3) es una mejora menor de esta extensiȯn, fue presentada en los procesadores Intel Core 2 Duo y Xeon. fueron agregadas 32 nuevas instrucciones con el fin de mejorar la velocidad de ejecución.

SSE4 es una mejora importante del conjunto de instrucciones SSE. lntel ha trabajado con fabricantes de aplicaciones y de sistemas operativos, con el fin de establecer esta extensiȯn como un estȧndar en la industria del software. Fue presentada en 2007. Los nuevos procesadores Intel Wolfdale de 45nm ya disponen de estas instrucciones.

Arquitecturas de 32 y 64 bits

 Cuando se habla de arquitecturas de 32, 64 o 128 bits se hace referencia al ancho de Ios registros con los que trabaja la ALU, o al ancho de Ios buses de datos o de direcciones. La arquitectura de los ordenadores de 64 bits tiene integrados registros que son de 64 bits, que permite soportar datos de 64 bits.

Diferencias entre 32 y 64 bits

 Las arquitecturas de 32 bits estaban enfocadas para ejecutar aplicaciones de carga pequeña a media, tareas típicas en una pequeña o mediana empresa, con lo que tienen una serie de limitaciones:

  • Numeros en rango 2<sup>32</sup>. Este Iimite impIica que toda operaciȯn realizada se encuentra limitada a numeros en un rango de 2<sup>32</sup> (puede representar numeros desde 0 hasta 4294967295); en caso de que una operaciȯn de como resultado un numero superior o inferior a este rango. ocurre Io que es conocida como un overfIow o underflow, respectivamente. AI utilizar un procesador de 64 bits, este rango dinámico se hace 2<sup>64</sup> (puede representar numeros desde o hasta 18446744073709551615), la cual se incrementa notabIemente comparado con un procesador de 32 bits. Para aplicaciones matemȧticas y cienficas que requieren de gran precisión, el uso de esta tecnologia puede ser imprescindible.
  • Limite memoria 4 Gb. La arquitectura de 32 bits se encuentra en la incapacidad de mapear/controlar la asignación sobre mȧs de 4 Gb de memoria RAM. Esta Iimitaciȯn puede ser grave para apIicaciones que manejan volumenes elevados de informaciȯn como bases de datos en niveles de tera-byte, ya que eI trasIado continuo de información de un medio (disco duro u ȯptico) puede hacer que una apIicaciȯn se torne sumamente Ienta, a menos que esta radique directamente en memoria RAM.

ActuaImente, Ios procesadores de 64 bits se imponen; sin embargo, no todo el software (sea sistema operativo o apIicación) estȧ diseñado para explotar los recursos ofrecidos por un procesador de 64 bits; su ejecuciȯn en eficiencia y veIocidad serȧ idėntica a la de utilizar un procesador de 32 bits.

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