SistemasOperativosII

Tecnología El poder

de nuestras mentes

Administración del Procesador y su relación con los Sistemas Operativos

¿QUÉ ES UN PROCESADOR?

¿QUÉ ES UN SISTEMA OPERATIVO?

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INTRODUCCIÓN

Al transcurrir los años la computación ha avanzado con una rapidez muy significativa, ya que es un apoyo para las personas al nivel mundial, y que esta nos ayuda a realizar labores muy comunes en el hogar, oficina y en las escuelas, a partir de este momento analizaremos cada componente del computador para así darle una perspectiva de lo que es esta y como se constituye.

El computador en si es un ayudante muy importante y el se compone de muchos equipos como lo son: el monitor, el mouse, el teclado, el CPU, las tarjetas, las memorias, entre otros.

Estas las definiremos cada una para saber un poco sobre ellas y así afianzar nuestros conocimientos.

También trataremos el tema de las versiones del MS-DOS, el sistema operativo más utilizado a nivel del globo terráqueo, al igual hablaremos un poco sobre su creación o reseña histórica.

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¿QUÉ ES UN PROCESO?

Conjunto de etapas sucesivas advertidas en un fenómeno natural o necesarias para concretar una operación artificial, o bien pueden ser procedimientos o funciones que tienen uno o más objetivos.

En otro ámbito más tecnológico un proceso es una entidad activa, que requiere un conjunto de recursos para llevar a cabo su función, entre ellos un procesador y registros especiales.

Una vez definido lo que es un proceso podemos determinar que uno de los conceptos mas importantes que gira entorno a un sistema operativo es el de proceso.

El corazón de un sistema operativo es el núcleo, un programa de control que reacciona ante cualquier interrupción de eventos externos y que da servicio a los procesos, creándolos, terminándolos y respondiendo a cualquier petición de servicio por parte de los mismos.

¿QUÉ ES UN SISTEMA OPERATIVO?

Es un programa que actúa como intermediario entre el usuario y el hardware de un ordenador, y su propósito es proporcionar un entorno en el cual el usuario pueda ejecutar programas. El objetivo principal de un Sistema Operativo es lograr que el Sistema de computación se use de manera cómoda, y el objetivo secundario es que el hardware del ordenador se emplee de manera eficiente.

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Antes de continuar sobre la relación que existe entre un sistema operativo y el procesador, debemos profundizar un poco más sobre el concepto del procesador y su función como un uno de los componentes más importantes del computador.

Ahora bien… ¿QUÉ ES UN PROCESADOR?

El procesador es por decirlo de alguna manera, es el cerebro del ordenador. Permite el procesamiento de información numérica, es decir, información ingresada en formato binario, así como la ejecución de instrucciones almacenadas en la memoria.

El primer microprocesador (Intel 4004) se inventó en 1971. Era un dispositivo de cálculo de 4 bits, con una velocidad de 108 kHz. Desde entonces, la potencia de los microprocesadores ha aumentado de manera exponencial.

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¿QUÉ RELACIÓN EXISTE ENTRE EL SISTEMA OPERATIVO Y EL PROCESADOR?

El sistema operativo se encarga de crear el vínculo entre los recursos materiales (procesador, memoria, disco duro, entre otras), el usuario y las aplicaciones (procesador de texto, videojuegos). Cuando un programa desea acceder a un recurso material, no necesita enviar información específica a los dispositivos periféricos; simplemente envía la información al sistema operativo, el cual la transmite a los periféricos correspondientes a través de su driver (controlador). Si no existe ningún driver, cada programa debe reconocer y tener presente la comunicación con cada tipo de periférico.

El sistema operativo administra la distribución del procesador entre los distintos programas por medio de un algoritmo de programación.

El tipo de programador depende completamente del sistema operativo, según el objetivo deseado

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FUNCIONAMIENTO DE UN PROCESADOR

El procesador (denominado CPU, por Central Processing Unit o Unidad de Proceso Central) 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.

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.

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Hay que tener en cuenta que no todos son iguales pero la mayoría de ellos incluyen entre otros elementos:

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.

¿Qué hay en el interior de cada núcleo?

A grandes rasgos podemos ver un núcleo como un procesador antiguo. Aunque si te acercas verías que el diseño ha ido adaptándose con muchas optimizaciones para mejorar las prestaciones.

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.

Una de las técnicas más usadas para aumentar la velocidad incluye la realización de instrucciones fuera de orden intentando optimizar el uso de los bloques funcionales..

Esto por supuesto lleva a una arquitectura más compleja que debe de controlar que los resultados sean los mismos que se producirían aunque se realizaran una tras otra.

COMPONENTES DE UN PROCESADOR

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Unidad de control. De esta forma se denomina a un conjunto de elementos que puedes encontrar en el interior de un núcleo encargado de cargar las instrucciones y datos según se van ejecutando los programas.

Al leer una instrucción, la divide en micro instrucciones más pequeñas de tal forma que pueden encargar su ejecución a los distintos elementos del núcleo. Estas micro instrucciones se pueden ejecutar por tanto en paralelo o incluso en un orden distinto del que llegan.

Registros. Un registro no es más que una pequeña memoria que esta integrada en el procesador. En ella es donde se almacenan los datos para ser procesados. Es la memoria más rápida de todo el sistema pero suelen ser muy pequeñas. Con el avance de las arquitecturas, al añadir más instrucciones, cada vez existen más tipos de registros.

Unidad Aritmética Lógica. Conocida normalmente como ALU por sus siglas en ingles, es la encargada de realizar operaciones aritméticas y lógicas sobre números. En concreto estamos hablando de números enteros, es decir aquellos que no tienen decimales.

Unidad de coma flotante. Realizan las mismas funciones que la ALU pero sobre números naturales. Sus siglas en ingles es FPU. Este elemento no siempre ha estado incluido dentro del chip si no que era un elemento externo y se llamaba coprocesador matemático.

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Primeros niveles de cache. La cache más cercana a la unidad de control suele estar dividida en instrucciones y datos. De esta forma la unidad puede ir ejecutando varias instrucciones sin tener que estar continuamente leyendo de la RAM con cada nueva. Es muy común que existan al menos dos niveles de memoria cache en el interior del núcleo.

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.

Antiguamente la memoria dependía de la placa base y no era raro que esta estuviera preparada para poder funcionar con varios tipos de memoria RAM.

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.

La cache se encuentra, a su vez, organizada en varios niveles cada uno más lento y grande que el anterior. Será tarea del micro dejar los datos que más se usen lo más cerca posible del micro.No olvides que la memoria RAM almacena tanto los datos como las instrucciones de tus programas y utilidades.

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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.La inclusión de este elemento es fundamental ya que las tarjetas gráficas están compuestas de pequeños núcleos en su interior que pueden usarse para acelerar cierto tipo de aplicaciones. Al pasar al interior del micro pueden hacer su trabajo de una forma mucho más eficiente.

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.

TIPOS DE PROCESADORES

Procesadores dedicados.Para desarrollar una tarea muy especifica. Ejecutando un único algoritmo de forma óptima.

Procesadores de propósito general.Está capacitado para ejecutar una serie de instrucciones sean E/S (entrada/salida), lógicas, aritméticas, etc. Almacenando y listando una colección de instrucciones en una memoria secundaria (programa) de tal forma que el procesador de modo secuencial lleve a cabo cada una de ellas.

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CISC.Complex Instruction Set Computing. Posee un número grande y longitud variable de instrucciones, alto porcentaje de ciclos por instrucción, operaciones de microcódigo, baja optimización en el uso de registros.

RISC.Reduced Instruction Set Computing. Posee un número bajo y longitud fija de instrucciones, bajo porcentaje de ciclos por instrucción, no tiene operaciones de microcódigo, muchos registros de propósito general, compilador optimizado. Su arquitectura permite un cierto grado de paralelismo en su ejecución.

SIMD.Single instruction, multiple data. Tiene una organización única de instrucción y datos múltiples. Manipula instrucciones de vector mediante múltiples unidades funcionales que responden a una instrucción común.

Power PC.Diseñados para rendir al igual que los mejores CISC y RISC, pero mejorando sus errores. Tiene un conjunto de instrucciones distinto a estos procesadores, pero puede emular sus características para ejecutar los programas escritos para ellos. Usados en computadores tipo Estaciones de Trabajo y en equipos de medio rango.

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Microprocesadores.Son de uso general, requieren dispositivos externos de memoria y de comunicación con el exterior (E/S).

Microcontroladores. Integran memorias y elementos de entrada/salida junto al microprocesador.

ASIC.Application-Specific Integrates Circuits. Integra en un solo chip los elementos analógicos y digitales necesarios para efectuar una determinada función.

Procesador convencional.Ejecuta las instrucciones en forma de serie es decir, una detrás de otra.

DSP.Digital Signal Processors. Procesadores de alta velocidad y poca memoria, muy eficientes para efectuar algoritmos de procesado de la señal.

Procesadores Neuronales, transputers.Están equipados con elementos que facilitan su comunicación de forma que puede distribuirse fácilmente una función entre varios de ellos.

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REGISTRO

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.

Procesador con paralelismo interno.Externamente ejecuta las instrucciones como si fuera un procesador convencional en serie, pero internamente puede efectuar operaciones en paralelo.

Procesador con paralelismo externo. Se presenta en los sistemas que incluyen varios procesadores como los servidores, los mainframes y los supercomputadores.

Multiprocesador.Se acostumbra a usar la arquitectura de multiprocesador con memoria común en los servidores. Cada uno de estos procesadores incluyen una memoria caché de grandes dimensiones para reducir el trafico con la memoria común.

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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.

¿QUÉ ES UN TRANSISTOR?

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).

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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.Puedes encontrar más información sobre cual procesador te conviene en el enlace.

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

Serán tus necesidades las que al final decidan que procesador debes comprar. No es lo mismo comprar un PC para estudiar, que para jugar por ponerte dos ejemplos.

Como características técnicas lo que diferencia a un micro de otro son su frecuencia de funcionamiento, su cantidad de memoria cache y su número de núcleos, aparte de otro tipo de tecnologías:

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.

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¿SITUACIONES ACTUALES DE PROCESADORES PARA PCS?

Para entender mejor los procesadores actuales vamos a revisar las últimas arquitecturas de Intel y AMD para sus procesadores para PCs de escritorio:

Haswell. Haswell fue desarrollado por Intel en 2013 y es un nuevo desarrollo de la arquitectura o sea un tock en este caso pensado en optimizar el consumo en los dispositivos móviles.Llano. Llano fue desarrollado por AMD en 2011. Se mejora el proceso de fabricación respecto a la anterior generación.

Trinity. Trinity fue desarrollado por AMD en 2012. Mejora la arquitectura del anterior.

Sandy Bridge. Sandy Bridge fue desarrollado por Intel en 2011 es lo que Intel denomina en su desarrollo “tick\tock” como un tock o lo que es lo mismo una mejora de la arquitectura. Es el último diseño del fabricante donde se primaba la potencia por encima del consumo.

Ivy Bridge. Ivy Bridge fue desarrollado por Intel en 2012 y es un tick, es decir una mejora en el proceso de fabricación que permite incluir más elementos en la misma área. El fabricante aprovecha para añadir más funcionalidad a su grafica integrada.

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Kaveri. Kaveri fue desarrollado por AMD en 2013. Debido a que AMD está muy retrasado respecto a Intel en estos micros no solo mejora el proceso de fabricación sino también la arquitectura. Su mayor mejora es conseguir que la tarjeta gráfica integrada acceda a la memoria de manera directa.

Normalmente los micros de AMD son menos potentes en las aplicaciones que usan un solo hilo que son casi todas pero a cambio suelen tener una tarjeta grafica integrada más potente.

Realizado por:

Carlos BalzaCesar Antonello Asdrubal Arape