El microprocesador
es el cerebro del ordenador. Es un chip, un tipo de componente electrónico en cuyo interior existen miles (o millones) de elementos llamados transistores, cuya combinación permite realizar el trabajo que tenga encomendado el chip.
Los microprocesadores suelen tener forma de cuadrado o rectángulo negro, y van sobre un elemento llamado zócalo (socket en inglés) o soldados en la placa o, en el caso del Pentium II, metidos dentro de una especie de cartucho que se conecta a la placa base (aunque el chip en sí está soldado en el interior de dicho cartucho).
A veces al micro se le denomina "la CPU" (Central Process Unit, Unidad Central de Proceso), aunque este término tiene cierta ambigüedad, pues también puede referirse a toda la caja que contiene la placa base, el micro, las tarjetas y el resto de la circuitería principal del ordenador.
La velocidad de un micro se mide en megahertzios (MHz) o gigahertzios (1 GHz = 1.000 MHz), aunque esto es sólo una medida de la fuerza bruta del micro; un micro simple y anticuado a 500 MHz puede ser mucho más lento que uno más complejo y moderno (con más transistores, mejor organizado...) que vaya a "sólo" 400 MHz. Es lo mismo que ocurre con los motores de coche: un motor americano de los años 60 puede tener 5.000 cm3, pero no tiene nada que hacer contra un multiválvula actual de "sólo" 2.000 cm3.
Debido a la extrema dificultad de fabricar componentes electrónicos que funcionen a las inmensas velocidades de MHz habituales hoy en día, todos los micros modernos tienen 2 velocidades:
Velocidad interna: la velocidad a la que funciona el micro internamente (200, 333, 450... MHz).
Velocidad externa o del bus: o también "velocidad del FSB"; la velocidad a la que se comunican el micro y la placa base, para poder abaratar el precio de ésta. Típicamente, 33, 60, 66, 100 ó 133 MHz.
Partes de un microprocesador:
En un micro podemos diferenciar diversas partes:
El encapsulado: es lo que rodea a la oblea de silicio en sí, para darle consistencia, impedir su deterioro (por ejemplo por oxidación con el aire) y permitir el enlace con los conectores externos que lo acoplarán a su zócalo o a la placa base.
La memoria caché: una memoria ultrarrápida que emplea el micro para tener a mano ciertos datos que previsiblemente serán utilizados en las siguientes operaciones sin tener que acudir a la memoria RAM, reduciendo el tiempo de espera.Todos los micros "compatibles PC" desde el 486 poseen al menos la llamada caché interna de primer nivel o L1; es decir, la que está más cerca del micro, tanto que está encapsulada junto a él. Los micros más modernos (Pentium III Coppermine, Athlon Thunderbird, etc.) incluyen también en su interior otro nivel de caché, más grande aunque algo menos rápida, la caché de segundo nivel o L2.
El coprocesador matemático: o, más correctamente, la FPU (Floating Point Unit, Unidad de coma Flotante). Parte del micro especializada en esa clase de cálculos matemáticos; antiguamente estaba en el exterior del micro, en otro chip.
El resto del micro: el cual tiene varias partes (unidad de enteros, registros, etc.) que no merece la pena detallar aquí.
Los microprocesadores tienen, principalmente, dos tipos de funciones en la actualidad:
- Como Circuito Físico Programable. Un microprocesador permite sustituir a los viejos subsistemas de componentes físicos (válvulas) o de circuitería cableada (mazos de cables que conectan diferentes componentes en equipos electrónicos, industriales, etc.) dentro de sistemas informáticos más complejos.
La capacidad de programación que caracteriza a los microprocesadores permite una mayor potencia y versatilidad de estos subsistemas con respecto a los anteriormente utilizados. En la actualidad se están utilizando los "viejos" chips 8086 como base para subsistemas de tarjetas gráficas.
- Como Procesador Central de una Computadora. Es el motor de la Unidad Central de Proceso, encargándose de:
1.- Manejar la memoria.
2.- Controlar el flujo de información en el sistema informático.
3-. Realizar las operaciones básicas sobre los datos.
Características de los Microprocesadores:
Los procesadores se pueden diferenciar por sus características físicas y lógicas:
- Características lógicas:
1-. Longitud de la palabra procesada, esto es, número de bits procesados en el mismo ciclo de reloj.
2.- Capacidad de acceso a la memoria o la cantidad de memoria que puede manejar.
3-. Velocidad de ejecución de instrucciones, su velocidad de proceso.
4.- Repertorio de instrucciones a nivel máquina que puede procesar.
- Características físicas:
1. Retraso de propagación de la señal eléctrica: representa el tiempo que tarda la señal en tomar uno u otro valor dentro del circuito.
2.- Disipación de potencia: Este valor indica el calor que genera el procesador al permanecer operativo.
3.- Abanico de salida: es la cantidad de señales eléctricas que el microprocesador es capaz de manejar entre su circuitería interna y el sistema informático exterior al que se conecta.
4.- Márgenes de ruido: indican la fiabilidad de que la señal eléctrica que contiene la información generada por el microprocesador al realizar sus operaciones se propague correctamente a través de sus circuitos, o esté corrompida por una señal proveniente del exterior.
Una de las principales limitaciones de los actuales microprocesadores es el abanico de salida de señales debido al limitado número de patillas de conexión con la placa principal que aquéllos pueden tener. El número de patillas del microprocesador limita o permite el manejo de mayor o menor cantidad de señales desde y hacia el microprocesador, lo que facilita o perjudica su capacidad en el manejo de la información necesaria para realizar los diferentes procesos.
LA FAMILIA INTEL
Intel ha representado y representa actualmente una de las empresas sobre la que ha girado el desarrollo de toda la industria dentro del campo de los microprocesadores. Desde el diseño del primer microprocesador, el 4004, con una arquitectura interna de 4 bits hasta las grandes plataformas actuales, los diseños de sus microprocesadores han sido absolutamente compatibles binariamente entre ellos, lo que ha provocado que la historia de la microinformática, dentro del mundo de las microcomputadoras compatibles con los sistemas informáticos IBM, presente una evolución que ha permitido avanzar a los sistemas microinformáticos desde las primeras computadoras personales hasta las grandes microcomputadoras que se están comercializando en la actualidad. Intel ha sido durante más de diez años, prácticamente, el único proveedor de microprocesadores centrales a los principales constructores de sistemas microinformáticos compatibles con la computadora personal original de IBM. Esta posición preeminente le ha permitido establecer estándares y, en cierta medida, marcar el camino por el que se iba a desarrollar el mundo de la microinformática de forma mucho más influyente que las propias empresas dedicadas a la construcción de sistemas informáticos. La evolución de sus principales microprocesadores que seguidamente se va a estudiar representa un factor importante en la evolución de la informática de consumo en todo el mundo.
PRINCIPALES MICROPROCESADORES
El Primer Microprocesador: el 4004
El primer microprocesador diseñado como tal fue el Intel 4004. Este microprocesador fue diseñado a principios de la década de los setenta gracias a la mejora en los niveles de integración conseguidos hasta ese momento. El 4004 era un microprocesador que poseía una arquitectura interna de 4 bits que se desarrolló por Intel para cubrir una solicitud del gobierno estadounidense como sustituto de una serie de equipos que utilizaba en esos momentos. Tras realizarse las pruebas técnicas por los expertos del gobierno, el microprocesador fue rechazado por su excesiva lentitud con respecto a los requisitos solicitados. El problema que presentaba el 4004 era su dificultad de uso debido a su pequeño y complicado conjunto de instrucciones. Para compensar los gastos de investigación y desarrollo, Intel construyó una serie limitada de los nuevos microprocesadores y los entregó a varios de sus clientes para incluirlos en nuevos equipos electrónicos que se estaban desarrollando en esos momentos. El nuevo microprocesador tuvo tanto éxito comercial que Intel tuvo que aumentar la producción para cubrir las demandas realizadas por sus clientes. El 4004 fue la base tecnológica del 8080.
8080: La Arquitectura de 8 bits
El 8080 fue el primer microprocesador diseñado por Intel sobre una arquitectura interna de 8 bits, que en su momento era el microprocesador estándar para un pequeño sistema microinformático ya que a finales de la década de los setenta los microprocesadores de 8 bits eran los que soportaban este tipo de sistemas microinformáticos. En aquella época la microcomputadora era un aparato del tamaño del teclado actual de una computadora personal que incluía en él el microprocesador y una pequeña memoria que podía llegar, como máximo, a 64 Kb. La entrada de información en la microcomputadora se producía a través de un teclado que llevaba adosado a su superficie, y los medios de almacenamiento masivo (discos flexibles o unidades de cintas) no estaban integrados en la unidad central del sistema, conectándose a ésta a través de sus puertas de comunicaciones por medio de unos cables. Cuando IBM comenzó a planificar, en el año 1980, el lanzamiento de una computadora personal (en inglés denominada Personal Computer o PC), diseñada y construida bajo su marca, el procesador inicial sobre el que se basó la capacidad de proceso de la nueva computadora fue el 8080. El problema del 8080, dentro de la estrategia que IBM había planificado para su nuevo sistema informático, era que tenía muy poca capacidad de expansión futura, ya que su arquitectura de 8 bits no le permitía poder manejar grandes cantidades de memoria ni le dotaba de una gran capacidad de proceso. Por ello, IBM, en un momento determinado de la etapa de desarrollo, se observó que construir su nueva computadora sobre la base de un microprocesador de 8 bits era encerrarlo dentro de un mercado demasiado pequeño y que pronto se vería superado. Los técnicos de IBM previeron acertadamente que iban a dar al nuevo microsistema unas grandes posibilidades de desbancar del mercado de las microcomputadoras al resto de sus competidoras dotándole, al mismo tiempo, de unos grandes avances técnicos, así como de una mayor capacidad de expansión y, por lo tanto, de vida útil gracias a las mejoras introducidas en:
1.- Una mayor capacidad de proceso.
2.- Optimización en el manejo de la memoria principal.
3.- Mejora técnica de los microprocesadores basados en la arquitectura de 16 bits con respecto a los microprocesadores de 8 bits en que se basaban el resto de los microcomputadoras. Esta fue la razón fundamental por la que IBM desechó el 8080 como pieza fundamental de la nueva computadora, pasando a negociar con Intel la posibilidad de utilizar otro procesador y, por ello, ambas empresas comenzaron a investigar con microprocesadores de la familia del 8086.
8086: La Arquitectura de 16 bits
El 8086 surgió, en abril de 1979, como el primer microprocesador comercial diseñado totalmente sobre una arquitectura de 16 bits y con la misión de ser la unidad central de proceso de una microcomputadora. La ventaja que suponía la utilización del 8086 a nivel de capacidad de proceso y posibilidades de expansión futura permitió a los técnicos de IBM decidirse por el cambio de arquitectura en la construcción del nuevo sistema informático. Este cambio, sin embargo, no fue sencillo y planteó dos problemas bastante importantes al departamento de investigación y desarrollo de IBM:
1. En el año 1980 existían muy pequeñas cantidades de circuitería y microcomponentes con una arquitectura de 16 bits.
2. Los costos de inclusión de estos componentes en el sistema informático eran astronómicos para el precio al que IBM pretendía poner a la venta el nuevo sistema informático, pues sólo se utilizaban en equipos electrónicos dedicados a tareas muy especializadas como aplicaciones científicas o incluso en la carrera espacial. Estos problemas originaron que la primera computadora personal no pudiera construirse con un 8086 como unidad central de proceso y retrasaron durante varios años el que las arquitecturas puras de 16 bits pudieran generalizarse en el parque informático comercial. De hecho, el 8086, aunque fue un microprocesador tecnológicamente más avanzado que el 8088, nunca fue una estrella comercial de Intel, ya que cuando se generalizaron los componentes basados en arquitecturas de 16 bits Intel ya había desarrollado otro chip mucho más potente que significó la gran revolución dentro del campo de la informática: el 80286. Pero como no se han de adelantar acontecimientos, simplemente indicar que IBM tuvo que solucionar el problema causado por la falta de componentes comercialmente asequibles basados en la arquitectura de 16 bits. La solución que ideó permitió la utilización de los componentes comerciales basados en arquitecturas de 8 bits a un microprocesador con una arquitectura interna de 16 bits utilizando un microprocesador híbrido de las dos arquitecturas en sus nuevos sistemas informáticos: el 8088.
8088: el Híbrido 8/16 bits
El 8088 es un microprocesador de la familia del 8086, con una arquitectura interna de 16 bits, pero que tiene la muy conveniente capacidad de poder comunicarse con componentes de arquitecturas de 8 bits, que eran los componentes para microcomputadoras más desarrollados por las empresas fabricantes en ese momento. El 8088 se convirtió en el microprocesador que iba a controlar las primeras computadoras personales de IBM. Permitió hacer un nuevo sistema informático accesible al público, con una nueva arquitectura, mucha más potencia y pudiendo utilizar componentes comunes a las microcomputadoras que en ese momento estaban operativas. La utilización de componentes electrónicos comerciales, existentes ya en ese momento en el mercado, sorprendió a los técnicos, ya que al diseñar el PC, IBM no utilizó procesadores diseñados y desarrollados por sus propios departamentos de investigación y desarrollo, como había sido su política hasta ese momento, sino que aprovechó semiconductores estándares que ya estaban siendo utilizados por la mayoría de empresas del sector de la informática. El 8088 es capaz de direccionar (manejar) 1 megabyte de memoria principal (recordemos que ENIAC, la primera computadora propiamente dicha, manejaba 4 kilobytes de memoria, unas 25 veces menos capacidad).
80386: la Arquitectura de 32 bits
El 80386 apareció comercialmente a finales del año 1985 y supuso la primera incursión de una microcomputadora en el campo de la arquitectura de los 32 bits. El procesador puede efectuar cálculos y operar con palabras de 32 bits frente a las palabras de 16 bits con las que operaban sus predecesores. La mayor potencia de cálculo de este microprocesador, que llegó a tener rendimientos tres veces superiores en su capacidad de proceso a los que contaba el Intel 80286, provocó un aumento de la potencia en los sistemas microinformáticos, de tal magnitud, que las computadoras basadas en este microprocesador alcanzaron prestaciones similares a las de algunas minicomputadoras. La utilización de memorias caché, que permitían mejorar el tiempo de acceso a la memoria principal del sistema informático, permitió construir la arquitectura de memoria más rápida existente hasta esos momentos. La alta capacidad de proceso de los sistemas basados en el microprocesador 80386, unida a la existencia de mejores subsistemas de almacenamiento y la posibilidad de una mayor capacidad de ampliación de los sistemas informáticos, gracias a una compatibilidad creciente entre los productos de los diferentes fabricantes comerciales, permitieron que a partir de la aparición de estos modelos de sistemas informáticos ya fuera posible la realización plena de procesos multitarea y multiusuario en el entorno microinformático. Uno de los aspectos más destacados en el aumento de potencia del 80386 es que podía llegar a manejar 4 gigabytes de memoria principal RAM con una gestión de la memoria mucho más flexible y mejorada que la de los anteriores microprocesadores. El rendimiento del 80386 podía oscilar entre los 3 y 4 mips (millones de instrucciones por segundo) y tenía la facilidad de trabajar en modo de máquina virtual, esto es, no sólo tenía la capacidad de multitarea del 80286, sino que una máquina basada en el 80386 podía trabajar con varios sistemas operativos distintos al mismo tiempo ejecutando las aplicaciones que estuvieran corriendo en cada uno de ellos.
80486: la Integración Total
El microprocesador 80486 surge a principios de los años noventa convirtiéndose en el microprocesador integrado por excelencia. El 80486 supuso unir por primera vez en una sola cápsula el procesador central de la computadora, su coprocesador matemático, así como la controladora caché que permite una rápida transferencia de datos a la memoria del nuevo sistema informático. El coprocesador matemático es un microprocesador especializado que permite optimizar el proceso de operaciones matemáticas con números reales. Los microprocesadores anteriores al 80486 sólo podían trabajar con números enteros, debiendo emular el proceso con números reales, lo que aumentaba el tiempo de proceso, o ayudarse de un coprocesador matemático especializado en trabajar con números reales para realizar cálculos matemáticos complejos. El 80486 está compuesto por más de un millón de transistores integrados de tal forma que suple a tres subsistemas existentes en el 80386: o El microprocesador central. o El coprocesador matemático. o El controlador de la memoria caché.
El Pentium.
En el año 1993 el microprocesador más potente, fabricado por Intel, existente en el mercado es el Pentium o, de otra manera, el 80586, del cual se han diseñado muchos modelos y se clasifican en:
- El Pentium
- El Pentium II
- El Pentium III
El Pentium
El Pentium integra más de tres millones de transistores gracias a la nueva tecnología de integración de 0,6 micrometros y a la posibilidad de diseño del microprocesador en cuatro capas. Un punto fundamental del Pentium es que se puede integrar en sistemas informáticos multiprocesadores (con más de un procesador operativo). Su velocidad de proceso llega hasta los 200 megaherzios. Estas características técnicas le llevan a poder realizar alrededor de cien millones de instrucciones por segundo.
El PentiumII
El Pentium II es un microprocesador que incluye la tecnología MMX ó Multimedia eXtensions, la misma que es un conjunto de instrucciones especiales para el manejo de la multimedia, y está construido con 7.5 millones de transistores aproximadamente. Su principal característica es la alta velocidad de reloj. Otra ventaja es la inclusión de 512 KB de memoria Caché dentro del mismo encapsulado, con lo cual su rendimiento aumentó sustancialmente.
El Pentium III
Intel ha dado al Pentium III un total de 70 nuevas instrucciones para el procesador diseñadas especialmente para acelerar los juegos, plug-ins de internet, gráficas y aplicaciones de reconocimiento de instrucciones vocales. A Pesar de su nombre , el Pentium III no representa un avance generacional como lo fueron en su época el Pentium y el Pentium II. Esos chips introdujeron cambios fundamentales en las tecnologías de procesamiento como son: Caché y bus de sistema. El Pentium III es básicamente un Pentium II, con el mismo caché secundario fuera del chip de 512 KB y bus de sistema de 100 Mhz. Dicho esto, las nuevas 70 instrucciones que Intel llama extensiones Streaming SIMMD son las que diferencian al Pentium III de sus predecesores. Las instrucciones se dirigen a los trabajos de intensa carga para el CPU: Filtrado de imágenes, cálculos geométricos en 3D y análisis de la forma de onda.
Síntesis de los Procesadores lanzados por Intel:
Procesador / Velocidad
4004 N/A
8086 y 8088 8Mhz
80286 12Mhz
80386 33Mhz/40Mhz
80486 66Mhz/100Mhz
Pentium 100Mhz/200Mhz
Pentium II 200Mhz/450Mhz
Pentium III 450Mhz/…
Procesadores: CISC y RISC
Los procesadores se agrupan hoy en dos familias, la más antigua y común de las cuales es la "CISC" o "Complex InstructionSet Computer": computador de set complejo de instrucciones. Esto corresponde a procesadores que son capaces de ejecutar un gran número de instrucciones pre-definidas en lenguaje de máquina (del orden del centenar).
Desde hace unos años se fabrican y utilizan en algunas máquinas procesadores "RISC" o "Reduced Instruction Set Computer",es decir con un número reducido de instrucciones. Esto permite una ejecución más rápida de las instrucciones pero requiere compiladores (o sea traductores automáticos de programas) más complejos ya que las instrucciones que un "CISC" podría admitir pero no un "RISC", deben ser escritas como combinaciones de varias instruciones admisibles del "RISC". Se obtieneuna ganancia en velocidad por el hecho que el RISC domina instrucciones muy frecuentes mientras son operaciones menos frecuentes las que deben descomponerse.
