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El Microprocesador

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2. El Microprocesador

2.1 Función
     Se encarga del control y el procesamiento de datos en todo el ordenador. Para esta tarea es necesario que le ayuden otros elementos capaces de realizar funciones específicas y así liberar de trabajo costoso y difícil al microprocesador.

Unidad Aritmetico-Lógica (ALU): Lleva a cabo las funciones de procesamiento de datos.
Unidades Funcionales: se encargan de operaciones matemáticas específicas, y así sacan y facilitan el trabajo al microprocesador. (sumas, multiplicaciones, dividir por números enteros, etc.)
Registros: Almacenan datos durante cierto tiempo, dentro la CPU.
etc.

     Todos estos elementos están conectados entre sí por medio de un conjunto de circuitos o conexiones nombrado bus. Todo su funcionamiento se basa en interpretar las señales eléctricas como números y de esta forma poder operar sobre ellas, para lo cual hace servir métodos como la álgebra de Boole.

     El nombre de microprocesador nos describe sólo el conjunto de todos los componentes que forman la CPU una vez encajados y listos para funcionar. Podemos dividir cualquier procesador en dos grandes bloques: la Unidad de Control (UC) y la Unidad de Proceso (UP), se comunican constantemente entre ellas. La Unidad de Control es la encargada de gestionar y controlar el correcto funcionamiento de la Unidad de Proceso, que es la que realiza el trabajo. Esta tarea de gestión y control de la UC, se lleva a cabo mediante la activación/desactivación de señales enviadas a la UP, indicadoras de qué acciones he de tomar en cada momento.


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     La Unidad de Proceso está formada por más componentes tales como : la ALU, Registros, y buses.

     En la imagen podemos ver el interior de la UP, ésta en particular es muy simple, tiene unos cuántos registros, tres buses y una ALU. Los buses A y B traen los datos de los registros hasta la ALU para ser operados, y el C se encarga de llevar los datos resueltos hacia la memoria, o a los registros para ser sobreescritos con un nueve valor.


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     La UC en cambio, es la encargada de controlar y dar órdenes (qué órdenes pasan y por dónde, quien va primero, como se ha de operar, etc.) sobre todos los procesos que se lleven a término dentro la UP. Estas órdenes son en el interior de la instrucción a ejecutar, por lo tanto podemos deducir que todas las instrucciones primero pasan por la UC y de aquí hacia la UP.

     La instrucción, contiene en su interior los datos a operar, y al principio de todo el tipo de operación a realizar con aquellos datos.


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   Hay diferentes tipos de operaciones:

· De transferencia de datos : Es la más típica, implica mover datos desde un sitio a otro. Se ha de especificar la dirección de entrada y la dirección de destino, y la longitud a transferir.

· Aritméticas : Cuando se usan las operaciones básicas (suma, resto, multiplicación y división). También hay de otros tipos como coger el valor absoluto de un número, negar (invertir) el operando. Se pueden llevar a cabo sobre números enteros, pero también es necesario sobre reales. Este tipo de operaciones son llevadas a cabo por la ALU, la cual puede hacer necesario una operación de transferencia de datos.

· Lógicas : Realizan operaciones bit a bit, lo hace intermediando operaciones boleanas NOT AND OR XOR.... Tienen múltiples utilidades, sobre todo si se combinan con operaciones que muevan bit a bit.

· De conversión : Se cambia el formato de los datos, puede ser necesario involucrar alguna operación de: transferencia, aritméticas, lógicas, etc. ...

· De Entrada/Salida : Tienen que ver con la gestión de los dispositivos de E/S, a menudo utilizan interrupciones.

· De control del sistema : Tienen ciertos privilegios sobre los otros tipos de operaciones, por lo general solamente pueden ser ejecutadas por el Sistema Operativo.

· De transferencia de control : Cambian el orden secuencial normal de la ejecución de un programa. la operación que indique estas instrucciones es el cambio del contador del PC (memoria interna de la CPU) a la siguiente dirección a procesar. se usan para acortar la longitud de programas.

     Tipos de Procesadores
     Básicamente existen dos tipos de estructura de procesador, que constituyen hoy en día la diversidad de chips en el mercado (el caso más claro y con más éxito es el de AMD e Intel).

     De una parte tenemos microprocesadores RISC los cuales se basan en instrucciones simples y por lo tanto la complejidad total de la CPU es menor. Algunos ejemplos son: Power PC, Motorola y SPARC, la mayoría son utilizados en empresas por su rendimiento y fiabilidad.

     Por otro lado, los microprocesadores CISC (Complex-Instruction-Set-Computing) contienen instrucciones complejas, ocupan más tamaño, dedicando más tiempo por instrucción con menos instrucciones. Algunos ejemplos son: Pentium, Cyrix y AMD.

     Comparación
     Cuando se ejecuta un programa difícil, o extenso, los CISC son más rápidos y eficaces que los RISC. En cambio cuando tenemos en ejecución un conjunto de instrucciones sencillas, cortas y simples, tenemos que los RISC son más rápidos.

     Estas desigualdades también se dan entre los diferentes modelos y marcas de los dos tipos de procesadores.

2.2 Funcionamiento y componentes que lo forman
     El microprocesador en sí, no es nada más que una fina placa de silicio dónde van soldados un conjunto de componentes electrónicos, y estos son los encargados de manejar todas las señales eléctricas que representan los bits (acrónimo de BInary digiT), ceros, cuando hay ausencia de corriente, y unos, cuando pasa corriente eléctrica. Se utilizan mayoritariamente transistores puesto que estos usan el silicio, el cual es un material semiconductor, estos materiales tienen la propiedad de que en ciertas condiciones permiten o no dejar pasar la corriente a través suyo, y así resulta más sencillo simbolizar el código binario.


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     Como se ve en la imagen, un transistor consta de tres capas de materiales, la primera: de metal, la segunda: aislante, y la tercera hecha de una mezcla de silicio, uno conductor (n), y el otro aislante (p). En su estado normal no pasa corriente puesto que el silicio tipo p obstruye el paso de la corriente; pero si aplicamos tensión a la primera capa, ésta crea un campo positivo que hace que se acumulen electrones en la parte superior del silicio p, dejando así el paso de la corriente a través suyo (se convierte en silicio n).

     En el momento que se quiera dejar de permitir el paso a la corriente, se aplica un campo negativo a la primera capa obligando de esta forma al silicio p a repeler los electrones, y volver a su estado inicial.

     Así pues, tenemos que para simbolizar un cero, no se deja pasar la corriente, y para el uno, en cambio, si que la dejamos pasar. Y básicamente en esto consiste un microprocesador, en el funcionamiento de los transistores (ausencia o presencia de corriente eléctrica).

     Ahora que ya sabemos como es por dentro, veremos como trabaja este "cerebro" artificial.

       
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     En la imagen de la izquierda, podemos observar como se ven los componentes internos del micro, la mayoría transistores, a simple vista. En cambio a la derecha observamos una prueba de Intel para mejorar la estructura interna del micro, es decir, el core. se está trabajando en la mejora estructural de las capas que lo componen.

     Y finalmente respecto la CPU, hablaremos de la utilidad del proceso en tiempo compartido en las operaciones del micro. Estos tipos de procesadores se les denomina "fuera-de orden". En un procesador normal, sin segmentar, tenemos que empieza las operaciones sólo cuando el anterior ya ha acabado, en cambio en los procesadores segmentados, las operaciones se intercalan entre ellas, el que se respeta es la duración de una etapa, acto seguido se usan las interrupciones para dejar pasar primero a una en lugar de otra. En el gráfico de abajo podemos confirmar que ejecutar operaciones segmentadas es más eficiente que ejecutarlas sin segmentar, ahora vemos cada una de estas etapas.


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· Etapa 1: Transporte de la instrucción, desde la memoria al procesador.
· Etapa 2: Descodificación de la instrucción y Lectura de los operandos a los registros.
· Etapa 3: Ejecución de los cálculos con los operandos a la ALU.
· Etapa 4: Etapa de acceso a la memoria.
· Etapa 5: Escritura del resultado de la ejecución de la instrucción.

2.3 Historia
     A diferencia de la evolución de la mayoría de máquinas mecánicas, el ordenador, como la grande parte de máquinas electrónicas se han visto afectadas por la nominada revolución tecnológica (2ª "Revolución industrial") puesto que al ser una cosa nueva y joven decidieron explotarla al máximo, y todavía no lo han conseguido, pero ya se ha empezado a notar una cierta bajada.

     Microprocesadores
     Esta ha sido la gran evolución y la que ha destacado siempre por encima de las de los otros componentes. se ha pasado de la primera CPU creada por Intel, la 4004 de 108 kHz hasta el presente Pentium IV a 2 GHz, y se especula que Intel prevé por el enero, un Pentium IV a 3,5 GHz. Es necesario destacar que antes ya existían "ordenadores" que funcionaban sin este componente.


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     Los transistores también han sufrido un cambio espectacular desde su aparición:

          
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     El transistor fue inventado por tres hombres: John Bardeen (físico teórico), Walter Brattain (investigador), y William Shockley. Les colaboró económicamente la compañía telefónica Bell, y ganaron un premio Nobel por su hallazgo.

     Ordenadores
     Nos referimos al conjunto de todas las piezas mínimas necesarias para que funcione. En ésta área la única diferencia sustancialsubstancial y la más significativa, ha sido el volumen de las cajas, ahora hay de diferentes tamaños, pero que normalmente no sobrepasan del metro de altura, cuando antes eran necesarias habitaciones enteras.

     Aquí vemos ejemplos del pasado, presente y futuro respectivamente

          
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     Como se puede ver en la imagen superior, la cosa promete. IBM, la primera empresa que sacó el primero PC, se ha lucido con su nueva tecnología para empequeñecer todos los componentes.

     En esta fotografía tenemos un esquema rápido de la evolución por lo general del PC:


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