PROCESADOR

KAROL YESENIA ROJAS SALDARRIAGA

POLITÉCNICO JAIME ISAZA CADAVID

2014

PROCESADOR

• CIRCUITO INTEGRADO QUE REALIZA FUNCIONES A TRAVÉS DE LA FOTOLITOGRAFÍA, FUNCIONA MEDIANTE UN RELOJ INTERNO QUE CON UNA CORRIENTE ELÉCTRICA GENERA PICOS (INSTRUCCIONES), TRABAJA POR MEDIO DE REGISTROS GUARDANDO ALEATORIAMENTE EN LA MEMORIA, LLEGA A LA BOARD MEDIANTE EL ZÓCALO, QUIEN DETERMINA LOS PINES QUE DEBE TENER EL PROCESADOR, INTERPRETA Y EJECUTA DATOS CON LA AYUDA DE LOS BUSES DE DATOS.

• FÍSICAMENTE, NO ES MÁS QUE UNA PEQUEÑA PASTILLA DE SILICIO. SE COLOCA SOBRE LA PLACA BASE EN UN CONECTOR QUE SE DENOMINA SOCKET, AUNQUE EN UN LAPTOP O PORTÁTIL LO NORMAL ES ENCONTRARLO SOLDADO.

• EL PROCESADOR ES UNO DE LOS ELEMENTOS DEL PC QUE MÁS HA EVOLUCIONADO A LO LARGO DEL TIEMPO. GRACIAS A LAS MEJORAS EN LA TECNOLOGÍA DE FABRICACIÓN SE HA REDUCIDO EL TAMAÑO DE LOS TRANSISTORES QUE SE ENCUENTRAN EN SU INTERIOR PERMITIENDO INTEGRAR UN MAYOR NÚMERO DE ELLOS. ESTOS ELEMENTOS NO SON MÁS QUE PEQUEÑOS LADRILLOS QUE UNIDOS CONFIGURAN LA FUNCIONALIDAD DEL MICRO. COMO SE REALIZA ESTA INTERCONEXIÓN ES LO QUE SE DENOMINA ARQUITECTURA.

¿CÓMO FUNCIONA UN PROCESADOR?

• TODO EL SISTEMA ESTÁ GOBERNADO POR UN RELOJ QUE SE ENCARGA DE SINCRONIZAR LOS DIFERENTES BLOQUES FUNCIONALES. LA VELOCIDAD A LA QUE ESTE CAMBIA DE ESTADO SE DENOMINA FRECUENCIA DE FUNCIONAMIENTO Y ESTÁ RELACIONADA CON LA CAPACIDAD DE CÓMPUTO DEL SISTEMA.

• EL PROCESADOR (DENOMINADO CPU, POR CENTRAL PROCESSING UNIT) ES UN CIRCUITO ELECTRÓNICO QUE FUNCIONA A LA VELOCIDAD DE UN RELOJ INTERNO, GRACIAS A UN CRISTAL DE CUARZO QUE, SOMETIDO A UNA CORRIENTE ELÉCTRICA, ENVÍA PULSOS, DENOMINADOS "PICOS". LA VELOCIDAD DE RELOJ (TAMBIÉN DENOMINADA CICLO), CORRESPONDE AL NÚMERO DE PULSOS POR SEGUNDO, EXPRESADOS EN HERTZ (HZ). DE ESTE MODO, UN ORDENADOR DE 200 MHZ POSEE UN RELOJ QUE ENVÍA 200.000.000 PULSOS POR SEGUNDO. POR LO GENERAL, LA FRECUENCIA DE RELOJ ES UN MÚLTIPLO DE LA FRECUENCIA DEL SISTEMA (FSB, FRONT-SIDE BUS O BUS DE LA PARTE FRONTAL), ES DECIR, UN MÚLTIPLO DE LA FRECUENCIA DE LA PLACA MADRE.

• CON CADA PICO DE RELOJ, EL PROCESADOR EJECUTA UNA ACCIÓN QUE CORRESPONDE A SU VEZ A UNA INSTRUCCIÓN O BIEN A UNA PARTE DE ELLA. LA MEDIDA CPI (CYCLES PER INSTRUCTION O CICLOS POR INSTRUCCIÓN) REPRESENTA EL NÚMERO PROMEDIO DE CICLOS DE RELOJ NECESARIOS PARA QUE EL MICROPROCESADOR EJECUTE UNA INSTRUCCIÓN. EN CONSECUENCIA, LA POTENCIA DEL MICROPROCESADOR PUEDE CARACTERIZARSE POR EL NÚMERO DE INSTRUCCIONES POR SEGUNDO QUE ES CAPAZ DE PROCESAR. LOS MIPS (MILLIONS OF INSTRUCTIONS PER SECOND O MILLONES DE INSTRUCCIONES POR SEGUNDO) SON LAS UNIDADES QUE SE UTILIZAN, Y CORRESPONDEN A LA FRECUENCIA DEL PROCESADOR DIVIDIDA POR EL NÚMERO DE CPI.

INSTRUCCIONES

• UNA INSTRUCCIÓN ES UNA OPERACIÓN ELEMENTAL QUE EL PROCESADOR PUEDE CUMPLIR.. LAS INSTRUCCIONES SE ALMACENAN EN LA MEMORIA PRINCIPAL, ESPERANDO SER TRATADAS POR EL PROCESADOR. LAS INSTRUCCIONES POSEEN DOS CAMPOS:

• EL CÓDIGO DE OPERACIÓN, QUE REPRESENTA LA ACCIÓN QUE EL PROCESADOR DEBE EJECUTAR;

• EL CÓDIGO OPERANDO, QUE DEFINE LOS PARÁMETROS DE LA ACCIÓN. EL CÓDIGO OPERANDO DEPENDE A SU VEZ DE LA OPERACIÓN. PUEDE TRATARSE TANTO DE INFORMACIÓN COMO DE UNA DIRECCIÓN DE MEMORIA.

REGISTROS

• CUANDO EL PROCESADOR EJECUTA INSTRUCCIONES, LA INFORMACIÓN ALMACENA EN FORMA TEMPORAL EN PEQUEÑAS UBICACIONES DE MEMORIA LOCAL DE 8, 16, 32 O 64 BITS, DENOMINADAS REGISTROS. DEPENDIENDO DEL TIPO DE PROCESADOR, EL NÚMERO TOTAL DE REGISTROS PUEDE VARIAR DE 10 A VARIOS CIENTOS. 

• LOS REGISTROS MÁS IMPORTANTES SON:

• EL REGISTRO ACUMULADOR (ACC), QUE ALMACENA LOS RESULTADOS DE LAS OPERACIONES ARITMÉTICAS Y LÓGICAS;

• EL REGISTRO DE ESTADO (PSW, PROCESSOR ESTADO: WORD O PALABRA DE ESTADO DEL PROCESADOR), QUE CONTIENE LOS INDICADORES DE ESTADO DEL SISTEMA (LLEVA DÍGITOS, DESBORDAMIENTOS, ETC.);

• EL REGISTRO DE INSTRUCCIÓN (RI), QUE CONTIENE LA INSTRUCCIÓN QUE ESTÁ SIENDO PROCESADA ACTUALMENTE;

• EL CONTADOR ORDINAL (OC O PC POR PROGRAM COUNTER, CONTADOR DE PROGRAMA), QUE CONTIENE LA DIRECCIÓN DE LA SIGUIENTE INSTRUCCIÓN A PROCESAR;

• EL REGISTRO DEL BÚFER, QUE ALMACENA INFORMACIÓN EN FORMA TEMPORAL DESDE LA MEMORIA.

SEÑALES DE CONTROL

• LAS SEÑALES DE CONTROL SON SEÑALES ELECTRÓNICAS QUE ORQUESTAN LAS DIVERSAS UNIDADES DEL PROCESADOR QUE PARTICIPAN EN LA EJECUCIÓN DE UNA INSTRUCCIÓN. DICHAS SEÑALES SE ENVÍAN UTILIZANDO UN ELEMENTO DENOMINADO SECUENCIADOR. POR EJEMPLO, LA SEÑAL LEER/ESCRIBIR PERMITE QUE LA MEMORIA SE ENTERE DE QUE EL PROCESADOR DESEA LEER O ESCRIBIR INFORMACIÓN.

TRANSISTOR

• UN TRANSISTOR (CONTRACCIÓN DE LOS TÉRMINOS TRANSFERENCIA Y RESISTOR) ES UN COMPONENTE ELECTRÓNICO SEMI-CONDUCTOR QUE POSEE TRES ELECTRODOS CAPACES DE MODIFICAR LA CORRIENTE QUE PASA A TRAVÉS SUYO, UTILIZANDO UNO DE ESTOS ELECTRODOS (DENOMINADO ELECTRODO DE CONTROL). ÉSTOS RECIBEN EL NOMBRE DE "COMPONENTES ACTIVOS", EN CONTRASTE A LOS "COMPONENTES PASIVOS", TALES COMO LA RESISTENCIA O LOS CAPACITORES, QUE SÓLO CUENTAN CON DOS ELECTRODOS (A LOS QUE SE DENOMINA "BIPOLARES"). 

• UN TRANSISTOR ACTÚA COMO UNIDAD BÁSICA DE PROCESAMIENTO, CAPAZ DE LLEVAR A CABO TODAS LAS OPERACIONES QUE REALIZA UN PC MODERNO.

EL FUNCIONAMIENTO DE UN PROCESADOR SE PUEDE DIVIDIR EN LAS SIGUIENTES

ETAPAS:• SE LEE UNA INSTRUCCIÓN DE MEMORIA. EL CONJUNTO DE INSTRUCCIONES DE CUALQUIER

PROCESADOR ACTUAL INCLUYE MÁS DE MIL DIFERENTES Y VA CRECIENDO CON EL TIEMPO. SE AÑADEN PARA MEJORAR LA VELOCIDAD DE PROCESAMIENTO DE CIERTAS APLICACIONES.

• SE BUSCAN LOS DATOS NECESARIOS. ALGUNAS INSTRUCCIONES NECESITARAN DE DATOS, LOS CUALES NORMALMENTE ESTARÁN EN LA MEMORIA RAM, PARA PODER LLEVAR A CABO SU TRABAJO. SIEMPRE HABRÁ QUE ESPERAR A TENERLOS TODOS ANTES DE LLEVAR A CABO LOS CÁLCULOS. ES MUY IMPORTANTE QUE EL FLUJO DE DATOS Y DE INSTRUCCIONES SEA LO MÁS RÁPIDO POSIBLE PARA QUE NO SE PRODUZCAN BLOQUEOS.

• SE REALIZA LA OPERACIÓN. UNA VEZ QUE SE TIENE TODO SE EJECUTA LA OPERACIÓN, PARA ESTO PUEDE SER NECESARIO EL TRABAJO DE VARIOS BLOQUES DENTRO DEL PROPIO PROCESADOR COMO LA UNIDAD ARITMÉTICA LÓGICA O LA DE PUNTO FLOTANTE.

• SE PASA A LA SIGUIENTE INSTRUCCIÓN. QUE NO ES SIEMPRE LA QUE SE ENCUENTRA A CONTINUACIÓN EN LA MEMORIA. MUCHAS INSTRUCCIONES PUEDEN CAMBIAR EL FLUJO DEL PROGRAMA Y PERMITIR SALTOS O REPETIR CIERTAS ACCIONES HASTA QUE SE CUMPLA UNA DETERMINADA CONDICIÓN.

¿QUÉ COMPONENTES TIENE UN PROCESADOR?

• NÚCLEOS. UN NÚCLEO NO ES MÁS QUE UN PROCESADOR EN MINIATURA. AL TENER VARIOS, DENTRO DEL MISMO PROCESADOR, PODRÁS TRABAJAR CON MÁS DE UNA APLICACIÓN AL MISMO TIEMPO Y PUEDES ACELERAR CIERTOS TIPOS DE APLICACIONES Y EVITAR BLOQUEOS.

• CACHE. EL SISTEMA DE MEMORIA ES MUY IMPORTANTE Y SE DIVIDE EN VARIOS ELEMENTOS. LA MEMORIA CACHE, ES EL MÁS CERCANO AL MICRO YA QUE SE ENCUENTRA EN SU INTERIOR. SE USA PARA MEJORAR LA VELOCIDAD DE LOS ACCESOS A LA MEMORIA RAM. SI UN DATO SE ENCUENTRA EN LA CACHE NO TENDRÁ QUE BUSCARLO EN TODA LA RAM Y POR LO TANTO EL PROCESADO FINAL ES MUCHO MÁS RÁPIDO.

NÚCLEO

• NÚCLEO: UN PROCESADOR FUNCIONA LEYENDO INSTRUCCIONES Y DATOS, LOS PROCESA Y DA LUGAR A RESULTADOS. UN NÚCLEO, NO ES MÁS QUE EL BLOQUE ENCARGADO DE EJECUTAR LAS INSTRUCCIONES.

• EL NÚCLEO DEL PROCESADOR ALTERNA LA EJECUCIÓN DE LOS PROCESOS

• CUANTO MÁS ELEVADA SEA LA FRECUENCIA DEL PROCESADOR, MÁS RÁPIDO ES ÉSTE.

• CUANTAS MÁS TAREAS TENGAMOS QUE EJECUTAR SIMULTÁNEAMENTE, MENOS TIEMPO TENDRÁ EL NÚCLEO PARA EJECUTAR CADA UNA (ASÍ FUNCIONA UN NÚCLEO)

• EL NÚMERO DE NÚCLEOS PUEDE SER MÁS EFECTIVO QUE UNA ALTA FRECUENCIA.

CACHÉ

• ALMACENA UNA SERIE DE INSTRUCCIONES Y DATOS A LOS QUE EL PROCESADOR ACCEDE CONTINUAMENTE, CON LA FINALIDAD DE QUE ESTOS ACCESOS SEAN INSTANTÁNEOS.

• CACHÉ SE RENUEVA, POR LO TANTO, A TODO MOMENTO. CADA VEZ QUE SE ACCEDE POR VEZ PRIMERA A DETERMINADO DATO, ESTE ES ALMACENADO EN CACHÉ

• CACHE L1: INTEGRADA EN PROCESADOR, DIVIDIDO EN 2 PARTES UNA PARA DATOS Y OTRA PARA INSTRUCCIONES

• L2: NO ESTA DIVIDIDA PERO AUN ESA EN EL PROCESADOR

• L3. ESTA INTEGRADA EN LA BOARD

HILOS (SUB PROCESO)

• ES UNA CARACTERÍSTICA QUE PERMITE A UNA APLICACIÓN REALIZAR VARIAS TAREAS A LA VEZ .

• LOS DISTINTOS HILOS DE EJECUCIÓN COMPARTEN UNA SERIE DE RECURSOS. ESTA TÉCNICA PERMITE SIMPLIFICAR EL DISEÑO DE UNA APLICACIÓN QUE DEBE LLEVAR A CABO DISTINTAS FUNCIONES SIMULTÁNEAMENTE.

• CONTROLADOR DE MEMORIA. ESTE FUE UNO DE LOS PRIMEROS ELEMENTOS QUE SE QUISO INTEGRAR EN EL MICRO. SE HIZO PORQUE AL INCORPORAR EL CONTROLADOR DE MEMORIA EN EL INTERIOR DEL PROCESADOR Y QUITARLO DE LA PLACA BASE SE CONSIGUE AUMENTAR LA VELOCIDAD DE LA MEMORIA RAM. ESTO TIENE UN INCONVENIENTE Y ES QUE SÓLO PUEDES USAR EL TIPO DE MEMORIA PARA LA QUE TU PROCESADOR ESTE PREPARADO.

• TARJETA GRÁFICA. SI INTEGRAN ESTE COMPONENTE YA NO HABLAMOS DE CPUS SINO DE APUS. YA NO ESTARÍAMOS ANTE UN MICRO CONVENCIONAL SI NO ANTE UN HIBRIDO ENTRE PROCESADOR Y TARJETA GRÁFICA. EN LA ACTUALIDAD Y PARECE QUE EN DESARROLLOS FUTUROS VAMOS A TENER SIEMPRE ESTE TIPO DE DISPOSITIVOS.

• OTROS ELEMENTOS. LOS MICROS HAN INCORPORADO AÚN MAS FUNCIONALIDAD QUE ANTES SE ENCONTRABA SOBRE LA PLACA BASE. POR EJEMPLO, EL CONTROLADOR DE PCI EXPRESS, AUMENTANDO LA VELOCIDAD CON LA QUE EL MICRO ES CAPAZ DE COMUNICARSE, POR EJEMPLO, CON UNA TARJETA GRÁFICA DISCRETA.

EL SIGUIENTE DIAGRAMA SUMINISTRA UNA REPRESENTACIÓN SIMPLIFICADA DE LOS ELEMENTOS QUE

COMPONEN EL PROCESADOR (LA DISTRIBUCIÓN FÍSICA DE LOS ELEMENTOS ES DIFERENTE A LA DISPOSICIÓN):

¿QUÉ DEBO DE TENER EN CUENTA A LA HORA DE LA COMPRA DE UN PROCESADOR?

• DE ACUERDO A TUS NECESIDADES:

• HYPERTHREADING. GRACIAS A HYPERTHREAD, QUE ES UNA TECNOLOGÍA DE INTEL ES POSIBLE SIMULAR QUE TIENES DOS NÚCLEOS VIRTUALES SOBRE UNO FÍSICO. ES INTERESANTE PARA CIERTAS APLICACIONES COMO LAS QUE TRATAN CON GRÁFICOS Y VIDEOS.

• CMT. CMT ES UNA TECNOLOGÍA DE AMD QUE PERMITE AL UNIR DOS NÚCLEOS Y COMPARTIR RECURSOS QUE ESTOS OCUPEN MENOS ÁREA.

• TURBO BOOST Y TURBO CORE. TURBO BOOST Y TURBO CORE SON DOS TECNOLOGÍAS, LA PRIMERA DE INTEL Y LA SEGUNDA DE AMD ACELERAR LOS PROCESADORES CUANDO ES NECESARIO.