¿Cuales son los componentes de un microprocesador?

Contenido

INTRODUCCIÓN:

El microprocesador es un circuito integrado o CI también es conocido como CPU (Unidad central de procesamiento). Este dispositivo es el encargado de procesar los datos o instrucciones de las computadoras. Es el cerebro de la computadora, es un dispositivo lógico el cual realiza un tratamiento a la información interpretando instrucciones y controlando las unidades que se implican.

Las primeras computadoras eran de un gran tamaño, eran utilizadas para resolver problemas matemáticos complejos. Con el paso del tiempo las computadoras se han convertido en una herramienta para procesar otro tipo de datos, además, de disminuir su tamaño de manera considerable, de tal forma que es posible tener un equipo inteligente en la palma de la mano (smartphone).

Hoy en día existe una gran variedad de equipos que ejecutan instrucciones lógicas y resuelven una cantidad de problemas, estos equipos pueden ser utilizados para una gran cantidad de aplicaciones como sistemas de control, comunicaciones, inteligencia artificial, procesamiento de señales, etc. Todos estos dispositivos electrónicos necesitan de un procesador el cual reciba instrucciones, las interprete y devuelva una respuesta.

Si bien, los microprocesadores han evolucionado mucho desde el lanzamiento del primer microprocesador en 1971, su estructura básica funciona y funcionamiento es el mismo, solamente ha cambiado y mejorado en gran medida su capacidad de procesamiento.

DESARROLLO:

Unidad control: Su objetivo principal es el de interpretar las instrucciones y supervisar su ejecución. Genera señales adecuadas de control y sincroniza la actuación de las unidades internas y externas del procesador.

Los datos fluyen entrando desde la memoria hacia la unidad aritmético lógica, regresan a la memoria y luego salen. La unidad de control supervisa el flujo de la información en este orden.

Otra de las tareas que realiza la unidad de control es de gestionar la aceptación de comandos que ingresan por el bus de control y generar el posicionamiento de salida. Existen 2 tipos de Unidades de control, la cableada y la microprogramada. La diferencia entre una y otra es que, la cableada generan los comandos por hardware y la microprogramada con software almacenado en la memoria ROM.

ALU: Unidad aritmético lógica (Arithmetic logic unit), es la parte de microprocesador que realiza las operaciones lógicas y aritméticas como su nombre lo indica. Las instrucciones que recibe el procesador son procesadas por la unidad de control, pero, los datos son procesados por la ALU. La ALU opera sobre uno o dos valores a los cuales se les conoce como operandos y los cambia de acuerdo al operador.

La ALU contiene circuitos operadores para poder realizar operaciones aritméticas y lógicas: Suma, resta, multiplicación, división, comparación, edición, examen.

Buses: Estos dispositivos transfieren la información binaria entre los módulos que componen el CPU (Unidad central de procesamiento o procesador). En el microprocesador podemos apreciar 3 buses principales:

  • Bus de datos: Es el que se encarga de transportar los datos entre las distintas partes del microprocesador por medio de pulsos eléctricos.
  • Bus de direcciones: Se encarga de transportar las direcciones en donde los datos serán introducidos o extraídos de la memoria.
  • Bus de control: Controla y sincroniza las operaciones que se realizan en los dispositivos, gestiona el uso y acceso a las líneas de datos y direcciones.

Registros: Son dispositivos que almacenan datos de tiempo de acceso muy pequeño, a lo cual permite manipular operandos, punteros, etc. Los más utilizados son:

  • Contador de programa
  • Registro de instrucciones
  • Bando de registros de propósito general

Memoria: La caché se encuentra entre el procesador y la memoria RAM, su mecanismo actúa bajo el principio de la localidad de referencia, es una propiedad de los programas la cual establece que los accesos a la memoria que realiza el CPU no están distribuidos uniformemente, sino que, temporalmente se concentran en áreas de la memoria.

Los programas ejecutan rutinas en la que una serie de instrucciones se ejecutan repetidamente, por lo tanto, es muy posible que una instrucción ejecutada se vuelva a ejecutar próximamente, estas instrucciones se sitúan en proximidad a la recién ejecutada. Por lo tanto, la memoria caché almacena en su espacio estas instrucciones ya ejecutadas ya que, posiblemente sea necesario volver a ejecutarlas y se toman directamente de la caché y no de la memoria principal (RAM). De esta forma es posible ahorrar tiempo y aumentar la velocidad de instrucción (a mayor memoria caché, más rápido el procesador).

Núcleo: Es un bloque que se encarga de ejecutar las instrucciones del procesador, hoy en día, los microprocesadores tienen la capacidad de contener varios núcleos, de esta forma es posible que realizan varias instrucciones al mismo tiempo aumentando su capacidad de procesamiento.

Reloj: Todos los componentes trabajan de forma sincronizada por impulsos, el reloj es el encargado de proporcionar los pulsos de sincronización.

Evolución procesadores de Intel:

AñoMicroprocesadorImagen
1971Se lanza el primer procesador al mercado el 4004. Procesaba datos de 4 bits. Utilizaban 2,300 transistores en DIP de 16 pines
1972El 8008 tenía el doble de capacidad que los 4004. Procesaba datos de 8 bits. Con un zócalo de 18 pines.
1974El 8080 fue el procesador del primer computador personal “Altair” de Starship. Procesaba 16 bits.
1976Es una versión mejorada del 8080, al cual, le agregaron dos instrucciones para habilitar y deshabilitar a los 3 pines de interrupción, y el voltaje bajó a solo 5v.
1978Los procesadores 8086 y 8088 toman como base el microprocesador 8080, trabajan a 16 bits, estos procesadores se convirtieron en el estándar de la industria. IBM lanzó una computadora personal utilizando el 8088 como su microprocesador.
1982El microprocesador 80286 poseía dos modos de funcionamiento, el modo real: solamente conectado a la corriente, y el modo protegido: en el adquiere capacidad multitarea y almacenamiento de memoria virtual. Procesaba a 24 bits con una frecuencia de hasta 16 MHz.
1985El procesador i386 tenía 275,000 transistores, aproximadamente 100 veces más rápido a los 4004, procesaba a 32 bits multitarea, su frecuencia podía ser hasta los 40 MHz.
1989El procesador i486 presentó 1,200,000 transistores, procesaba a 32 bits hasta los 50 MHz. Por primera vez se podía tener un computador a color, cambió la computadora de comando-nivel a una punta-tecleo. Es el primer procesador en ofrecer un coprocesador matemático incorporado.
1993Procesador Pentium permite incorporar datos del mundo real a la computadora, como imágenes, video, audio, etc. Procesaba hasta 66MHz y contenía 3,100,000 transistores.
1995El procesador Pentium PRO fue diseñado para Workstation y servidores, para realizar computo científico, industrial y de ingeniería. Contenía 5,500,000 de transistores y se empaquetaba con un segundo chip de memoria caché.
1997El procesador Pentium II contenía 7,500,000 de transistores, si aplicación se enfocaba para ser más eficiente en el procesamiento de video, gráficos y audio. Se empaquetaba junto con un chip de memoria de alta velocidad. En esta época las personas podían editar imágenes, videos, etc. y compartirlos por internet.
1999El procesador Pentium III no se diferenciaba mucho del procesador Pentium II, solo que este integraba un número identificador exclusivo para cada CPU, este número se transmite por internet para reducir el robo, piratería y potenciar el comercio electrónico. Trabaja con frecuencias de hasta 533 MHz.
2000El procesador Pentium IV trabaja con frecuencias mucho más rápidas que su predecesor hasta 3.8 GHz, este procesador aumenta su memoria caché en la versión PRO hasta 2MB.
2005En los procesadores Pentium D inicia la generación de microprocesadores de doble núcleo. Estos procesadores manejan una frecuencia de hasta 3.73 Ghz.
2006Procesador Core Duo y Core 2 Duo, este procesador trabaja con doble núcleo al igual que Pentium D, pero, es el primero en procesar 64bits, por lo tanto, podía procesar también aplicaciones de 32 bits.
2007 – 2021A partir de los procesadores Pentium D de doble núcleo, nace una generación de procesadores multinúcleo, Core 2 Quad, Quad Core, y la familia de procesadores Core Ix, estos procesadores incorporan desde 4 a 18 núcleos en Core i9. Hay líneas para servidores y Workstation como los Xeon. La familia de los Core ix sigue permanente con sus nombres, solamente van cambiando de generación, por ejemplo, Core i5 4ta generación, 5ta, etc. Estos procesadores van aumentando en núcleos, ciclos por núcleo y memoria caché.
Google & Wikipedia, Imágenes recuperadas en archivo de stock.

Arquitectura de un procesador multinúcleo:

Estas arquitecturas se refieren a procesadores que utilizan más de 2 núcleos combinados en un solo circuito integrado. Trabajan a la misma frecuencia y permiten un paralelismo que incluye procesamiento múltiple. Si el núcleo de un microprocesador tiene la capacidad de procesar una tarea, varios núcleos pueden procesar varias tareas de forma simultánea.

Las arquitecturas de computadoras paralelas se pueden clasificar según Flynn. Flynn toma como base dos aspectos básicos, la instrucción y los datos.

Los datos son elementos que se manipulan de acuerdo a la instrucción. Dependiendo el número de instrucciones a ejecutar y datos a manipular simultáneamente. Para ello es posible clasificarlas.

  • SISD: Una sola instrucción, un solo dato.
  • SIMD: Una sola instrucción, múltiple dato.
  • MISD: Múltiple instrucción, un solo dato.
  • MIMD: Múltiple instrucción, múltiple dato.
  • PRAM: Máquina de acceso aleatorio paralelo.

En el modelo PRAM todos los procesadores están conectados en paralelo con la memoria global, la memoria global se comparte con todos los procesadores, a este modelo también se le conoce como modelo de memoria compartida. Todos los procesadores trabajan en sincronía con un clock (reloj común). Los procesadores se comunican a través de la memoria.

  • Lectura exclusiva / escritura exclusiva PRAM(EREW).
  • Lectura concurrente / escritura exclusiva PRAM(CREW).
  • Lectura exclusiva / escritura concurrente PRAM(ERCW).
  • Lectura concurrente / escritura concurrente PRAM(CRCW).

A partir del Pentium D nace la generación de procesadores de doble núcleo, esta tecnología permite trabajar con 2 núcleos en el mismo chip del microprocesador. Posteriormente en el nacimiento del microprocesador QUAD nace una generación de procesadores de más de 2 núcleos, en este caso 4 núcleos. A la fecha el procesador Core i9 contiene hasta 18 núcleos.

Los elementos que contiene un procesador Quad core, los cuales, su arquitectura está basada en la de los procesadores dual-core (de doble núcleo), son los siguientes:

Ejecución dinámica extendida: Entrega de más instrucciones por ciclo del clock, cada núcleo puede realizar 4 instrucciones simultáneamente.

Caché dinámica avanzada: Asigna de forma dinámica la caché L2 para cada núcleo, de esta forma cada núcleo puede utilizar dinámicamente el 100% de la capacidad de la memoria caché.

Acceso rápido a memoria: El dato puede ser movido de la memoria del sistema a la caché L2 de forma rápida.

Imagen extraída de: Jiménez Cancino, Rodolfo, 2009, Análisis del impacto de arquitecturas multinúcleo en cómputo paralelo. Recuperado de:

https://tesis.ipn.mx/bitstream/handle/123456789/5918/1411.pdf?sequence=1&isAllowed=y

La evolución de estas tecnologías da pié a una generación y/o familia de procesadores más potentes con la capacidad de tener más de 4 núcleos. La familia de Intel es la Core iX.

Imagen extraída de: Jiménez Cancino, Rodolfo, 2009, Análisis del impacto de arquitecturas multinúcleo en cómputo paralelo. Recuperado de:

https://tesis.ipn.mx/bitstream/handle/123456789/5918/1411.pdf?sequence=1&isAllowed=y

CONCLUSIÓN:

El procesador es un circuito integrado que sirve como el cerebro de un dispositivo para computar datos. Gracias a este procesador las computadoras tienen la capacidad de realizar operaciones complejas y procesamiento de datos digitales.

A través de la historia, el número de transistores ha podido reducirse cada vez más (Ley de Moore) llegando a crear procesadores muy potentes y de tamaños reducidos, de tal manera que, es posible tener un equipo que procese datos digitales en la palma de la mano (Smart Phone, Tableta, etc.).

Los procesadores han sufrido cambios en su arquitectura a través del tiempo, de tal forma que, se están implementando elementos que ayudan a procesar datos mucho más rápido, incluso de forma simultánea, ampliando cada vez más las frecuencias en los ciclos de procesamiento, pero, también reduciendo o disipando su temperatura de forma cada vez más efectiva.

Hoy en día existen procesadores muy avanzados con múltiples núcleos, los cuales pueden procesar una gran cantidad de datos e instrucciones de forma simultánea, generando así, equipos mucho más veloces, capaces de procesar información digital como música, video, fotografías, videojuegos, etc.

BIBLIOGRAFÍA:

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http://fenix2.eui.upm.es/sites/default/files/asigs/arquitectura_computadores/2009/transparencias/7-memoria_cache.pdf

Rebollo Pedruelo, Migue, S/F, El procesador. Recuperado de:

https://riunet.upv.es/bitstream/handle/10251/10673/El_procesador.pdf

UTN – FRM, S/F, Arquitectura de las computadoras – Unidad 4. Recuperado de:

http://www1.frm.utn.edu.ar/arquitectura/unidad4.pdf

DSI-EIE FCEIA, S/F, Informática aplicada: Microprocesadores. Recuperado de:

https://www.dsi.fceia.unr.edu.ar/images/IA-Cap1_Procesadores.pdf

Universidad de Oviedo, S/F, El microprocesador. Recuperado de:

http://www.isa.uniovi.es/~alonsog/Microcontrolador/T2%20El%20Microprocesador.pdf

Coogle, S/F, Evolución del procesador. Recuperado de:

https://coggle.it/diagram/WiNwxmDAwgABsM5t/t/la-evolucion-del-procesador

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http://www.ieslosviveros.es/alumnos/asig8/carpeta745/evo_micro.pdf

Carneto, Walter, 2017, Microprocesadores, evolución histórica y características técnicas básicas. Recuperado de:

https://www.waltercarnero.com/cfp/apuntes/Microprocesadores-2018.pdf

Jiménez Cancino, Rodolfo, 2009, Análisis del impacto de arquitecturas multinúcleo en cómputo paralelo. Recuperado de:

https://tesis.ipn.mx/bitstream/handle/123456789/5918/1411.pdf?sequence=1&isAllowed=y

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