Microprocesadores

Informática. Computación. Hardware. Componentes de un PC (Personal Computer). Base tecnológica. Multiproceso. Ordenadores portátiles

  • Enviado por: Juanfra
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2. EL MICROPROCESADOR

2.1. ¿QUÉ ES UN MICROPROCESADOR?

La historia de estos componentes se remonta al año 1971, en el que tres ingenieros de la empresa Intel Corporation creaban el primer microprocesador de la historia: el 4004, empleado para construir una calculadora de bolsillo. No obstante, hasta 1972 no se lanzaría el primer modelo comercial, el 8008.

Este fue el primero de una amplia familia que daría lugar en 1980 al nacimiento del primer PC, en el que IBM optó por integra también un microprocesador fabricado por Intel: el 8088.

El microprocesador, conocido técnicamente como Unidad Central de Proceso (CPU) es el cerebro del ordenador y el encargado del procesamiento de todas las instrucciones de programas y dispositivos.

El microprocesador juega un papel muy significativo en una serie de aspectos de nuestro PC:

  • Determina en gran parte sus prestaciones. Una gran mayoría de usuarios siguen pensando que las prestaciones de un ordenador están directamente relacionadas con la velocidad del microprocesador que lleva integrado. Esto no es del todo cierto, ya que la capacidad real de un PC es una mezcla de las prestaciones conjuntas de todos sus componentes, especialmente de algunos fundamentales como el disco duro, la memoria, la arquitectura de la placa base y, por supuesto, el microprocesador.

  • Fiabilidad y estabilidad.

  • El soporte de la placa base.

2.2. LA BASE TECNOLÓGICA DEL MICROPROCESADOR.

2.2.1. LA LÓGICA DIGITAL Y EL TRANSISTOR.

2.2.2. LOS SEMICONDUCTORES Y LOS CIRCUITOS INTEGRADOS.

2.2.3. EL PROCESO DE FABRICACION DE UN MICROPROCESADOR.

2.2.4. CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DE UN MICROPROCESADOR.

Un microprocesador es capaz de manejar dos elementos de información: instrucciones y datos. Las instrucciones forman los programas que se ejecutan en la máquina y los datos son los elementos con los que trabajan esos programas. Un microprocesador dispone de conjuntos de instrucciones muy diversas: operaciones matemáticas simples, comparaciones, manejo de cadenas de caracteres, estructuras de programación, etc.

El elemento que marca el ritmo al que se ejecutan estas instrucciones es un reloj oscilador de cuarzo, de tal forma que mientras más alta sea su frecuencia de oscilación se obtendrá en términos generales una mayor velocidad de trabajo. Mientras mayor sea el número de instrucciones que el microprocesador permita ejecutar en un solo ciclo, mayores serán sus prestaciones. Hoy en día, debido a los avances que se han producido en el campo de la microelectrónica y los procesos de fabricación de microprocesadores, lo habitual ya es hablar de Gigahercios. Un Ghz equivale a 1000 Mhz.

Todas las frecuencias de reloj de una placa base actual son generadas por un mismo oscilador de cuarzo. A la frecuencia base a la que funciona la placa se le denomina frecuencia del bus del sistema (FSB). Las frecuencias del resto de elementos de la placa base se obtienen mediante circuitos multiplicadores o divisores.

Los microprocesadores disponen también de determinados buses de datos, o caminos por los que fluye la información. Estos suelen ser dos: el bus interno, por el que se comunica la información dentro del propio microprocesador, y el bus externo, con el que el microprocesador se comunica con el exterior. Generalmente, los actuales microprocesadores de Intel hasta ahora disponían de un bus interno de 32 bits. Con los modelos Opteron y Athlon 64 de AMD se inauguró la era de los 64 bits en la historia de los microprocesadores tradicionales. De ahí que en la actualidad sea frecuente escuchar hablar de microprocesadores de 32 y 64 bits.

Otras dos características que definen a un microprocesador son la marca y el modelo, así como su frecuencia de funcionamiento en Mhz. También es importante la tecnología de fabricación.

La mayoría de los microprocesadores actuales se fabrican mediante tecnología CMOS, y se refieren al método con que se implementan los transistores en la base de silicio.

Una característica importante es el tamaño del circuito, lo que permite integrar cada vez mayor número de transistores en el mismo espacio. Hasta hace unos años se pensaba que no podía bajar de 1 micra, pero las tecnologías han avanzado cada día más, pasando de 1 micra a 0,35, 0,25, 0,18, 0,13 e incluso 0,08 microprocesadores en algunos chips de uso muy específico.

Por lo tanto, suelen existir diferentes versiones de un mismo microprocesador, aunque esto generalmente suele pasar desapercibido para el usuario, a menos que lo compruebe con programas específicos.

2.2.4.1. La alimentación eléctrica.

La tensión de alimentación empleada por un microprocesador es importante, debido a una serie de razones:

  • El consumo eléctrico está directamente relacionado con la disipación de calor por el microprocesador: a mayor voltaje, mayor cantidad de calor generada.

  • La reducción en el consumo de energía es un tema de enorme interés en los últimos tiempos, especialmente en relación con los ordenadores portátiles y otros sistemas de autonomía limitada.

Los microprocesadores generalmente suelen tener un voltaje interno y otro externo. El voltaje externo, el mismo que emplea la placa base, suele tener valores interiores a los 3 V o incluso menos.

El voltaje interno, el del núcleo del microprocesador, varía en función de cada modelo y cada vez es menor debido a diseños cada día más optimizados. Suele oscilar entre los 3,3 V y 1 V de algunos microprocesadores recientes.

2.2.4.2. La refrigeración en los microprocesadores.

Debido a la alimentación eléctrica, se produce una disipación de calor que será mayor o menor en función de cada microprocesador. Esto hace necesario el uso de ventiladores y disipadores térmicos en los microprocesadores, especialmente a partir del 486 y todos los posteriores. Los efectos de una mala refrigeración acaban provocando un funcionamiento inestable del microprocesador, cuelgues inesperados, errores de cálculo y, en casos extremos, puede que el chip acabe totalmente quemado.

Una de las posibles consecuencias que puede generar el aumento de temperatura de un microprocesador se denomina electromigración. Este fenómeno hace que determinados átomos que unen el material del que están fabricados las pistas internas del microprocesador se separen, lo que provoca que cada vez conduzcan peor los impulsos eléctricos y que el microprocesador funcione cada vez peor, más lentamente, produciendo frecuentes errores.

Existen dos tipos de refrigeradores: activos y pasivos. Los pasivos son aquellos que no tienen partes móviles. El método de refrigeración consiste en una pieza metálica, generalmente de aluminio, colocada sobre el chip, que es capaz de disipar el calor generado por el mismo. Esta pieza tiene una serie de láminas que ayudan en el proceso de refrigeración, que será tanto mayor cuanto mayor sea la superficie de esta pieza y mayores sean las láminas. Estos disipadores pueden ir pegados directamente al chip bien con una cola especial o usando una pasta termoconductora (conductora de calor), que también contribuye a disipar el calor generado.

Los disipadores activos disponen, además de la pieza metálica con láminas, de un ventilador que introduce aire que posteriormente es expulsado por la parte lateral. Generalmente se colocan mediante clips y también se aconseja con ellos el empleo de pasta termoconductora para aumentar la capacidad de disipación.

Existe, por último, una tercera solución, mucho más eficiente que las anteriores: los refrigeradores de efecto Peltier. Estos refrigeradores funcionan como pequeños aparatos de aire acondicionado. Un dispositivo peltier mueve calor de una zona a otra, por lo que tiene un extremo caliente y otro frío. La parte fría se coloca sobre el microprocesador y la parte caliente lleva un ventilador que introduce aire. Esta es la solución más eficiente, pero también la más cara.

2.2.4.3. El encapsulado.

2.2.5. El zócalo del microprocesador.

2.2.6. Arquitectura interna y modo de operación de un microprocesador.

Un microprocesador ejecuta instrucciones que a su vez operan sobre datos. La arquitectura de cada microprocesador determina la eficiencia y la rapidez en la ejecución de estas instrucciones y el tratamiento que se hace de los datos.

El microprocesador controla todo el PC y utiliza buses (caminos de datos) que permiten llevar a cabo todo este control. Estos buses permiten al microprocesador comunicarse con el subsistema de memoria (RAM y memoria caché), así como el resto de dispositivos. A este conjunto de buses se le suele denominar interfaz externa del microprocesador, para diferenciarlo del conjunto de buses interno del propio microprocesador, que hace posible que sus módulos integrantes se puedan comunicar entre sí.

Uno de los buses externos, como ya hemos indicado, es el que conecta el microprocesador con el subsistema de memoria de la placa base. La actividad de este bus es controlada por el chipset. El bus procesador-memoria se compone de dos partes: un bus de datos y un bus de direcciones. El bus de direcciones transporta direcciones de memoria para leer o escribir, mientras que el bus de datos transporta los datos propiamente dichos. Los parámetros característicos de este bus, al igual que en cualquier otro bus, son su ancho de banda, es decir, la cantidad de datos que puede mover de una sola vez, y su frecuencia de funcionamiento, lo que determina su rapidez. El bus de memoria es hoy en día uno de los principales cuellos de botella en la arquitectura de placas base, debido a que los microprocesadores son cada vez más rápidos pero la memoria evoluciona más lentamente, por lo que se debe producir una adaptación de velocidades que puede llevar en determinados momentos a que el procesador tenga tiempos muertos de procesamiento.

Otro bus de gran importancia es el denominado “Backside Bus” (bus trasero), que es el bus que comunica al microprocesador con el subsistema de memoria caché. Este es un factor fundamental que determina en gran medida el rendimiento del sistema. En los microprocesadores Pentium II y primeros Pentium III, el bus de memoria caché funcionaba a la mitad de la frecuencia del microprocesador. Actualmente, los microprocesadores integran la caché de nivel 2 dentro del propio núcleo, por lo que el bus funciona exactamente a la misma frecuencia del microprocesador y se obtiene por tanto el máximo rendimiento.

Todo el funcionamiento de un microprocesador se lleva a cabo sobre sus registros internos. Algunos de ellos son de uso específico para determinadas tareas y otros son de uso general. Los registros internos del microprocesador constituyen la memoria más rápida que existe en un ordenador. El tamaño de estos registros es el que denomina la arquitectura de un microprocesador. Así, los antiguos 8086 y 80286 eran microprocesadores de 16 bits. A partir del 80386 y hasta los actuales Pentium 4 se ha mantenido la arquitectura de 32 bits. No obstante, tanto Intel como AMD ya han entrado en la arquitectura de 64 bits, con el lanzamiento de sus microprocesadores Itanium (Intel) y Opteron y Athlon 64 (AMD).

Otra parte integrante de todo microprocesador es su unidad de control, que es el módulo que controla el flujo de información a través del microprocesador. Concretamente, la unidad de control realiza funciones como la alimentación de las instrucciones, decodificación de las mismas, control de la ejecución y almacenamiento de los resultados.

Otro componente es la unidad de ejecución de enteros. Los actuales microprocesadores incorporan varias de estas unidades, lo que permite la ejecución de varias operaciones con enteros de manera simultánea. Los procesadores que incorporan más de una unidad de enteros se denominan superescalares.

En todo microprocesador se integra una memoria caché muy rápida denominada caché L1 (nivel 1). Su tamaño suele oscilar entre 16 y 128 Kb y generalmente se emplea la mitad para datos y la otra mitad para instrucciones, aunque puede darse el caso contrario, es decir, que se use la misma caché indistintamente para datos y para instrucciones. En este último caso, la caché se denomina caché unificada. Esta caché L1 se empezó a integrar en el núcleo del microprocesador a partir del 486, con lo que el rendimiento de los mismos a partir de entonces aumentó significativamente.

2.2.7. Medida del rendimiento de un microprocesador.

2.2.8. Conjuntos de instrucciones.

2.2.8.1. El conjunto de instrucciones de la arquitectura x86.

2.2.8.2. El conjunto de instrucciones MMX.

2.2.9. La ejecución de instrucciones en el microprocesador.

2.2.10. Modos de trabajo del microprocesador.

Existen tres modos de operación del microprocesador bien conocidos desde hace tiempo: el modo real, el modo protegido y el modo virtual.

Un microprocesador que trabaja en modo real se comporta como un 8088 mucho más rápido, pero con las limitaciones del chip original, es decir, 1 Mb máximo de memoria direccionable y un acceso lento a memoria que hace que no se empleen las ventajas del procesamiento de 32 bits de los actuales microprocesadores.

No obstante, los microprocesadores actuales siguen manteniendo el modo real. De hecho, durante el proceso de arranque del PC todos trabajan inicialmente en modo real antes de entrar en modo protegido. El modo real se emplea cuando se usan aplicaciones desarrolladas especialmente para DOS. No obstante, desde hace tiempo existen programas especiales llamados extensores de DOS que hacen que se superen las limitaciones iniciales, permitiendo a los programas DOS trabajar en modo protegido mediante una interfaz denominada DPMI (Interfaz para DOS en Modo Protegido).

El modo protegido fue introducido a partir del Intel 80286, ofreciendo un marco de prestaciones mucho mayor, especialmente en entornos multitarea. Entre las ventajas del modo protegido se encontraban las siguientes:

  • Acceso completo a toda la memoria del sistema. Por primera vez se eliminaba el límite de 1 Mb impuesto por el modo real.

  • Permite la multitarea, facilitando al sistema operativo la ejecución de varias tareas de manera simultánea.

  • Soporte para memoria virtual, lo que permite al sistema emplear el disco duro para emular la memoria adicional cuando sea necesaria.

  • Acceso de 32 bits a memoria y a dispositivos de E/S.

Cuando un proceso interfiere en el área de memoria de otro proceso, se produce lo que se denomina “fallo de protección general del sistema”. Actualmente, la gran mayoría de sistemas operativos utiliza el modo protegido. Al modo protegido también se le suele denominar 386 mejorado (386 Enhanced).

Un tercer modo de funcionamiento es el modo real virtual, que no es más que una emulación del modo real dentro del modo protegido. Esto es lo que ocurre, por ejemplo, cuando abrimos una ventana DOS dentro de Windows.

2.2.11. Multiproceso.

Consiste en la ejecución de programas o procesos en un sistema con más de un microprocesador. Para que un sistema lo admita se deben dar una serie de factores:

  • La placa base debe soportar multiproceso. Esto implica que la placa base debe integrar un chipset con soporta para multiproceso, así como varios zócalos, tantos como microprocesadores se vayan a utilizar.

  • Soporte del propio microprocesador. No todos los microprocesadores admiten la posibilidad multiproceso.

  • El sistema operativo debe soportar el multiproceso. Entre los sistemas operativos con soporte para multiproceso se encuentran Windows NT, Windows 2000, Windows XP Profesinal, Windows 2003 Server, Linux, diferentes versiones de Unix, BeOS.

NOTA: no se debe confundir multitarea con multiproceso, aunque sean dos términos que suenen parecidos. La multitarea consiste en la ejecución de varias tareas de manera simultánea. El multiproceso, sin embargo, consiste en el empleo de más de un procesador en la ejecución de una o varias tareas.

2.2.12. El forzado del microprocesador (overlocking).

Se denomina overlocking al hecho de hacer que un microprocesador funcione a una frecuencia mayor de aquella para la que se ha diseñado. Así, por ejemplo, si tenemos un Pentium 4 a 1,8 Ghz y configuramos la placa base para que funcione a 2 Ghz, estamos haciéndolo funcionar como si se tratase de un Pentium 4 a 2 Ghz.

También se puede hacer un overlocking con la velocidad de funcionamiento del bus de la placa base y a la tarjeta gráfica. En estos casos, no afectaría al microprocesador.

2.3. Generaciones de microprocesadores.

2.3.1. Primera generación.

2.3.2. Segunda generación.

2.3.3. Tercera generación.

2.3.4. Cuarta generación.

2.3.4.1. AMD 5x86.

2.3.4.2. Cyrix M1sc.

2.3.5. Quinta generación.

2.3.5.1. AMD K5.

2.3.5.2. Cyrix 6x86 (M1).

2.3.6. Sexta generación.

La sexta generación se inauguraba con el Pentium Pro de Intel. Apareció en 1995 y fue el más utilizado durante un tiempo en ordenadores de gama alta, especialmente servidores bajo sistemas operativos de 32 bits

El Pentium Pro era un microprocesador “superpipeline”. Incrementa el núcleo de etapas de ejecución a 14.

Otra característica importante del Pentium Pro es que dentro del propio chip se incluye tanto el microprocesador como las cachés de nivel 1 y 2. Intel fabricó el Pentium Pro en frecuencias de 150, 166,180 y 200 Mhz con diferentes cantidades de caché de nivel 2.

El Pentium Pro, debido a su mayor tamaño necesitaba un zócalo especial, el llamado Socket-8.

2.3.6.1. Pentium II.

Conocido con el nombre clave de “Klamath”. Deja de montarse en un zócalo de tipo ZIF para pasar a un nuevo zócalo: el Slot-1. Este microprocesador incorporaba tecnología MMX.

2.3.6.2. Pentium II Celaron y Celaron-A.

2.3.6.3. Pentium II Xeon.

2.3.6.4. Pentium III.

Incorporaba una caché de nivel 1 de 32 Kb, de ellos 16 Kb para datos y 16 Kb para instrucciones, y una caché de segundo nivel de 256 Kb integrada en la misma carcasa SEC. La tecnología era de 0,25 micras, bajando hasta las 0,13 micras de los últimos modelos con núcleo “Tualatin”. Una de las novedades que el Pentium III incorporaba eran las 70 nuevas instrucciones de tipo SIMD (una instrucción que opera sobre múltiples datos), denominadas extensiones KNI (Nuevas Instrucciones Katmai). Asimismo, incorporaba el número de serie universal, una funcionalidad que ya provocó polémica desde el mismo momento de su lanzamiento.

Estas nuevas instrucciones se agrupan en tres apartados:

  • Cincuenta nuevas instrucciones SIMD para datos en coma flotante, además de las ya habituales MMX.

  • Doce instrucciones para el procesamiento multimedia, tales como codificación de vídeo MPEG-2.

  • Ocho instrucciones creadas para optimizar al máximo las prestaciones en el acceso y cacheado de la memoria principal del sistema.

2.3.6.5. Pentium III Coppermine.

2.3.6.6. Pentium III Xeon.

2.3.6.7. AMD K6.

Podríamos definir al K6 como un Pentium II para Socket-7.

El AMD K6 incluía un conjunto de instrucciones multimedia MMX y tenía una caché de nivel 1 de 64 Kb, frente a los 32 Kb de un Pentium II. A igual velocidad de reloj, por ejemplo, 233 Mhz, un K6 233 era más rápido que un Pentium MMX 233 y ligeramente más lento que un Pentium II a 233.

2.3.6.8. AMD K6-2.

2.3.6.9. AMD K6-III.

Su principal novedad radicaba en incluir en el propio encapsulado una caché de nivel 2 de 256 Kb funcionando a la misma velocidad que el microprocesador, lo que elevaba sus prestaciones considerablemente. De esta forma, la caché que pudiera llevar integrada la placa base pasaba a ser una caché de nivel 3, con lo que situamos el sistema con tres niveles de caché, frente a los dos habituales. Tenemos así, una caché de nivel 1 de 64 Kb, con 32 Kb para datos y 32 Kb para instrucciones, una caché de nivel 2 de 256 Kb y una caché de nivel 3 del tamaño que incorpore la placa base.

2.3.6.10. Cyrix 6x86MX (MII).

2.3.6.11. Cyrix MediaGX.

2.3.7. Microprocesadores de última generación.

2.3.7.1. AMD Athlon.

Una de las principales armas con las que cuenta el Athlon es una unidad de cálculo en coma flotante extremadamente potente, considerada como una de las más avanzadas en arquitectura x86. Además, también se han mejorado considerablemente las unidades de proceso MMX y “3Dnow!” A estas últimas se le añadieron inicialmente 19 nuevas instrucciones orientadas a un mejor tratamiento en la codificación de voz y vídeo, así como el tratamiento orientado a Internet y multimedia. También se le incorporó un segundo grupo de cinco instrucciones orientadas al procesamiento de sonido digital y decodificación de sonido Dolby Digital AC-3, relacionado con el DVD y el formato de audio MP3.

En el aspecto de la memoria caché hay que destacar que el Athlon cuenta con 128 Kb de caché de nivel 1, de las cuales 64 Kb son para instrucciones y 64 Kb para datos, un tamaño cuatro veces mayor que el de un Pentium III. En cuanto a la caché de nivel 2, los primeros modelos de Athlon contaban inicialmente con 512 Kb, tamaño que disminuyó a 256 Kb en los modelos posteriores basados en Socket-A, en los cuales esta caché se integra en el núcleo del microprocesador, siendo este el motivo de la disminución de su tamaño. El Athlon se fabricó inicialmente con una tecnología de integración de 0,25 micras e integraba 22 millones de transistores.

Posteriormente, en los modelos actuales se bajó el nivel de integración a las 0,18 micras y a fecha de publicación de este libro ya existen modelos Athlon XP fabricados en 0,13 micras.

2.3.7.2. AMD Athlon XP.

Las versiones más actuales de AMD Athlon son las denominadas XP. Este microprocesador comenzó con versiones de 1,3 Ghz y ha ido aumentando progresivamente hasta el momento actual, en que ya está disponible el modelo Athlon XP 3000+ basado en el nuevo núcleo denominado “Barton”.

Han sido numerosas las mejoras desde el Athlon original. Para empezar, el nuevo Athlon XP ofrece pleno soporte y compatibilidad con las instrucciones SSE de Intel. Una de las novedades más fundamentales ha sido el cambio del núcleo del microprocesador al denominado “Palomino” y posteriormente al “Barton”. El bus del sistema se ha aumentado hasta 400 Mhz en los modelos más recientes y las plataformas basadas en este microprocesador ofrecen soporte para memoria SDRAM DDR.

Una característica significativa es que las denominaciones comerciales añaden el sufijo +, lo que indica la equivalencia en prestaciones con los modelos equivalentes de Intel. Así, un Athlon XP 3000+ teóricamente ofrece el mismo rendimiento que un Pentium 4 a 3 Ghz. Este cambio en la denominación fue bautizado por AMD con el nombre “QuantiSpeed”. “QuantiSpeed” es también el nombre que AMD le asignó a la arquitectura en que están basados sus microprocesadores Athlon XP. Esta arquitectura ofrece, las siguientes características:

  • Una microarquitectura x86 superescalar y superpipelined que incluye 9 etapas de ejecución.

  • Incluye decodificadores para múltiples instrucciones x86 en paralelo.

  • Dispone de tres unidades de ejecución de coma flotante con capacidad para ejecutar instrucciones x97 (de coma flotante), tanto MMX como “3Dnow!”.

  • Dispone de tres unidades de enteros superescalares y otras tres unidades de cálculo de direcciones de memoria.

  • Dispone también de una potente unidad hardware de prelectura de datos (hardware data prefetch). Esta tecnología permite anticipar datos que el microprocesador va a necesitar basándose en el flujo de instrucciones que se está ejecutando, lo que redunda en un importante aumento de velocidad.

Una de las claves principales que diferencia al Athlon XP del Pentium 4 de Intel es el índice IPC que ofrece cada uno. Mientras que el Athlon XP es capaz de ejecutar 9 instrucciones por ciclo de reloj, en el Pentium 4 el IPC es tan sólo de 6. Esto es fundamental a la hora de entender la diferencia de rendimiento entre ambos microprocesadores.

2.3.7.3. AMD Athlon MP.

Esta es la versión del microprocesador Athlon de AMD con capacidades para multiproceso, es decir, el empleo de varios procesadores sobre la misma placa, trabajando conjuntamente. AMD desarrolló su propio chipset, el AMD-760 MP.

2.3.7.4. AMD Duron.

Es la versión de Athlon destinado al mercado de gama media y baja, como una opción económica, al igual que Intel hiciera en su momento con su procesador Celaron. Todos los modelos Duron están basados únicamente en Socket-A. el microprocesador Duron difiere de su hermano mayor el Athlon en una serie de características, entre ellas las siguientes<.

  • Una frecuencia base de 200 Mhz, lo que ofrece un ancho de banda más de tres veces superior al de su directo competidor, el Celeron de Intel.

  • Su memoria caché. El tamaño de la caché de nivel 2 en el Duron disminuye hasta las 64 Kb, caché que está integrada en el núcleo del microprocesador y que funciona por tanto a la misma frecuencia, lo que la hace muy rápida. La caché de nivel 1 sigue siendo de 128 Kb de caché total integrada completamente en el núcleo.

  • Una unidad de coma flotante superescalar con tecnología 3Dnow! optimizada. Duron ofrece tres unidades pipeline de coma flotante, mientras que el Celaron ofrece sólo una.

2.3.7.5. Pentium 4.

Este es el último y más avanzado modelo de Intel para PC de sobremesa hasta la fecha. Representa un enorme cambio en la arquitectura frente a modelos anteriores de la familia Pentium. Concretamente, Intel no había llevado a cabo un cambio de arquitectura tan importante desde el lanzamiento de su Pentium Pro. Las versiones de Pentium 4 en el momento de escribir este libro superan los 3 Ghz.

Las primeras versiones de Pentium 4 fueron lanzadas al mercado con demasiada rapidez, con un diseño poco maduro, lo que hacía que se obtuvieran resultados curiosos. Su diseño permitía alcanzar frecuencias elevadas, pero sin que ello supusiera un aumento de potencia paralelo. Es decir, un Pentium 4 a 1,4 Ghz podía llegar a ser más lento que un Pentium III a 1 Ghz. Gran parte de culpa de este funcionamiento lo tenía la unidad de ejecución segmentada (pipeline), de 20 etapas, frente a las 10 etapas que tiene la unidad equivalente en el Pentium III, lo que provocaba que las instrucciones se ejecutasen en muchas etapas y tardasen más tiempo en ser completadas. Afortunadamente, el Pentium 4 evolucionó después modificando el diseño de su microarquitectura y aumentando sus prestaciones de manera considerable.

Uno de los grandes avances que ha traído el Pentium 4 es una frecuencia de bus del sistema de 800 Mhz, algo nunca visto hasta la fecha. Realmente se trata de 200 Mhz físicos, pero aprovechados de forma cuádruple. Asimismo, incorpora un repertorio de instrucciones para cálculos matemáticos ampliado y mejorado respecto a su antecesor. Es el denominado conjunto de instrucciones SSE2, un conjunto de 144 nuevas instrucciones que suponen la evolución lógica del conjunto MMX y del SSE. Este es un factor clave. La unidad de coma flotante del Pentium 4 es mucho más lenta que la de un Athlon equivalente, por lo que para sacarle toda la potencia al Pentium 4 el software que se esté ejecutando debe estar específicamente optimizado para el conjunto de instrucciones SSE2.

El diseño del Pentium 4 se basa en la denominada microarquitectura NetBurst. Esta arquitectura es uno de los últimos lanzamientos de Intel para sus más recientes microprocesadores. Se basa en la combinación de cuatro tecnologías para aumentar el rendimiento del microprocesador:

  • Tecnología de hipercanalización (hyper pipelined). Aumenta el número de canales de desarrollos anteriores de Intel, con objeto de que el microprocesador sea capaz de manejar más instrucciones por ciclo de reloj. Concretamente, en el caso del Pentium 4 el número de etapas es de 20, frente a las 10 del Pentium III.

  • Motor de ejecución rápida. En el caso del Pentium 4, específicamente, algunas de sus partes funcionan al doble de la frecuencia del microprocesador, en concreto dos unidades de ejecución de enteros.

  • Caché de traza de ejecución. Es una memoria caché que puede almacenar hasta 12.000 microoperaciones listas para ser ejecutadas, sin tener que decodificarse previamente. De esta manera se dispara la tasa de aciertos de caché en la ejecución de instrucciones.

  • Un bus del sistema a 400 Mhz. En realidad es un bus de 400 Mhz cuadruplicado, que se pueda adaptar a las frecuencias del microprocesador, eligiendo determinadas frecuencias dentro del rango de los 100 a los 400 Mhz. Esta frecuencia hace posible además tasas de transferencia teóricas de hasta 3,2 Gb/s con memoria RDRAM PC800 (800 Mhz).

Como indicábamos anteriormente, los modelos actuales de Pentium 4 han sufrido notables mejoras desde su diseño original, además del aumento de frecuencia. Una de ellas es el proceso de integración, que ha bajado a las 0,13 micras. Por otra parte, la frecuencia del bus del sistema se ha aumentado a 800 Mhz. Pero sin duda la gran novedad ha sido la introducción de la tecnología denominada HyperThreading en los últimos modelos de Pentium 4, tecnología que permite que un solo microprocesador Pentium 4 físico pueda trabajar como si hubiera dos unidades lógicas en procesamiento paralelo. Desde esta perspectiva, el sistema operativo es capaz de ejecutar procesos e hilos (unidades en ejecución o partes de un programa) de forma concurrente, tal y como si realmente el PC tuviera dos microprocesadores físicos perfectamente diferenciados. Esta es una tecnología ya aplicada con anterioridad en los modelos Xeon de Intel destinados a servidores.

El HyperThreading sólo se ha comenzado a implementar con los modelos más recientes de Pentium 4, a partir de 3,06 Ghz.

2.3.7.6. Pentium 4 Celeron.

Se trata de la última versión del conocido microprocesador de Intel, de prestaciones recortadas pero basado en la arquitectura de Pentium 4.

2.3.7.7. Intel Xeon.

Supone la última versión profesional de Pentium 4 con capacidad de multiproceso, destinada a servidores y entornos profesionales, surgida como evolución del anterior Pentium III Xeon. La frecuencia de lanzamiento inicial del Xeon fue de 1,4 Ghz.

Siguiendo esta misma política, Intel denomina genéricamente a sus microprocesadores de 64 bits como Itanium.

2.3.8. Microprocesadores de 64 bits.

2.3.8.1. AMD Opteron y Athlon 64.

Es la respuesta de AMD al mercado de microprocesadores de 64 bits, en competencia directa con los modelos Itanium de Intel. El AMD Opteron, con núcleo “Hammer”, emplea una arquitectura diferente a la IA-64 en la que está basado el Itanium de Intel. La arquitectura de 64 bits de AMD se basa en una extensión de la arquitectura x86 de 32 bits denominada x86-64, por lo que permite soportar todas las aplicaciones de 32 bits existentes, así como las nuevas de 64 bits. Así pues, esta arquitectura ofrece soporte nativo de 32 y 64 bits, con lo que funciona en cada momento en el modo que sea necesario según las aplicaciones.

El primer microprocesador que AMD ha lanzado con núcleo Hammer de 64 bits ha sido el llamado Opteron. Para soportar este microprocesador, AMD ha diseñado un chipset específico denominado genéricamente AMD-8000. Este chipset está formado por el chip AMD-8111 (hub de E/S), el chip AMD-8131 (túnel PCI-X de 64 bits) y el chip AMD-8151 (túnel gráfico AGP 3.0), todos ellos comunicados mediante el conocido bus de alta velocidad HyperTransport. Esta arquitectura permite el montaje de hasta 8 microprocesadores Opteron sobre una misma plataforma, sin añadidos adicionales.

El más reciente desarrollo de 64 bits de AMD ha sido el Athlon-64. Concretamente se han lanzado dos modelos: Athlon-64 y Athlon-64 FX, este último de características más avanzadas. La importancia de este microprocesador estriba en el hecho de ser el primer microprocesador de 64 bits destinado a un uso doméstico, desterrando así el mito de los 64 bits como plataforma ligada exclusivamente a los entornos profesionales.

La tecnología en la que se basa Athlon-64 se denomina AMD 64, y permite ejecutar aplicaciones tanto de 32 bits como de 64 bits de forma nativa. Es totalmente compatible con todos los juegos de instrucciones de 32 bits existentes hasta el momento: SSE SSE2. MMX y 3Dnow! Asimismo, la tecnología AMD 64 incorpora nuevos registros y juegos de instrucciones específicos para 64 bits.

Una novedad importante que acoge el Athlon-64 FX es que el propio microprocesador incluye un pequeño Northbridge (chipset) integrado en el propio núcleo, algo poco habitual hasta el momento. Este incluye una unidad de gestión de memoria y otra de gestión del bus de comunicaciones HyperTransport. En lo referente a memoria caché, las versiones iniciales parten de 64 Kb de caché L1 y 1 Mb de caché L2. Ambas cachés cuentan con protección de memoria mediante ECC.

Finalmente, cabe destacar que AMD ha implementado en sus modelos de 64 bits una tecnología denominada “Cool `n' Quiet”, ya presente anteriormente en otros microprocesadores para ordenadores portátiles (véase la tecnología Centrino de Intel), que básicamente se encarga de monitorizar la carga de trabajo del microprocesador con la finalidad de reducir el voltaje y la frecuencia del mismo en aquellos casos en los que no es necesario que trabaje a máximo rendimiento, produciéndose así un notable ahorro.

2.3.8.2. Intel Itanium / Itanium 2.

El Itanium fue el primer microprocesador de Intel con arquitectura de 64 bits.

Una de las principales ventajas e la arquitectura IA-64 es la enorme cantidad de memoria que puede ser direccionada, concretamente hasta 16 Terabytes.

Itanium es compatible con la arquitectura de 32 bits existente hasta ahora, pero con emulación, por lo que el rendimiento al ejecutar software de 32 bits es bastante inferior al de los actuales microprocesadores nativos de 32 bits. Gracias a esta compatibilidad soporta todas las instrucciones 3D del Pentium III.

Dispone de 4 unidades para cálculo de enteros y 2 de coma flotante.

La actual revisión de este microprocesador se denomina Itanium 2. Fabricada en frecuencias de 900 y 1.000 Mhz, dispone de 32 Kb de caché L1, 256 Kb de caché L2 y entre 1,5 y 3 Mb de caché de tercer nivel.

2.3.9. Microprocesadores para ordenadores portátiles.

2.3.9.1. Intel Pentium 4-M.

Fabricado con encapsulado FCPGA y tecnología de 0,13 micras, este es el modelo de Intel diseñado específicamente para la informática portátil de gama alta. Funciona con un bus del sistema de 400 Mhz y dispone de 32 Kb de caché L1 y 512 Kb de caché L2. En cuanto a consumo eléctrico, los voltajes oscilan entre 1 y 1,3 V, suficientemente bajos teniendo en cuenta las plataformas portátiles a las que van destinados estos microprocesadores. En cuanto a memoria RAM, el Pentium 4-M es capaz de soportar hasta 1 Gb de SDRAM DDR.

El Pentium 4-M, al igual que otros modelos anteriores, incorpora la tecnología SpeedStep de Intel, que permite optimizar el rendimiento de las aplicaciones y minimizar el consumo de energía para una mayor duración de la batería.

En el momento de la edición de este libro, la velocidad máxima disponible es de 2,4 Ghz. (en el libro pone 2,4 Mhz).

2.3.9.2. La tecnología Centrino de Intel.

Bajo la denominación de Centrino se esconde la más reciente tecnología móvil de Intel para microprocesadores y equipos portátiles. La tecnología Intel Centrino combina el microprocesador Pentium-M.

La caché L2 que incluye es de 1 Mb, con la peculiaridad de que desactiva determinadas zonas de memoria cuando no se utilizan. Finalmente, incorpora la tecnología de ahorro de energía Enhanced SpeedStep de Intel, característica de microprocesadores para equipos portátiles.

La familia de chipsets Intel 855 incluye los modelos 855MP y 855GM; este último integra el subsistema gráfico Intel Extreme Graphics 2. Ambos chipsets soportan diferentes tecnologías de ahorro de energía, así como un máximo de 2 Gb de memoria SDRAM DDR266 y USB 2.0.

2.3.9.3. AMD Athlon 4.

AMD ha lanzado versiones específicas de Athlon y de su gama reducida Duron.

Estas versiones son el Mobile Athlon 4 y el Mobile Duron. El Mobile Athlon 4 está fabricado en 0,18 micras en Socket-A e incorpora 384 Kb de caché dentro del núcleo. Integra además la tecnología PowerNow! de ahorro de energía propietaria de AMD.

Aunque la denominación “4” puede inducir a error, no se trata de ningún modelo de sobremesa, sino que AMD utiliza el sufijo “4” exclusivamente para denominar a sus modelos portátiles de Athlon.

Este es el modelo de AMD diseñado específicamente para la informática portátil de gama media. Funciona con un bus del sistema de 200 Mhz y dispone de 128 Kb de caché <l1 y 256 Kb de caché L2. En cuanto a consumo eléctrico, los voltajes son algo mayores que los del Pentium 4-M de Intel, oscilando entre los 1,2 y 1,4 V. Aun así, son lo suficientemente bajos dada su integración en portátiles.

2.4. Otros fabricantes de microprocesadores.

2.4.1. Transmeta.

2.4.2. Via Technologies.

2.4.2.1. VIA C3.

2.4.2.2. VIA Eden.

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