Microprocesadores 8086/88, 286, 386, 486 y Pentium.

CARACTERÍSTICAS GENERALES.

Los microprocesadores Intel 8086 y 8088 se desarrollan a partir de un procesador anterior, el 8080 de 8 bits.

Poseen una arquitectura interna de 16 bits y pueden trabajar con operandos de 8 y 16 bits; una capacidad de direccionamiento de 20 bits (hasta 1 Mb) y comparten el mismo juego de instrucciones.

La filosofía de diseño de la familia del 8086 se basa en la compatibilidad y la creación de sistemas informáticos integrados, por lo que disponen de diversos coprocesadores como el 8089 de E/S y el 8087, coprocesador matemático de punto flotante. De acuerdo a esta filosofía y para permitir la compatibilidad con los anteriores sistemas de 8 bits, el 8088 se diseñó con un bus de datos de 8 bits, lo cual le hace más lento que el 8086, pues éste es capaz de cargar una palabra ubicada en una dirección par en un solo ciclo de memoria mientras el 8088 debe realizar dos ciclos leyendo cada vez un byte.

Disponen de 92 tipos de instrucciones, que pueden ejecutar con hasta 7 modos de direccionamiento. Tienen una capacidad de direccionamiento en puertos de entrada y salida de hasta 64K (65536 puertos), por lo que las máquinas construidas entorno a estos microprocesadores no suelen emplear la entrada/salida por mapa de memoria.

Entre esas instrucciones, las más rápidas se ejecutan en 2 ciclos teóricos de reloj y unos 9 reales (se trata del movimiento de datos entre registros internos) y las más lentas en 206 (división entera con signo del acumulador por una palabra extraída de la memoria). Las frecuencias internas de reloj típicas son 4.77 MHz en la versión 8086; 8 MHz en la versión 8086-2 y 10 MHz en la 8086-1. Por lo que un PC estándar a 4,77 MHz puede ejecutar de 20.000 a unos 0,5 millones de instrucciones por segundo, según la complejidad de las mismas (un 486 a 50 MHz, incluso sin memoria caché externa es capaz de ejecutar entre 1,8 y 30 millones de estas instrucciones por segundo).

El microprocesador Intel 80286 se caracteriza por poseer dos modos de funcionamiento completamente diferenciados: el modo real en el que se encuentra nada más ser conectado a la corriente y el modo protegido en el que adquiere capacidad de proceso multitarea y almacenamiento en memoria virtual. El proceso multitarea consiste en realizar varios procesos de manera aparentemente simultánea, con la ayuda del sistema operativo para conmutar automáticamente de uno a otro optimizando el uso de la CPU, ya que mientras un proceso está esperando a que un periférico complete una operación, se puede atender otro proceso diferente. La memoria virtual permite al ordenador usar más memoria de la que realmente tiene, almacenando parte de ella en disco: de esta manera, los programas creen tener a su disposición más memoria de la que realmente existe; cuando acceden a una parte de la memoria lógica que no existe físicamente, se produce una interrupción y el sistema operativo se encarga de acceder al disco y traerla.

Cuando la CPU está en modo protegido, los programas de usuario tienen un acceso limitado al juego de instrucciones; sólo el proceso supervisor -normalmente el sistema operativo- está capacitado para realizar ciertas tareas. Esto es así para evitar que los programas de usuario puedan establecerse y entrar en conflictos unos con otros, en materia de recursos como memoria o periféricos. Además, de esta manera, aunque un error software provoque el cuelgue de un proceso, los demás pueden seguir funcionando normalmente, y el sistema operativo podría abortar el proceso colgado. Por desgracia, con el DOS el 286 no está en modo protegido y el cuelgue de un solo proceso -bien el programa principal o una rutina operada por interrupciones- significa la caída inmediata de todo el sistema.

El 8086 no posee ningún mecanismo para apoyar la multitarea ni la memoria virtual desde el procesador, por lo que es difícil diseñar un sistema multitarea para el mismo y casi imposible conseguir que sea realmente operativo. Obviamente, el 286 en modo protegido pierde absolutamente toda la compatibilidad con los procesadores anteriores. Por ello, en este libro sólo trataremos el modo real, único disponible bajo DOS, aunque veremos alguna instrucción extra que también se puede emplear en modo real.

Las características generales del 286 son: tiene un bus de datos de 16 bits, un bus de direcciones de 24 bits (16 Mb); posee 25 instrucciones más que el 8086 y admite 8 modos de direccionamiento. En modo virtual permite direccionar hasta 1 Gigabyte. Las frecuencias de trabajo típicas son de 12 y 16 MHz, aunque existen versiones a 20 y 25 MHz. Aquí, la instrucción más lenta es la misma que en el caso del 8086, solo que emplea 29 ciclos de reloj en lugar de 206. Un 286 de categoría media (16 MHz) podría ejecutar más de medio millón de instrucciones de estas en un segundo, casi 15 veces más que un 8086 medio a 8 MHz. Sin embargo, transfiriendo datos entre registros la diferencia de un procesador a otro se reduce notablemente, aunque el 286 es más rápido y no sólo gracias a los MHz adicionales.

Por su parte, el 386 dispone de una arquitectura de registros de 32 bits, con un bus de direcciones también de 32 bits (direcciona hasta 4 Gigabytes = 4096 Mb) y más modos posibles de funcionamiento: el modo real (compatible 8086), el modo protegido (relativamente compatible con el del 286), un modo protegido propio que permite -¡por fin!- romper la barrera de los tradicionales segmentos y el modo «virtual 86», en el que puede emular el funcionamiento simultáneo de varios 8086. Una vez más, todos los modos son incompatibles entre sí y requieren de un sistema operativo específico: si se puede perdonar al fabricante la pérdida de compatibilidad del modo avanzados del 286 frente al 8086, debido a la lógica evolución tecnológica, no se puede decir lo mismo del 386 respecto al 286: no hubiera sido necesario añadir un nuevo modo protegido si hubiera sido mejor construido el del 286 apenas un par de años atrás. Normalmente, los 386 suelen operar en modo real (debido al DOS) por lo que no se aprovechan las posibilidades multitarea ni de gestión de memoria. Por otra parte, aunque se pueden emplear los registros de 32 bits en modo real, ello no suele hacerse -para mantener la compatibilidad con procesadores anteriores- con lo que de entrada se está tirando a la basura un 50% de la capacidad de proceso del chip, aunque por fortuna estos procesadores suelen trabajar a frecuencias de 16/20 MHz (obsoletas) y normalmente de 33 y hasta 40 MHz.

El 386sx es una variante del 386 a nivel de hardware, aunque es compatible en software. Básicamente, es un 386 con un bus de datos de sólo 16 bits -más lento, al tener que dar dos pasadas para un dato de 32 bits-. De hecho, podría haber sido diseñado perfectamente para mantener una compatibilidad hardware con el 286, aunque el fabricante lo evitó probablemente por razones comerciales.

El 486 se diferencia del 386 en la integración en un solo chip del coprocesador 387. También se ha mejorado la velocidad de operación: la versión de 25 MHz dobla en términos reales a un 386 a 25 MHz equipado con el mismo tamaño de memoria caché. La versión 486sx no se diferencia en el tamaño del bus, también de 32 bits, sino en la ausencia del 387 (que puede ser añadido externamente). También existen versiones de 486 con buses de 16 bits, el primer fabricante de estos chips, denominados 486SLC, ha sido Cyrix. Una tendencia iniciada por el 486 fue la de duplicar la velocidad del reloj interno (pongamos por caso de 33 a 66 MHz) aunque en las comunicaciones con los buses exteriores se respeten los 33 MHz. Ello agiliza la ejecución de las instrucciones más largas: bajo DOS, el rendimiento general del sistema se puede considerar prácticamente el doble. Son los chips DX2 (también hay una variante a 50 MHz: 25 x 2). La culminación de esta tecnología viene de la mano de los DX4 a 75/100 MHz (25/33 x 3).

El Pentium, último procesador de Intel en el momento de escribirse estas líneas, se diferencia respecto al 486 en el bus de datos (ahora de 64 bits, lo que agiliza los accesos a memoria) y en un elevadísimo nivel de optimización y segmentación que le permite, empleando compiladores optimizados, simultanear en muchos casos la ejecución de dos instrucciones consecutivas. Posee dos cachés internas, tiene capacidad para predecir el destino de los saltos y la unidad de coma flotante experimenta elevadas mejoras. Sin embargo, bajo DOS, un Pentium básico sólo es unas 2 veces más rápido que un 486 a la misma frecuencia de reloj. Comenzó en 60/90 MHz hasta los 166/200/233 MHz de las últimas versiones (Pentium Pro y MMX), que junto a diversos clones de otros fabricantes, mejoran aún más el rendimiento. Todos los equipos Pentium emplean las técnicas DX, ya que las placas base típicas corren a 60 MHz. Para hacerse una idea, por unas 200000 pts de 1997 un equipo Pentium MMX a 233 MHz es cerca de 2000 veces más rápido en aritmética entera que el IBM PC original de inicios de la década de los 80; en coma flotante la diferencia aumenta incluso algunos órdenes más de magnitud. Y a una fracción del coste (un millón de pts de aquel entonces que equivale a unos 2,5 millones de hoy en día). Aunque no hay que olvidar la revolución del resto de los componentes: 100 veces más memoria (central y de vídeo), 200 veces más grande el disco duro... y que un disco duro moderno transfiere datos 10 veces más deprisa que la memoria de aquel IBM PC original. Por desgracia, el software no ha mejorado el rendimiento, ni remotamente, en esa proporción: es la factura pasada por las técnicas de programación cada vez a un nivel más alto (aunque nadie discute sus ventajas).

Una característica de los microprocesadores a partir del 386 es la disponibilidad de memorias caché de alta velocidad de acceso -muy pocos nanosegundos- que almacenan una pequeña porción de la memoria principal. Cuando la CPU accede a una posición de memoria, cierta circuitería de control se encarga de ir depositando el contenido de esa posición y el de las posiciones inmediatamente consecutivas en la memoria caché. Cuando sea necesario acceder a la instrucción siguiente del programa, ésta ya se encuentra en la caché y el acceso es muy rápido. Lo ideal sería que toda la memoria del equipo fuera caché, pero esto no es todavía posible actualmente. Una caché de tamaño razonable puede doblar la velocidad efectiva de proceso de la CPU. El 8088 carecía de memoria caché, pero sí estaba equipado con una unidad de lectura adelantada de instrucciones con una cola de prebúsqueda de 4 bytes: de esta manera, se agilizaba ya un tanto la velocidad de proceso al poder ejecutar una instrucción al mismo tiempo que iba leyendo la siguiente.

REGISTROS DEL 8086 Y DEL 286.

Estos procesadores disponen de 14 registros de 16 bits (el 286 alguno más, pero no se suele emplear bajo DOS). La misión de estos registros es almacenar las posiciones de memoria que van a experimentar repetidas manipulaciones, ya que los accesos a memoria son mucho más lentos que los accesos a los registros. Además, hay ciertas operaciones que sólo se pueden realizar sobre los registros. No todos los registros sirven para almacenar datos, algunos están especializados en apuntar a las direcciones de memoria. La mecánica básica de funcionamiento de un programa consiste en cargar los registros con datos de la memoria o de un puerto de E/S, procesar los datos y devolver el resultado a la memoria o a otro puerto de E/S. Obviamente, si un dato sólo va a experimentar un cambio, es preferible realizar la operación directamente sobre la memoria, si ello es posible. A continuación se describen los registros del 8086.

Registros de datos:

AX, BX, CX, DX: pueden utilizarse bien como registros de 16 bits o como dos registros separados de 8 bits (byte superior e inferior) cambiando la X por H o L según se desee referirse a la parte alta o baja respectivamente. Por ejemplo, AX se descompone en AH (parte alta) y AL (parte baja). Evidentemente, ¡cualquier cambio sobre AH o AL altera AX!: valga como ejemplo que al incrementar AH se le están añadiendo 256 unidades a AX.

AX = Acumulador.

Es el registro principal, es utilizado en las instrucciones de multiplicación y división y en algunas instrucciones aritméticas especializadas, así como en ciertas operaciones de carácter específico como entrada, salida y traducción. Obsérvese que el 8086 es suficientemente potente para realizar las operaciones lógicas, la suma y la resta sobre cualquier registro de datos, no necesariamente el acumulador.

BX = Base.

Se usa como registro base para referenciar direcciones de memoria con direccionamiento indirecto, manteniendo la dirección de la base o comienzo de tablas o matrices. De esta manera, no es preciso indicar una posición de memoria fija, sino la número BX (así, haciendo avanzar de unidad en unidad a BX, por ejemplo, se puede ir accediendo a un gran bloque de memoria en un ciclo).

CX = Contador.

Se utiliza comúnmente como contador en ciclos y operaciones repetitivas de manejo de cadenas. En las instrucciones de desplazamiento y rotación se utiliza como contador de 8 bits.

DX = Datos.

Usado en conjunción con AX en las operaciones de multiplicación y división que involucran o generan datos de 32 bits. En las de entrada y salida se emplea para especificar la dirección del puerto E/S.

Registros de segmento:

Definen áreas de 64 Kb dentro del espacio de direcciones de 1 Mb del 8086. Estas áreas pueden cubrirse total o parcialmente. No es posible acceder a una posición de memoria no definida por algún segmento: si es preciso, habrá de moverse alguno.

CS = Registro de segmento de código (code segment). Contiene la dirección del segmento con las instrucciones del programa. Los programas de más de 64 Kb requieren cambiar CS periódicamente.

DS = Registro de segmento de datos (data segment). Segmento del área de datos del programa.

SS = Registro de segmento de pila (stack segment). Segmento de pila.

ES = Registro de segmento extra (extra segment).Segmento de ampliación para zona de datos. Es extraordinariamente útil actuando en conjunción con DS: con ambos se puede definir dos zonas de 64 Kb, tan alejadas como se desee en el espacio de direcciones, entre las que se pueden intercambiar datos.

Registros apuntadores de pila:

SP = Puntero de pila (stack pointer). Apunta a la cabeza de la pila. Utilizado en las instrucciones de manejo de la pila.

BP = Puntero base (base pointer). Es un puntero de base, que apunta a una zona dentro de la pila dedicada al almacenamiento de datos (variables locales y parámetros de las funciones en los programas compilados).

Registros índices:

SI = Índice fuente (source index). Utilizado como registro de índice en ciertos modos de direccionamiento indirecto, también se emplea para guardar un valor de desplazamiento en operaciones de cadenas.

DI = Índice destino (destination index). Se usa en determinados modos de direccionamiento indirecto y para almacenar un desplazamiento en operaciones con cadenas.

Apuntador de instrucciones o contador de programa:

IP = Apunrtador de instrucción (instruction pointer). Marca el desplazamiento de la instrucción en curso dentro del segmento de código. Es automáticamente modificado con la lectura de una instrucción.

Registro de estado o de indicadores (flags).

Es un registro de 16 bits de los cuales 9 son utilizados para indicar diversas situaciones durante la ejecución de un programa. Los bits 0, 2, 4, 6, 7 y 11 son indicadores de condición, que reflejan los resultados de operaciones del programa; los bits del 8 al 10 son indicadores de control y el resto no se utilizan. Estos indicadores pueden ser comprobados por las instrucciones de salto condicional, lo que permite variar el flujo secuencial del programa según el resultado de las operaciones.