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Unidad 5
LOS MICROPROCESADORES
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ÍNDICE
• Introducción.
• Componentes de la CPU.
• Velocidad de la CPU.
– Frecuencia interna y externa (FM).
– Overclocking y Downclocking.
• Aumento de prestaciones.
– Pipeline.
– Hyper-threading.
• Evolución de los microprocesadores.
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INTRODUCCIÓN
• Microprocesador.– Un microprocesador es un circuito integrado
(chip) que contiene una CPU entera.
– Desde varios cientos hasta miles de millones
de transistores.
– Tamaño muy reducido, gracias a la tecnología
de miniaturización de semiconductores, como
el silicio (LEY DE MOORE).
– Es el componente más valioso del PC.
– Requiere refrigeración constante.
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INTRODUCCIÓN
• Microprocesador.– Antiguamente, se soldaban a la placa base.
• Posteriormente, apareció el zócalo (socket) como
lugar donde insertarlo y que determina, por su
forma, tamaño y nº de contactos la compatibilidad.
– Ha habido también CPU’s en formato cartucho.
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INTRODUCCIÓN
• Microprocesador.– Una vez fijado a la placa base, se completa el
conjunto acoplando los elementos de
refrigeración:
• Masa o pasta térmica
• Disipador
• Ventilador
– ¡No olvidar conectar eléctricamente el ventilador!
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COMPONENTES DE LA CPU
• ALU (Unidad Aritmético-Lógica)
– Realiza las operaciones que convierten los datos de
entrada en resultados.
• CU (Unidad de Control)
– Organiza el funcionamiento de la CPU, decidiendo qué se
hace (y quién) en cada momento.
• Registros
– Posiciones de memoria que almacenan los datos que
pasan por la CPU (E/S).
• Memoria caché
– Memoria intermedia entre la CPU y la memoria principal.
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COMPONENTES DE LA CPU
• ALU (Unidad Aritmético-Lógica)
– Genera datos de salida (resultados), a partir de los datos
de entrada.
– Realiza operaciones de dos tipos:
• Operaciones aritméticas: +, -, *,  (¡estas dos últimas, rara vez!)
• Operaciones lógicas: AND, OR, NOT...
– ...y además: NAND, NOR, XOR, XNOR, «, »...
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COMPONENTES DE LA CPU
• ALU (Unidad Aritmético-Lógica)
– Las otras operaciones lógicas...
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COMPONENTES DE LA CPU
• ALU (Unidad Aritmético-Lógica)
– En resumen...
A
B
A AND B
A OR B
NOT A
NOT B
A NAND B
A NOR B
A XOR B
A XNOR B
0
0
0
0
1
1
1
1
0
1
0
1
0
1
1
0
1
0
1
0
1
0
0
1
0
1
1
0
1
0
1
1
1
1
0
0
0
0
0
1
– Ejemplo.-
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COMPONENTES DE LA CPU
• ALU (Unidad Aritmético-Lógica)
– Los operadores de desplazamiento de bits («, ») pueden
ser interpretados como multiplicaciones o divisiones por 2.
– Los desplazamientos pueden ser lineales (abiertos) o
circulares (cerrados).
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COMPONENTES DE LA CPU
• Componentes de la ALU
– Registros de entrada (A, B):
• Almacenan los operandos (datos de entrada).
– Circuito operacional:
• Componentes electrónicos que realizan las operaciones.
– Registro acumulador (R):
• Almacena el resultado de las operaciones.
– Registros de estado (D):
• “Flags” que recogen cómo termina la operación.
– Cero, negativo, acarreo, desbordamiento, paridad, etc...
– Selector de operaciones (F):
• Microinstrucciones procedentes de la Unidad de Control.
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COMPONENTES DE LA CPU
• Ejecución de una instrucción
–
–
–
–
–
–
Se recibe la instrucción desde la UC.
Se comprueba el estado de la ALU.
Se cargan los operandos.
Se realiza la operación.
Se guarda el resultado en el acumulador.
Se guarda el estado de la ALU al final.
• Fases de ejecución
– Búsqueda de la instrucción (fetch).
– Decodificación de la instrucción (decode) y carga de operandos
(load).
– Ejecución de las operaciones (execute).
– Escritura de resultados (store).
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COMPONENTES DE LA CPU
• CU (Control Unit)
– Interpreta las instrucciones almacenadas en la memoria y
genera las señales de control necesarias para ejecutarlas.
– Activa o desactiva los componentes del microprocesador
en función de:
• La instrucción que se esté ejecutando.
• La fase de dicha instrucción que se esté ejecutando.
– Existen dos tipos de unidades de control:
• Cableadas (máquinas sencillas).
• Microprogramadas (máquinas complejas).
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COMPONENTES DE LA CPU
• Componentes de la CU
– Contador de programa
• Contiene la dirección de memoria de la siguiente instrucción.
– Registro de instrucciones
• Contiene la instrucción que se está ejecutando.
– Decodificador
• Interpreta la instrucción en curso, para poder ejecutarla.
– Reloj
• Genera impulsos eléctricos que sincronizan y marcan la velocidad
a la que trabaja la CPU.
– Secuenciador
• Genera las microinstrucciones para la ejecución paso a paso de la
instrucción interpretada por el decodificador.
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COMPONENTES DE LA CPU
• Componentes de la CU
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VELOCIDAD DE LA CPU
• Frecuencia interna.– Es la velocidad a la que trabaja la CPU.
• Frecuencia externa.– Es la velocidad a la que trabajan la memoria y los
buses del sistema.
• FACTOR MULTIPLICADOR (FM).– Es el nº de veces que la CPU es más rápida que
la memoria y los buses:
finterna = fexterna * FM
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VELOCIDAD DE LA CPU
• Ejemplo.– CPU = Pentium III a 600 MHz.
CPU es 4 veces
– Memoria RAM = 128 MB de tipo PC-133. yLamedia
más rápida
• finterna = 600 MHz.
• fexterna = 133 MHz.
que la memoria
FM = 600 / 133 = 4,5
O, lo que es lo mismo, por
cada operación que hace
la CPU, está otras tres y
media sin hacer nada,
esperando por la memoria
• Ejercicios.-
– ¿Qué memoria se puede usar con una CPU de
450 MHz, si el FM = 4.5?
– ¿A qué velocidad va una CPU que trabaja con
memorias PC-100, si el FM = 7.5?
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VELOCIDAD DE LA CPU
• Overclocking.– “Acelerar” la CPU (aumentar su velocidad).
– ¿Cómo?
• Cambiando el reloj (cristal de cuarzo), que va soldado.
• Microinterruptores de la placa (switches).
• Por software (BIOS Setup).
– Inconveniente: SOBRECALENTAMIENTO DE LA CPU
• Downclocking.– Lo contrario del overclocking.
– ¿Tiene sentido?
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VELOCIDAD DE LA CPU
Overclocking
por hardware
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VELOCIDAD DE LA CPU
Overclocking
por software
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AUMENTO DE PRESTACIONES
• Primeros microprocesadores
– La mayoría de sus componentes, ociosos más del
90% del tiempo  INEFICIENCIA
• Posteriormente...
– Replicación de componentes internos de la CPU.
– Cauces (conexiones) pensados para permitir el
trabajo en paralelo de TODOS ellos.
• ¡La refrigeración se ha vuelto un asunto vital!
• ¡La arquitectura de computadores ha aportado
más al rendimiento que la miniaturización!
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AUMENTO DE PRESTACIONES
• Pipeline (segmentación)
– Se divide cada instrucción en varias fases.
– Cada componente de la CPU puede estar
ocupado por una fase distinta de una instrucción
distinta.
– Se pretende usar todos los componentes de la
CPU, el 100% del tiempo.
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AUMENTO DE PRESTACIONES
• Pipeline (segmentación)
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AUMENTO DE PRESTACIONES
• Hyper-threading
– Se simula, de cara a los programas, como si el PC
tuviera dos CPU’s, en lugar de una sólo.
– Lo inventó Intel y mejora el rendimiento un 30%.
– Permite procesar en paralelo, sobre una misma
CPU, la ejecución de varios programas “multihilo”.
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EVOLUCIÓN DE LOS
MICROPROCESADORES
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1971: Intel 4004 (primer microprocesador comercial)
1972: Intel 8008
1974: Intel 8080
1975: Signetics 2650, MOS 6502, Motorola 6800
1976: Zilog Z80
1978: Intel 8086, Motorola 68000
1979: Intel 8088
1982: Intel 80286
1985: Intel 80386, AMD Am386
1987: Motorola 68030
1989: Intel 80486, AMD Am486
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EVOLUCIÓN DE LOS
MICROPROCESADORES
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EVOLUCIÓN DE LOS
MICROPROCESADORES
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1993: Intel Pentium, AMD K5
1995: Intel Pentium Pro
1997: Intel Pentium II, AMD K6
1999: Intel Pentium III, AMD K7
2000: Intel Pentium 4, AMD Athlon XP
2003: PowerPC G5
2004: Intel Pentium M
2005: Intel Extreme Edition con hyper-threading, Intel Core
Duo, AMD Athlon 64, AMD Athlon 64 X2,
• 2006: Intel Core 2 Duo, Intel Core 2 Extreme, AMD Athlon FX
• 2007: Intel Core 2 Quad, AMD Quad Core, AMD Quad FX
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MICROPROCESADORES
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