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Curso de Computadoras para Bases de Datos - Tema 5.2: el procesador

Imagen de un procesadorEl procesador, microprocesador, micro o CPU es el componente hardware dónde se procesa la información. Son circuitos integrados compuestos por millones de transistores de reducido tamaño, y con el paso del tiempo se reduce cada vez más el tamaño. En algún se momento se alcanzará el límite físico para su fabricación y tendrá que hacerse uso de la tecnología de los ordenadores cuánticos para seguir aumentando el rendimiento. Se caracterizan por su frecuencia, medida en GHz, que indica la velocidad a la que el procesador puede realizar las operaciones mediante la sincronización de la señal con un reloj de cuarzo.

Arquitectura

Su interior está formado por un conjunto de bloques interconectados entre sí en el cual cada uno de ellos realiza una función. El diseño de esos elementos y como se interconectan es lo que se llama arquitectura del procesador. Sus componentes internos se pueden agrupar en cinco categorías distintas.

Estructura lógica de grupos de registros

Son unas pequeñas unidades de memoria de alta velocidad, pero pequeño tamaño, dónde el procesador almacena los datos con los que opera en un momento determinado, sobre todo para realizar operaciones matemáticas. Su tamaño varía desde los 4 hasta los 64 bits.

Unidad aritmético-lógica

También llamada ALU, de su siglas en inglés arithmetic logic unit, es un circuito digital que calcula operaciones aritméticas con números enteros (como suma, resta, multiplicación, etc.) y operaciones lógicas (si, y, o, no), entre valores (generalmente uno o dos) de los argumentos. Por mucho, los circuitos electrónicos más complejos son los que están construidos dentro de los chips de microprocesadores modernos. Por lo tanto, estos procesadores tienen dentro de ellos un ALU muy complejo y potente.

Unidad de coma flotante

La FPU, floating-point unit, unidad de punto flotante, o coprocesador matemático, está especializada en el cálculo de operaciones en coma flotante, con números reales. Las operaciones básicas que toda FPU puede realizar son la suma y multiplicación usuales, si bien algunos sistemas más complejos son capaces también de realizar cálculos trigonométricos o exponenciales.

La unidad de control

En inglés, control unit (CU), es uno de los tres bloques funcionales principales en los que se divide una unidad central de procesamiento (CPU); los otros dos bloques son la unidad de proceso y la unidad de entrada/salida. Es la que dirige la actividad de los otros componentes del procesador y decodifica sus órdenes. Su función es buscar las instrucciones en la memoria principal, decodificarlas (interpretación) y ejecutarlas, empleando para ello la unidad de proceso.

Memoria caché

Partes de la memoria cachéEstá ubicada dentro del procesador y está ideada para acelerar el acceso a la memoria RAM. Es muy importante, ya que de su velocidad para llevar datos e instrucciones al procesador dependen todas las prestaciones del sistema.

La memoria caché es una memoria ultrarrápida que emplea el procesador para tener alcance directo a ciertos datos que predeciblemente serán utilizados en las siguientes operaciones, sin tener que acudir a la memoria RAM, reduciendo así el tiempo de espera para adquisición de datos. Todos los micros compatibles con PC poseen la llamada caché interna de primer nivel o L1; es decir, la que está dentro del micro, encapsulada junto a él. Los micros más modernos (Core i3, Core i5 , Core i7…) incluyen también en su interior otro nivel de caché, más grande, aunque algo menos rápida, es la caché de segundo nivel o L2 e incluso los hay con memoria caché de nivel 3, o L3.

La memoria cache es útil cuando se hacen muchas operaciones sobre los mismos datos, pero si esto no se cumple tiene la capacidad de aumentar el rendimiento de cualquier tipo de aplicaciones. En este caso se divide la memoria en varios bloques. Existe un controlador el cual se encarga de poner la información que más se usa más cerca del procesador. Esto es debido a que el tiempo que tarda el procesador en acceder a la memoria de nivel uno siempre es menor que a la de nivel dos y así sucesivamente. El tamaño de la memoria, medido en Kb, aumenta según se sube el nivel.

Memoria Cache L1

Normalmente se divide en dos partes, una para datos y otra para instrucciones. Su capacidad es de hasta 256 Kb. Es utilizada para almacenar y acceder a datos e instrucciones importantes y de uso frecuente, agilizando los procesos al ser el nivel que ofrece un tiempo de respuesta menor.

Memoria Cache L2

Se encarga de almacenar datos de uso frecuente, siendo más lenta que la caché L1, pero más rápida que la memoria principal (RAM). Se encuentra en el procesador, pero no en su núcleo. Genera una copia del nivel 1.

Memoria Cache L3        

Esta memoria se encuentra en algunos procesadores modernos y genera una copia a la L2. Es más rápida que la memoria principal (RAM), pero más lenta que L2. En esta memoria se agiliza el acceso a datos e instrucciones que no fueron localizadas en L1 o L2.

Es generalmente de un tamaño mayor y ayuda a que el sistema guarde gran cantidad de información agilizando las tareas del procesador.

Otros componentes

  • Los acumuladores encargados de almacenar temporalmente los resultados aritméticos y lógicos a tratar por UAL.
  • Los contadores son unos apuntadores de instrucciones que contiene la dirección en memoria de la siguiente instrucción a ejecutar.
  • Tarjeta gráfica integrada es un chip que se encuentra integrado en la propia placa base o en la CPU encargada de gestionar las tareas relacionadas con los gráficos: señal de vídeo, videojuegos… Toma la memoria RAM de la disponible en el sistema con el que la comparte.
  • Los buses del sistema son vías de comunicación que conectan los elementos del procesador entre sí y con el exterior. Existen varios tipos:
    • o Bus de datos o BD cuya función es transferir los datos entre los diferentes elementos del procesador. Se caracteriza por el ancho de banda que mide el número de líneas y caracteriza su
    • o El bus de direcciones o BDI establece la dirección de memoria del dato que se está transfiriendo. Una dirección de memoria es una posición en la misma en la que se guarda un dato en formato hexadecimal. La capacidad de memoria que se puede direccionar depende de la cantidad de bits que conformen el bus.
    • o El bus de control tiene la encomendada la tarea de controlar el acceso y el uso a los buses de datos y direcciones.
    • o Existen buses multiplexados que actúan como BD o BDI indistintamente pero no simultáneamente.

Estructura física

Son los elementos visibles de la placa.

Encapsulado

Es la funda o cubierta con contactos eléctricos empleada para proteger al procesador. Es la parte externa y visible de un microprocesador y tiene tres funciones básicas:

  • Proteger al núcleo de la oxidación y cualquier elemento ambiental como el polvo.
  • Enfriar el núcleo o ayudar a disipar el calor generado en él.
  • Dar soporte a las patillas de conexión, pines o contactos (E/S).

Encontramos diversos tipos de encapsulados según su forma o material o si incluyen además algún disipador metálico integrado. A medida que los microprocesadores evolucionaban, y a pesar de hacerse cada vez más pequeños, el número de conexiones hacia la placa base ha ido aumentando llegando ya a más de 2000 pines obligando a buscar encapsulados y zócalos diferentes. Los más habituales son:

  • DIP o Dual In line Package es un encapsulado doble hilera o dual in-line package.
  • PGA o Pin Grid Array o matriz de rejilla de pines se monta en una losa de cerámica, que presenta una matriz de contactos o pines en una de sus caras. Luego, los pines se pueden insertar en los agujeros de un circuito impreso y soldarse.
  • La matriz de contactos en rejilla​ o o Land Grid Array o LGA. La conexión de la que dispone el chip es únicamente una matriz de superficies conductoras o contactos chapadas en oro que hacen contacto con la placa base a través del zócalo de CPU.
    Encapsulados más habituales de un procesador

Zócalo o socket

Es el conector en la placa base para el procesador. Permiten la actualización del procesador siempre que los fabricantes mantengan en el mercado procesadores destinados al socket. Cada gama de procesadores se agrupa en un socket.

Sistema de refrigeración

Sin lugar dudas el procesador y las tarjetas gráficas son los dos componentes que más se calientan. Para mejorar el rendimiento y alargar su vida útil es necesario proporcionales un medio para su enfriamiento. Se puede hacer bien mediante sistemas pasivos que no emiten ruido tales como disipadores metálicos o la pasta térmica; bien sistemas activos que mejoran el flujo de expulsión de aire tales como ventiladores, refrigeración por agua, tuberías de calor e incluso la criogenia con nitrógeno.

Este es el componente más sencillo de actualizar y que mejora la vida útil del procesador.

Conjunto de instrucciones ISA

Un conjunto de instrucciones, repertorio de instrucciones, juego de instrucciones o ISA, del inglés instruction set architecture o arquitectura del conjunto de instrucciones, es una especificación que detalla las instrucciones que una unidad central de procesamiento puede entender y ejecutar.

Existen principalmente tres tipos: CISC (Complex Instruction Set Computer), RISC (Reduced Instruction Set Computer) y SISC (Simple Instruction Set Computing).

Tipos

De forma muy esquemática existen los siguientes tipos de datos:

  • De desplazamiento dentro de la función, trabajando a nivel de bit.
  • De transferencia de datos: move, store, load…
  • De lectura-escritura: read, write, imput…
  • Lógicas para hacer operaciones boolenas: and, or, xor, not…
  • De comparación: compare, test…
  • De control de flujo: salto condicional, salto incondicional…
  • De saltos: jump, brantch…
  • De bits: bit, test, bit, clear…
  • De parada: halt.
  • De pausa: wait.

Instrucciones según el procesador

Cada procesador entiende una serie de instrucciones, clasificándose en:

  • x86 es el mínimo juego de instrucciones que ejecuta Windows. Son instrucciones de 32 bits.
  • x64 trabajan con datos de 64 bits.
  • MMX son los que procesan datos multimedia en procesadores Pentium MMX de Intel.
  • 3DNOW son los que procesan datos multimedia en procesador AMD: 3DNow Enhanced, ·DNow Pro.
  • SSE trabajan con 128 bits. Son una extensión de MMX. Se usan a partir del Penium III.
  • AVX o extensión vectorial avanzada. Trabajan con hasta 256 bits. Son para procesadores Sandy Bridge.

Instrucciones RISC

Procedente del inglés Reduced Instruction Set Computer, en español Computador con Conjunto de Instrucciones Reducidas, es un tipo de diseño de CPU generalmente utilizado en microprocesadores o microcontroladores con las siguientes características fundamentales:

  • Instrucciones de tamaño fijo y presentadas en un reducido número de formatos.
  • Sólo las instrucciones de carga y almacenamiento acceden a la memoria de datos.

Además estos procesadores suelen disponer de muchos registros de propósito general. El objetivo de diseñar máquinas con esta arquitectura es posibilitar la segmentación y el paralelismo en la ejecución de instrucciones y reducir los accesos a memoria. Son la tendencia actual en el mercado de equipos informáticos.

Instrucciones CISC

Del inglés Complex Instruction Set Computer, en español Computador con Conjunto de Instrucciones Complejas. Estos procesadores tienen un conjunto de instrucciones que se caracteriza por ser muy amplio y permitir operaciones complejas entre operandos situados en la memoria o en los registros internos.

Criterios para una compra razonada

El principal criterio es la frecuencia de su reloj ya que de ésta dependerá el número de operaciones que puede llegar a ejecutar el procesador. Esta es la característica técnica que más encarece la compra, sin duda alguna. Otro criterio a tener en cuenta es la cantidad de memoria caché de cada uno de los tipos existentes, sobre todo la tipo L1, puesto que cuanto mayor sea su capacidad mayor cantidad de datos podrá pasar al procesador.

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