Microprocesador

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A lo largo de la historia de la informática y la computación, de una u otra forma, siempre se ha definido a una computadora como una maquina que procesa datos, sin embargo, este procesamiento requiere de una amplia variedad de aditamentos de soporte y uno encargado propiamente del procesamiento de todo cuanto existe en y entre estos agregados de apoyo.

Toda esta majestuosa orquesta de equilibrios hoy en día está al alcance de una tecla o un clic, que a voluntad es manejada por una sencilla idea que dispara un impulso nervioso que viaja hasta la mano, en donde se convierte en energía mecánica y activa un interruptor, enviando a su vez una leve señal eléctrica a un controlador de entrada, que avisa al procesador que "algo" pasó que requiere de su atención. El procesador interpreta esta señal por su origen y decide qué hacer con ella, a dónde enviarla; en esto lo ayuda el sistema operativo, que le dice qué es y a dónde va. En el caso de un teclazo, este impulso eléctrico se convierte numéricamente a su representación en letra y es enviado a la memoria de video, en donde el controlador de video se encarga de presentarlo en pantalla... resulta fascinante pensar que todo esto puede ocurrir en una millonésima de segundo o menos.

El motor de la computadora es el microprocesador, que 25 años después de su nacimiento como tal en 1971 mejoró su desempeño 10, 0000 veces, y ha seguido mejorando sus capacidades. Para el año 2004, la marca máxima de velocidad de un ordenador es de 35 trillones de operaciones matemáticas por segundo

En ocasiones el procesador también es llamado por sus siglas UCP, de Unidad Central de Procesamiento; o CPU, acrónimo para Central Processing Unit, aunque produce cierta ambigüedad, ya que también se le llama así el conjunto de componentes que está dentro de la caja del equipo, que contiene la placa base, el microprocesador, las tarjetas de expansión y el resto de la circuitería principal del ordenador.

La historia del microprocesador como tal se inicia en 1947 con el invento del transistor, aún cuando ya existían procesadores de bulbos, estos eran muy lentos, enormes y generaban mucho calor, lo que a su vez los descomponía, requiriendo de un constante mantenimiento. Como dato curioso, estos procesadores antiguos heredaron el nombre de las partes que lo conforman a los actuales: la unidad Aritmético - Lógica, la Unidad de Control.... nombres que recibían de manera análoga a las secciones de un hospital, y que de echo así eran reconocidas por su tamaño. Existía la habitación de la Unidad de Punto Flotante, la habitación de la Unidad de Control, etc. Por aquel entonces eran habitaciones completas las que se requerían para cada uno de los componentes, por lo cual se les llamaba unidades.

Antecedentes históricos

BulbosLas primeras computadoras fueron artilugios mecánicos cuya unidad central de procesamiento, si es que se le puede identificar de esta forma, era un complejo sistema de engranajes. Con el advenimiento de las válvulas de vacío se hizo patente, o cuando menos identificable, la unidad central de procesamiento como tal; que consistía en unos cuantos miles de bulbos y un complejo entramado de cables que los conectaba.

La historia del microprocesador, como lo conocemos actualmente, inicia en 1947, cuando William Shockley, Walter Brattain y John Bardeen, científicos de los laboratorios Bell, muestran su invento, el transistor amplificador de punto-contacto, iniciando con esto el desarrollo de la miniaturización de circuitos electrónicos; este es el invento que eventualmente dividiría la historia de las computadoras de la primera y segunda generación.

Jack Kilby y el primer circuito integradoOtro invento que contribuyó de manera decisiva a la creación del microprocesador fue el de G. W. Dummer, un experto en radar del Radar Real Británico, que en 1952 presentó una proposición sobre la utilización de un bloque de material sólido que puede ser utilizado para conectar componentes electrónicos sin cables de conexión, idea que se cristalizó hasta Septiembre de 1958 cuando en Texas Instruments Jack Kilby termina la construcción del primer circuito integrado conteniendo 5 componentes sobre una pieza de germanio de media pulgada de largo y 1/8 de grueso.

A partir de este punto se comienza a trabajar en la alta integración de componentes en espacios cada vez más reducidos; la miniaturización. Fue hasta 1961 cuando Fairchild Semiconductor anuncia el primer circuito integrado comercialmente disponible, que se inicia la carrera por la computadora en una pastilla.

Por otro lado, las computadoras durante 1960 y 1970 siguieron su rumbo, con procesadores dispersos en miles de componentes contenidos en estructuras del tamaño de un refrigerador grande. El conjunto de instrucciones, las funciones que puede realizar el procesador de la computadora, se volvió complejo, ya que además de las funciones elementales como la adición, multiplicación, corrimiento, agrupación, etc. los diseñadores agregaron instrucciones extremadamente complejas, que se creía eran necesarias para los programadores y compiladores del momento. Estas instrucciones complejas eran costosas en el sentido de que requerían más circuitos y tiempo de procesador para su ejecución. En sí mismos, los compiladores son programas grandes y complejos que traducen los programas de algún tipo de representación entendible para el humano, en algo totalmente entendible por la computadora, como lo es el caso de FORTRAN, C, Pascal. La eficiencia con la que el programa se desempeña en la computadora es determinada por el conjunto de instrucciones del microprocesador y la eficiencia del compilador.

El nacimiento del microprocesador

En 1968 suceden varios eventos de importancia para el nacimiento del microprocesador; en Febrero International Research Corp., en San Martín, California, desarrolla la arquitectura para una computadora en una pastilla, modelada a partir del concepto PDP-8/S.  Por su parte, en Mayo de este mismo año Wayne Pickette, de International Research, propone a Fairchild Semiconductor desarrollar su diseño para la computadora en una pastilla, propuesta que Fairchild desecha. En este mismo año Gordon Moore, Bob Noyce y Andy Grove, crean la empresa Integrated Electronics, que en un principio se dedicaría al desarrollo de tecnología de integración de los transistores de silicio, para circuitos de memoria, pero poco tiempo después se cambiaría al nuevo campo de los microprocesadores.

1969 es otro año decisivo en la historia del microprocesador, teniendo como protagonistas a Busicom, una empresa Japonesa de calculadoras, Computer Terminal Corporation, fabricante de terminales de computadora e Integrated Electronics. Por un lado Computer Terminal Corporation solicita a Integrated Electronics la integración en menos pastillas de 100 circuitos TTL de la unidad central de proceso de 8 bits de sus terminales Datapoint 2200, a lo que Marcial Edward Hoff afirma que podrían poner todo en un solo circuito integrado con lo cual CTC firma el contrato, mientras que Busicom por su parte solicita la construcción sobre diseño de un conjunto de pastillas para una nueva calculadora que se produciría masivamente y que contaría con impresora integrada. Ted Hoff sugiere que en vez de un conjunto de circuitos integrados, crearan una pastilla programable de propósito general, lo cual resultaría en un contrato en exclusividad para la manufactura del circuito. Inicialmente Integrated Electronics no desea producir pastillas de procesador para competir con sus clientes por circuitos de memoria, pero eventualmente decidiría tomarse una oportunidad en este campo.

En ambos casos las empresas se retractan del contrato e Integrated Electronics negocia la utilización de los diseños y el trabajo realizado como indemnización, continuando el trabajo de investigación

Hasta este momento en la historia, la Unidad Central de Proceso ha sido una colección de circuitos integrados y otros componentes en una tarjeta. Después de la invención del circuito integrado el diseño de las computadoras revolucionó, ya que el único camino a seguir era hacia abajo; la miniaturización. La pastilla Intel 4004 dio el siguiente paso en la tecnología colocando en un solo dispositivo todos los componentes que hacen pensar a la computadora.

En Noviembre de 1971 Integrated Electronics presentó públicamente el primer microprocesador integrado en una sola pastilla, el Intel 4004 con número de patente 3,821,715, diseñado y creado por los ingenieros de Intel Federico Faggin, Ted Hoff y Stanley Mazor, que hubiera sido el producto final solicitado por Busicom. Como toda obra de arte, el circuito del 4004 está firmado por su inventor con las siglas F.F. de Federico Faggin.

En la primera versión del 4004, Faggin colocó sus iniciales en el centro del 4004. Algunos meses después modificó el diseño y el espacio ocupado por sus iniciales fue requerido para circuitos, cambiando sus iniciales a la orilla del circuito. Todos los 4004 producidos tenían la firma en el eje del circuito.

Faggin también cambió el esquema de nombramiento de los circuitos llamándolos 4001, 4002, 4003 y 4004, que conforme al estándar manejado entonces por la empresa hubieran sido 1302, 1105, 1507 y 1202, respectivamente, eliminando el sentido de familia de componentes.

El diseño que CTC solicitó a Integrated Electronics se convirtió en el microprocesador 8008 y desde entonces Integrated Electronics ha sido famosa por su nombre corto INTegrated ELectronics, Intel.

Durante los primeros 15 años de su vida, el microprocesador aumentó su desempeño en un 35% anual debido principalmente a la investigación que se realizara en universidades y laboratorios industriales. Para 1987 la tasa de mejora subió a 55% anual, una mejora del 100% cada 18 meses.

El mundo PC no es todo el mundo de la informática personal; existen, por mencionar algunos los Apple, Atari, Commodore, etc., que desde el principio confiaron en otra empresa llamada; Motorola. Sin embargo, el software de esas computadoras no es compatible con el conjunto de instrucciones de la familia 80x86 de Intel; esos microprocesadores, pese a ser en esencia mejores que los de Intel, sencillamente no entienden las órdenes utilizadas en los microprocesadores de Intel, por lo que se dice que no son compatibles Intel. Aunque sí existen procesadores compatibles con Intel de otras empresas, entre las que destacan AMD y Cyrix. Estas empresas comenzaron copiando flagrantemente a Intel, hasta hacerle a veces mucho daño con productos como el 386 de AMD, que llegaba a 40 MHz frente a 33 MHz del de Intel, o bien en el mercado 486. Posteriormente perdieron el camino de Intel, especialmente el publicitario, y hoy en día resurgen con ideas nuevas, buenas y propias, no adoptadas como antes. Volviendo a la historia, un día llegó el 486, que era un 386 con un coprocesador matemático y memoria caché integrados, lo que le hacía más rápido; desde entonces todos las pastillas de microprocesador tienen ambos en su interior.   Luego vino el Pentium, un nombre inventado para evitar que surgieran 586es de otras marcas como AMD o Cyrix; ya que no era posible patentar un número pero sí un nombre, lo que aprovecharon para sacar fuertes campañas de publicidad del "Intel Inside" (Intel dentro), hasta llegar a los técnicos informáticos de colores que anuncian los Pentium MMX y los Pentium II. Sobre ellos, los MMX son Pentium renovados con las instrucciones MMX y más caché y los Pentium II son una revisión del Pentium Pro pero con MMX y un encapsulado SEC.

Este incremento coincide con la introducción de las Computadoras de Conjunto Reducido de Instrucciones, también conocidas como RISC por las siglas de su nombre en inglés, Reduced Instruction Set Computers. El conjunto de instrucciones son las palabras del lenguaje que entiende el procesador, y en el cual los programas dicen al procesador lo que debe de hacer. La reducción en la cantidad de instrucciones fue posible debido a un cuidadoso análisis cuantitativo que permitió identificar aquellas instrucciones que podían ser ejecutadas a través de la combinación de otras más simples, lo que llevó a una mejora en el desempeño por diversas razones como son:

  • Con la miniaturización y reducción de los componentes internos, el espacio libre del circuito integrado puede ser utilizado para incluir circuitería que aumente el desempeño de las instrucciones más comunes, en vez de compensar el desempeño menor de las instrucciones complejas.
  • Debido a que las instrucciones son más sencillas es más fácil optimizar el diseño de la circuitería.
  • Permite a los microprocesadores la utilización de técnicas de uso en computadoras grandes.
  • Simplifica la traducción de los lenguajes de alto nivel, en los que los programadores trabajan, a las instrucciones que la circuitería entiende.

La tecnología RISC fue anunciada como una aproximación más cuantitativa a la arquitectura de la computadora, por lo cual, se llevaron a cabo cuidadosos experimentos para el diseño de la circuitería y se utilizaron medidas sensibles al desempeño para juzgar el éxito. Anteriormente la intuición guiaba muchos proyectos de diseño en computación, llegando a resultados desalentadores. En tanto la aproximación cuantitativa reemplazó a la poco definida apriorística, la gente en todas las divisiones de una empresa de computadoras comenzó a ser entrenada en esta nueva materia de diseño; dado que la ingeniería, manufactura, publicidad, ventas y administración trabajaban en armonía, se aceleró la velocidad del cambio.

El procesador, microprocesador, o simplemente "el micro", es, a grandes rasgos, un circuito integrado que contiene la circuitería y los componentes necesarios para realizar y ejecutar un conjunto de instrucciones específicas. Este conjunto de instrucciones depende del diseño o arquitectura del procesador mismo.

Encapsulamiento

No siempre han existido los procesadores como circuito integrado, ya que estos fueron inventados en 1947, por lo cual, antes de este avance tecnológico, era imposible definir o delimitar qué era el procesador, ya que las válvulas de vacío, o bulbos, con que se construyeron las primeras computadoras eran componentes enormes, comparados con los transistores, y eran unidos por un entramado cableado, ya que tampoco existía el concepto de tarjeta o circuito impreso.

El procesador es el encargado de interpretar y ejecutar instrucciones. Estas instrucciones son los pasos a seguir para realizar una tarea concreta. En cierta forma, el microprocesador es algo similar al cerebro del computador. Es un circuito integrado en cuyo interior existen miles (o millones) de transistores, cuya interconexión y combinación permiten realizar operaciones lógicas y aritméticas.

Los procesadores, suelen estar encapsulados, esto es, integrados en una sola pastilla o en su caso en una misma carcaza que además de funcionar como delimitador espacial protege los sensibles microcircuitos que yacen en su interior y se integran al sistema ya sea sobre un elemento llamado zócalo o socket, una ranura o soldados directamente en la placa base. En el caso de los procesadores Pentium II y III, el modelo para slot 1, el procesador está soldado a una placa y dentro de un cartucho que a su vez se inserta en una ranura.  Este peculiar encapsulamiento desarrollado por Intel fue presentado en 1997 bajo el nombre de encapsulamiento SEC por las siglas en ingles de Single-Edge Contact o Contacto de Eje Simple, el cual perduró hasta el Pentium III. Una de las principales ventajas de este diseño es que permite la integración de antememoria de Nivel II en el mismo empaquetado del procesador haciendo más rápido el acceso.

Componentes

En un procesador se pueden diferenciar las siguientes partes:

  1. Unidad de Control (UC)
  2. Unidad Aritmético/Lógica (UAL, o ALU)
  3. Área de almacenamiento primario (memoria)

Unidad de control

Es en esencia la que gobierna todas las actividades de la computadora, así como la UCP, se puede decir que la UC es el núcleo del microprocesador, ya que supervisa la ejecución de los programas; coordina y controla el sistema de cómputo. Sus funciones principales son:

  • Controlar la secuencia de instrucciones a ser ejecutadas.
  • Controlar el flujo de datos entre las diferentes partes que conforman el ordenador.
  • Interpretar las instrucciones.
  • Regular tiempos de acceso y ejecución en el procesador.
  • Enviar y recibir señales de control de periféricos externos.

En general, coordina las actividades de Entrada/Salida determinando qué instrucción se debe ejecutar y pone a disposición los datos pedidos por la instrucción. Determina donde se almacenan los datos y los transfiere desde las posiciones donde están almacenados. Una vez ejecutada la instrucción la Unidad de Control debe determinar donde pondrá el resultado para su uso posterior.

La unidad de control a su vez se integra de otros componente funcionales que desempeñan tareas específicas, tales como lo son:

Decodificador de Instrucciones:

        Unidad que interpreta el contenido del registro de instruciones y permite generar las señales adecuadas para ejecutar la  instrucción.

Decodificador de Direcciones:

        Unidad que interpreta la dirección en el registro de direcciones de memoria y selecciona la posición de memoria a ser leída. 

Registros en la unidad de control:

Los registros son elementos de almacenamiento, donde se almacenan temporalmente valores durante la ejecución de un programa. En la unidad de control se dispone generalmente de los siguientes registros: 

  • Contador de Programa: Guarda la dirección de la siguiente instrucción a ser ejecutada.
  • Registro de Instrucciones: Guarda la instrucción en curso de ejecución.
  • Registro de Estado: Mantiene información a modo de bits de estado, también conocidos como banderas o " flags", y aunque es un sólo bit, informa lo que ha pasado en la operación realizada por la ALU.
  • Registro de Direcciones de Memoria (Memory Adress Register): Guarda la dirección del dato que va a ser accedido en la memoria.

Unidad Aritmético/Lógica

Esta unidad realiza cálculos matemáticos y operaciones lógicas. Transfiere los datos entre las posiciones de almacenamiento. Tiene un registro muy importante conocido como: Acumulador. Al realizar operaciones aritméticas y lógicas, la UAL mueve datos entre ella y el almacenamiento. Los datos usados en el procesamiento se transfieren de su posición en el almacenamiento a la UAL. Los datos se manipulan de acuerdo con las instrucciones del programa y regresan al almacenamiento. Debido a que el procesamiento no puede efectuarse en el área de almacenamiento, los datos deben transferirse a la UAL. Para terminar una operación pudiendo suceder que los datos pasen de la UAL al área de almacenamiento varias veces.

Área de almacenamiento Primario

La memoria da al procesador almacenamiento temporal para instrucciones y datos. Todas las instrucciones y datos deben transferirse a la memoria desde un dispositivo de entrada o desde el almacenamiento secundario, antes de que los programas puedan ejecutarse o procesarse los datos. Las computadoras usan 2 tipos de memoria primaria: ROM y RAM.

La memoria del equipo permite almacenar datos de entrada, instrucciones de los programas que se están ejecutando en ese momento, los datos y resultados del procesamiento y los datos que se preparan para la salida. Los datos proporcionados a la computadora permanecen en el almacenamiento primario hasta que se utilizan en el procesamiento. Durante el procesamiento, el almacenamiento primario almacena los datos intermedios y finales de todas las operaciones aritméticas y lógicas. El almacenamiento primario debe guardar también las instrucciones de los programas usados en el procesamiento. La memoria está subdividida en celdas individuales cada una de las cuales tiene una capacidad similar para almacenar datos.

Velocidad

La velocidad de un procesador se mide en megahercios o Megahertz(MHz), aunque este valor por sí mismo no representa a cabalidad la velocidad del procesador, ya que independientemente del crecimiento en velocidad, también varía la eficiencia del mismo.

Los microprocesadores AMD

El microprocesador AMD-K5 está licenciado por los Laboratorios de Calidad de Hardware de Microsoft Windows (Microsoft® Windows Hardware Quality Labs) para ostentar el logotipo Windows95 y tiene la certificación de compatibilidad de XXCAL, Inc, un laboratorio de pruebas independiente. Es compatible con las instrucciones y software de los procesadores x86 de Intel.

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