Elementos funcionales del ordenador digital
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SIMM 2009-2010 Componentes físicos El hardware
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Componentes físicosEl hardware
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Componentes físicos. El hardware
Se pueden clasificar: Unidad aritmético-lógica( UAL) Unidad de Control (UC) Memoria Central (MC) o RAM Unidad de entrada/salida (E/S) Controladores Buses Unidades periféricas o periféricos de
entrada/salida
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Unidad Central de proceso ( CPU)
Cerebro del ordenadorUnidad donde se ejecutan las
instrucciones de los programas y se controla el funcionamiento de los distintos componentes del ordenador. Suele estar integrada en un chip denominado microprocesador.
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Se suele llamar erróneamente CPU a la caja del ordenador donde van alojados los componentes básicos del mismo, es decir, además de la CPU en sí, la placa base, las tarjetas de expansión, el disco duro, la fuente de alimentación, etc.
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La potencia de un sistema informático se mide sobre todo por la de su CPU.
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CPU compone:
o Unidad de Control (UC)
o Unidad Aritmético-lógica (ALU)
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Pero para que el procesador pueda trabajar necesita:
La memoria (MC)
Los periféricos de entrada/salida.
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Unidad de control (UC)
Interpreta y ejecuta las instrucciones maquina almacenadas en la memoria principal y genera las señales de control necesarias para ejecutarlas
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Esquema Unidad central de proceso
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La UC interpreta y ejecuta las instrucciones en el orden adecuado para que cada una de ellas se procede en el debido instante y de forma correcta.
Para realizar todas estas operaciones, la UC dispone registros (espacios almacenamiento)
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Además otros componentesRegistro de instrucción.-Contiene la
instrucción que se esta ejecutando. Consta diferentes campos:CO : Código de la operación que se va a
realizar.MD: Modo de direccionamiento de la memoria
para acceder a la información que se va a procesar.
CDE: Campo de dirección efectiva de la información
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Decodificador de instrucciones
Extrae y analiza código de operación de la instrucción en curso.
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Registro contador de programas.-Contiene la dirección de memoria de la siguiente instrucción a ejecutar.
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Secuenciador
Genera microordenes elementales, sincronizadas impulsos de reloj hacen se ejecuten paso a paso y de manera ordenada instrucciones cargadas en él.
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Reloj
Sucesión de impulsos eléctricos a intervalos constantes.
Marca tiempos ejecución de los pasos a realizar para cada instrucción.
Velocidad reloj en megahercios (MHz)
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Controlador de instrucciones
Controla el flujo de instrucciones de la CPU e interpreta la instrucción para su posterior procesamiento.
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Unidad Aritmético-lógica (ALU)
Recibe los datos sobre los que efectúa operaciones de calculo y comparaciones, toma decisiones lógicas.
Realiza operaciones aritméticas y lógicas sobre la información.
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Elementos componen ALU
Circuito combinacional u operacional.
Realiza las operaciones con los datos de los registros de entrada.
Registros de entrada.
Contienen los operandos de la operación.
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Registro acumulador.
Almacena los resultados de las operaciones.
Registro de estado.
Registra las condiciones de la operación anterior.
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Etapas ejecución instrucción
Vamos a ver las etapas como se ejecuta una instrucción cualquiera en el ordenador:
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La CPU extrae de memoria la siguiente instrucción a ejecutar y la almacena en el registro de instrucción. La posición de memoria en la que se encuentra esta instrucción la almacena el registro contador de programas.
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Se cambia el registro contador de programas con la dirección de memoria de la siguiente instrucción a ejecutar.
Se analiza el código de operación (CO) de la instrucción, que esta contenido en el registro de instrucciones.
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Se determina a que datos de memoria hay que acceder, y como hay que hacerlo. Para ello se analiza el modo de direccionamiento de memoria (MD) para acceder a la información que se va a procesar, así como el campo de dirección efectiva de la información.
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Se extraen los datos, si los hay, de la posición de memoria especificada en el campo de dirección efectiva, y se cargan en los registros necesarios de la CPU para ser procesados.
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El ordenador almacena de su memoria los programas y datos con los que vamos a trabajar.
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Funcionamiento de un ordenador programado
Para que un ordenador pueda funcionar debe estar programado, es decir debe ejecutar un programa. Este programa es consecuencia del análisis detallado de las acciones que debe llevar a cabo, la secuencia de las mismas, la repetición sistemática de un conjunto de ellas, así como la elección de una alternativa llegado el caso. En definitiva, la obtención de un algoritmo.
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Posteriormente, este algoritmo es codificado según la sintaxis de un lenguaje de programación.
Una vez escrito y codificado este programa se deberá compilar es decir traducirlo a lenguaje máquina que es entendible por la unidad de control ordenador.
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Una vez realizado el proceso de compilación, es conveniente almacenar en disco tanto el programa ejecutable como el fuente, por si quisiéramos hacer un cambio respecto a las especificaciones iniciales. Así el programa ejecutable estará dispuesto para llevar a cabo la finalidad decrecido construido.
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Para poder ejecutar el programa previamente deberá ser cargado en memoria y residir durante su ejecución.
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La ejecución consistirá en un proceso repetitivo de dos fases:
fase de búsqueda fase de ejecución.
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Durante la fase de búsqueda la unidad de control interpretara la acción que debe ejecutarse e identificara el lugar en que se encuentran los datos que intervienen en las operaciones.
Una vez identificados estos datos serán depositados en los diferentes registros a tal efecto
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En la fase de ejecución se procederá a la ejecución propiamente dicha que será generalmente un cálculo aritmético, un cálculo lógico, o una operación de transferencia de datos
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Caso práctico 1.Suma de dos datos
Realizar la suma de un dato A, más un dato B, y el resultado se guardará en un dato C. La instrucción de suma se representará así: C = A + B. Suponemos que A=10 y B=15, la situación inicial de la memoria quedaría:
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Situación de la memoria. Almacenamiento
de A, B y C.
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Ejecución de la instrucción
La UC interpreta el código y genera una secuencia de tres microinstrucciones elementales que afectan al registro acumulador. En éste es donde se almacenan los resultados de las distintas operaciones. Las tres operaciones son:
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Carga del primer operando
A. Cargar el registro acumulador con el primer operando
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Suma del segundo operando.
B.Suma el segundo operando al contenido del acumulador.
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Carga a la dirección del resultado
C.Carga el contenido del acumulador en la dirección del resultado
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Caso práctico 2.Ejecución de una instrucción
Nos imaginamos la memoria como una serie de casillas con su dirección asociada. El mapa de memoria se muestra a continuación:
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Memoria
Programa Datos
1 9 17 25
2 10 18 26
3 11 19 27 Dato A
4 Leer A 12 20 28 Dato B
5 Leer B 13 21 29 Dato C
6 Calcular C=A+B14 22 30
7 Visualizar C 15 23 31
8 16 24 32
Las instrucciones del programa comienzan en la dirección de memoria 4. Los datos se van a almacenar en las posiciones 27, 28 y 29, tal y como se muestra en la tabla.Cada instrucción tiene su fase de búsqueda y su fase de ejecución:
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Instrucción LEER A.
Fase de búsqueda:
1. En el CP se almacena la dirección de memoria de comienzo del programa, la 4.
2. La UC envía una orden para que el contenido del CP, que es la dirección de la instrucción que estamos analizando, se transfiera al RDM (registro de dirección de memoria).
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3. El selector de memoria localiza la posición 4, y transfiere su contenido al RIM (registro de intercambio). El RIM contiene: LEER A.
4. La UC da la orden de transferir el contenido del RIM al registro de instrucción RI, en el que deposita el código de la instrucción a ejecutar.
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5. Seguidamente el decodificador de instrucción (DI) analiza el código contenido en el RI (en el ejemplo, la operación es Leer A) y genera las señales de control para ejecutar correctamente la instrucción.
6. El CP se incrementa en uno y apuntará a la siguiente instrucción; en este caso es la 5: LEER B.
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Fase de búsqueda de la instrucción LEER A.
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Fase de ejecución:7. Una vez conocido el código de operación, la UC
establece las conexiones con el dispositivo de entrada, para aceptar el dato A.
8. La UC da la orden de que el dato leído se cargue en el RIM, y en el RDM se cargue la dirección de memoria donde se va a almacenar el dato leído; en el ejemplo esta dirección es la 27.
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9. El selector de memoria es el encargado de guardar en la dirección indicada por RDM, la 27 el contenido del RIM.
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Fase de ejecución de la instrucción LEER A.
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Instrucción LEER B.
Se procede como en LEER A
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Instrucción CALCULAR C = A + B.
Fase de búsqueda:
1. El CP contiene la dirección 6.
2. La UC ordena que el contenido del CP pase al RDM.
3. El selector de memoria localiza la posición 6, y transfiere su contenido al RIM. El RIM contiene:
CALCULAR C = A + B
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4. La UC da la orden de transferir el contenido del RIM al registro de instrucción (RI).
5. Seguidamente el decodificador de instrucción (DI) analiza el código contenido en el RI y genera las señales de control para ejecutar correctamente la instrucción.
6. El CP se incrementa en uno y apuntará a la siguiente instrucción, en este caso es la 7, VISUALIZAR C.
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Fase de ejecución:7. Se transfiere la dirección del primer
operando A (27) desde el RI hasta el RDM.8. El selector extrae el contenido de la
posición 27 y lo deposita en el RIM.9. El contenido del RIM se carga en el registro
acumulador de la UAL.
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Carga en el acumulador el dato A.
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10. Se transfiere la dirección del segundo operando B (28) desde el RI hasta el RDM.
11. El selector extrae el contenido de la posición 28 y lo deposita en el RIM.
.
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Suma al acumulador el dato B.
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12. Se envía una orden para que el contenido del RIM se sume al contenido del registro acumulador de la UAL, y el resultado se almacene en el acumulador .
13. Este resultado es enviado desde el registro acumulador al RIM para almacenarlo en memoria, pero antes hay que localizar en qué dirección se va a almacenar.
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14. Se transfiere desde el RI (recuerda que en el RI está la instrucción del cálculo de la suma, es decir el código de operación y la dirección de los operandos), al RDM la dirección donde se va a almacenar el resultado, es decir la dirección de C (29).
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15. Finalmente se transfiere el resultado desde el RIM a la dirección indicada por el RDM, el resultado C queda almacenado en la posición 29.
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Carga en el dato C el acumulador que contiene la suma.
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Instrucción VISUALIZAR C.
Fase de búsqueda:
1. El CP contiene la dirección 7.
2. El contenido del CP se transfiera al RDM.
3. El selector de memoria localiza la posición 7, y transfiere su contenido al RIM.
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4. La UC da la orden de transferir el contenido del RIM al registro de instrucción (RI).
5. El decodificador de instrucción (DI) analiza el código contenido en el RI y genera las señales de control para ejecutar la instrucción
6. El CP se incrementa en uno y su valor es 8, fin de programa.
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Fase de ejecución:7. Una vez conocido el código de operación, la UC
establece las conexiones con el dispositivo de salida para visualizar el dato C.
8. La dirección del dato a visualizar (la 29) se carga en el RDM
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9. El selector de memoria selecciona esa posición y guarda en el RIM el contenido del dato C.
10. Se generan las órdenes para que el contenido del RIM salga por la unidad de salida.
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Buses de comunicación
Líneas eléctricas u ópticas a través de las que se comunican las distintas unidades de un ordenador.
Cables por los que circulan los bits en forma de información.
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Tipos de Buses
Bus de datos
Intercambio de datos entre la CPU y el resto de unidades.
Cada instrucción de un programa y cada byte de datos viaja por este bus.
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El intercambio de datos se realiza a través de un conjunto de líneas eléctricas , una por cada bit .
Se transmiten todos a la vez deforma paralela.
El tamaño del bus se mide en bits
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Si tienen un bus:
Nºbits Transfieren cada ciclo de reloj
8 1 byte
16 2 bytes
32 3 bytes
64 4 bytes
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Bus de direcciones
Transmite direcciones entre la CPU y la memoria.
Esta sincronizado con el de datos
Necesario saber direcciones de los datos envían/ reciben por el bus de datos
Cuanto >nº bits forma bus direcciones > rango memoria direccionable
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El tamaño bus direcciones
Si bus direcciones :
Bits Accede posiciones memoria
10 210
16 216
36 236
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Bus de control
Controla las unidades complementarias de la CPU, generando impulsos necesarios para gobernarlas.
Evolución de los
microprocesadores
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A medida que evoluciona la electrónica evolucionan los microprocesadores y se han incorporado dentro del micro componentes que hacen que sean mas potentes y rapidos.
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A medida que la informática evoluciona el software es cada vez mas complejo y eso hace que los equipos sean mas rápidos y mas complicados
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Los últimos micros sobrepasan la barrera de los gigahercios, lo que es justificable por lo siguiente :
Los nuevos S.O. utilizan muchos recursos de la maquina
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Los nuevos formatos de audio y video comprimido (divX y MP3) se descomprimen en tiempo real
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Diagrama de bloques de las CPUs actuales
El núcleo del procesador es la parte de la CPU que funciona a la misma velocidad de reloj que la UAL.
Añade los siguientes elementos:
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Unidad de coma flotante (FPU)
Es la encargada de manejar todas las operaciones en coma flotante. Estas operaciones involucran aritmética con números fraccionarios, operaciones matemáticas trigonometriítas y logarítmicas.
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La caché del procesador, de nivel 1 y de nivel 2.
Las memorias caché se utilizan para guardar las posiciones de memoria de la memoria principal mas utilizadas.
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Cuando la caché contiene los datos que necesita la CPU, no hay tiempos de espera y se denomina acierto de la caché .Cuando la caché no contiene los datos, se denomina fallo de la caché y la CPU tendrá que esperar un tiempo hasta que la memoria principal entregue los datos.
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Las primeras cachés surgieron en la época del micro 386 de Intel (1986). Los diseños de esta placa base llevaban una caché de 64 kb.
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Con el 486 (1989) se incluyo una pequeña caché dentro del chip del micro (caché del procesador).
Los fabricantes de placas incluyeron también una caché en la placa base (caché de nivel 2 - L2) y la integrada en el micro paso a llamarse ( Cache de nivel 1 – L1).
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Cuando la CPU solicita un dato, el primer lugar donde busca es la caché L1
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Bus frontal (FSB). Bus que conecta la CPU con la placa base.
Es la interfaz entre la caché de nivel 2 del procesador y la placa base. El ancho de este bus es de 64 bits
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BUS posterior (BSB).
Es la interfaz entre la caché de nivel 1, el numero del procesador y la caché de nivel 2. El ancho de bus es de 256 bits.
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Instrucciones especiales.
La aparición Pentium de Intel en 1992 incluía nuevas características: cachés independientes de 8 bits, una para guardar datos y otra para instrucciones y una unidad de coma flotante muy rápida.
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También incluyo la arquitectura superescalar que permitía ejecutar mas de una instrucción en un ciclo de reloj; es decir admite mas de una orden a la vez, como si trabajasen dos micros juntos.
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Se incluye la técnica de pipelining (segmentación), que consiste en que la CPU comienza a ejecutar una instrucción antes determinar de ejecutar la anterior.
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La ejecución de una instrucción requiere dos pasos: la búsqueda y la ejecución . Originalmente la CPU tenia que completar una instrucción entera antes de comenzar a comenzar a ejecutar la otra, pero ahora todo es diferente: existen circuitos que manipulan instrucciones separadas.
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El primer Pentium tenia una ALU con una pipeline de doble ejecución, podía ejecutar dos instrucciones al mismo tiempo.
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Con la aparición del Pentium MMX surge la tecnología MMX (Multimedia extensión).
Paralelamente la empresa AMD saca el K6, con su especificación 3D Now; esta tecnologías intentan aumentar el rendimiento de las aplicaciones multimedia y en 3D.
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Lo forman un conjunto de instrucciones incorporadas en la CPU que utilizan la matemática matricial para soportar los algoritmos de comprensión y decomprensión de gráficos (como jpeg, gif y Mpeg) y presentaciones graficas en 3D.
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MMX permite que la FPU (unidad de coma flotante) actúa con varios datos simultáneamente a través de un proceso llamado SIMD (instrucción única, datos múltiples) caso en el que una sola instrucción puede llevar a cabo varias operaciones, pudiendo hacer hasta 4 operaciones en coma flotante en cada ciclo de reloj.
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Con la llegada del Pentium III en 1998 se incorpora al micro 70 instrucciones, llamadas SSE, también conocidas como MMX-2. Sus ventajas son las siguientes:
Las instrucciones SSE permiten realizar cálculos matemáticos con números con coma flotante, al contrario que las MMx, que solo las realizan con números enteros.
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Las instrucciones SSE pueden utilizarse simultáneamente con la FPU o con instrucciones MMX.
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Algunas de estas nuevas instrucciones optimizan el rendimiento en apartados multimedia, como la reproducción de video MPEG-2 o el reconocimiento de voz, mientras otras aceleran el acceso a memoria.
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El Pentium IV añade las instrucciones SSE2 , 144 nuevas instrucciones, algunas de ellas capaces de manejar cálculos de doble precisión de 128 bits en coma flotante. La idea es reducir el numero de operaciones necesarias para realizar las tareas.
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Actualmente el mercado de microprocesadores esta monopolizado por dos grandes marcas Intel y AMD.
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AMD fabrico una línea de procesadores X86 equiparables a los de Intel. Hasta la aparición del 486DX, AMD fue prácticamente un distribuidor de Intel, a partir de aquí empezó las desavenencias y la competencia entre ambas compañias.
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En la misma época que aparece Pentium, por el 1992 , AMD saca al mercado el K5. Con la aparición del Pentium MMX, AMD lanzo el primer K6 con tecnología MMX y con una caché L2 integrada de 64 k, una desventaja es que generaba bastante calor y por ello tenia un encadenado diferente.
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Pentium III con tecnología MMX2, AMD lanza el K6-2 con tecnología 3Dnow, superior al MMX
Paralelamente al Pentium III, AMD lanza el K6-3, que incorporaba una L2 de 256 k, el rendimiento era similar.
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Después del K6-3, AMD lanza Athlon, Thunderbird y Duron. Con mejor caché, mayor FSB, mejoras en las FPUs y mayor velocidad.
