Historia de los microprocesadores
Un microprocesador es un procesador en el que todos los componentes se han miniaturizado lo suficiente como para ser combinados en una sola carcasa. Funcionalmente, el procesador es la parte de un equipo que ejecuta instrucciones de programas y procesa datos.
Hasta principios de 1970, varios componentes electrónicos que forman un procesador no podían caber en un solo circuito integrado, requerían muchos componentes que se interconectan en los circuitos integrados. En 1971, la empresa estadounidense Intel tiene éxito, por primera vez, para colocar todos los componentes que conforman un procesador en un solo circuito integrado dar a luz a microprocesador.
Esta miniaturización tiene:
– Aumentar procesadores en funcionamiento, mediante la reducción de las distancias entre los componentes;
– Reducir los costes mediante la sustitución de varios circuitos con una sola;
– Aumentar la fiabilidad: mediante la eliminación de las conexiones entre los componentes del procesador, que elimina uno de los principales vectores de fracaso;
– Crear ordenadores mucho más pequeños: microcomputadoras;
– Reducir el consumo.
Las características principales de un microprocesador son:
– El conjunto de instrucciones que pueden ejecutar. Ejemplos de instrucciones que pueden ejecutar un microprocesador: sumar dos números, comparar dos números para determinar si son iguales, comparar dos números para determinar cuál es mayor, multiplicar dos números … Un procesador pueden ejecutar decenas o incluso cientos o miles de diferentes instrucciones.
– La complejidad de su arquitectura. Esta complejidad se mide por el número de transistores contenidos en el microprocesador. Más transistores del microprocesador contiene, más operaciones complejas, y / o el tratamiento de grandes dígitos.
– El número de bits que el procesador puede manejar juntos. Los primeros microprocesadores no podían manejar más de 4 bits a la vez. Ellos tenían que ejecutar varias instrucciones para agregar números de 32 o 64 bits.
– Microprocesadores actuales se pueden manejar números de 64 bits juntos. El número de bits está directamente relacionada con la capacidad de procesar grandes números rápidamente, o números de alta precisión (número de dígitos significativos).
– La velocidad de reloj. El papel del reloj registra el ritmo de trabajo del microprocesador. Cuanto mayor sea la velocidad del reloj aumenta, el microprocesador realiza una segunda instrucción.
Todo esto es teórico, en la práctica, de acuerdo con la arquitectura del procesador, el número de ciclos de reloj para llevar a cabo un ciclo de operación elemental puede variar de varias decenas por hilo (típicamente en un procesador convencional).
Por ejemplo, un procesador A 400 MHz puede ser más rápido que otro le B de 1 GHz, en función de sus respectivas arquitecturas.
La combinación de estas características determina la potencia del microprocesador. La potencia de un microprocesador se mide en millones de instrucciones por segundo (MIPS). En la década de 1970, los microprocesadores trabajaron menos de un millón de instrucciones por segundo, los procesadores actuales se puede realizar más de 10 mil millones de instrucciones por segundo.
Origen del microprocesador
En 1969, el microprocesador fue inventado por dos ingenieros de Intel: Marciano Hoff (también conocido como Ted Hoff) y Federico Faggin. Marciano Hoff hizo la arquitectura del microprocesador (arquitectura de bloque y un conjunto de instrucciones). Comercializado el primer microprocesador, el 15 de noviembre de 1971, es la de 4 bits Intel 4004, seguida de Intel 8008. Originalmente fue usado para hacer los controladores de gráficos en modo texto. Considerado demasiado lento por el cliente que había pedido el diseño, se convirtió en un procesador de propósito general.
Estos procesadores son los precursores de la Intel 8080, Zilog Z80 y el futuro de la familia Intel X864. Federico Faggin es el autor de una nueva metodología de diseño de chips y la lógica, por primera vez sobre la base de la tecnología de puerta de silicio desarrollado por él en 1968 en Fairchild. También lideró el diseño del primer microprocesador para su introducción en el mercado en 1971.
En la década de 1970, los conceptos aparecen datagrama y computación distribuida, con Arpanet, la Arquitectura Distribuida Red del sistema de las Cícladas y, que se convirtió en 1978 el modelo «OSI-DSA». El microprocesador es aclamado rápidamente como la piedra angular de la computación distribuida, ya que permite distribuir la computación con máquinas menos costosas y menos engorrosas para enfrentar el monopolio de IBM, producidos en grandes series. En 1990, Gilbert Hyatt ha reivindicado la autoría del microprocesador basado en una patente que había presentado en 1970. El reconocimiento de la patente anterior Hyatt habría permitido la reivindicación regalías sobre todos los microprocesadores fabricados en todo el mundo. Sin embargo, la patente de Hyatt fue invalidado en 1995 por la Oficina de Patentes de los Estados Unidos, basado en el hecho de que el microprocesador se describe en la solicitud de patente no se había hecho, y sería también no tener la la tecnología disponible en el momento de la presentación de la patente.
Un programa de ordenador es, en esencia, un conjunto de instrucciones ejecutadas por un procesador de flujo. Cada instrucción requiere varios ciclos de reloj, la instrucción se ejecuta en tantos pasos como ciclos necesarios. Microprocesadores secuenciales ejecute la siguiente instrucción cuando terminen la instrucción actual. En el caso de paralelismo a nivel de instrucción, el microprocesador puede procesar múltiples instrucciones en un solo ciclo de reloj, siempre que estas instrucciones no movilizen simultáneamente un único recurso interno. En otras palabras, el procesador ejecuta las instrucciones que siguen, y que no son dependientes entre sí, en diferentes fases de ejecución. La cola de ejecución por delante se llama una tubería. Este mecanismo se implementó por primera vez en la década de 1960 por IBM. Los procesadores más avanzados que se ejecutan al mismo tiempo, ya que tienen tubería de instrucciones, a condición de que todas las instrucciones a ejecutar en paralelo no son interdependientes, es decir, el resultado de la ejecución de cada uno de ellos no altera las condiciones de ejecución de unos a otros. Procesadores de este tipo se denominan procesadores superescalares. La primera computadora para ser equipado con este tipo de procesador fue el 6600 Seymour Cray CDC en 1965. El Pentium es el primer PC compatible procesadores superescalares.
Diseñadores de procesadores no están simplemente buscando para ejecutar múltiples instrucciones independientes al mismo tiempo, tratan de optimizar el tiempo de ejecución de todas las instrucciones. Por ejemplo, el procesador puede ordenar las instrucciones para que todas las tuberías contengan instrucciones independientes. Este mecanismo se llama ejecutando fuera de orden. Este tipo de procesador se impone para máquinas de consumo de la década de 1980 a la 1990 El ejemplo canónico de este tipo de tubería es la de un procesador RISC, en cinco pasos. El procesador Intel Pentium 4 cuenta con 35 pisos pipeline. Optimizado para este tipo de compilador de procesador proporcionará un código que se ejecutará más rápido.
Para evitar la pérdida de tiempo en espera de más instrucciones, y sobre todo en el tiempo de reutilización de contexto entre cada cambio de hilos, añadido a sus procesadores para métodos de optimización que las discusiones pueden compartir los oleoductos, cachés y registros. Estos procesos, conocidos colectivamente como simultánea multi threading, se desarrollaron en la década de 1950. Como contra, para un aumento de rendimiento, los compiladores deben tener en cuenta estos procesos, es necesario volver a compilar los programas para estos tipos de procesadores. Intel comenzó a producir década de 2000, los procesadores de la aplicación de la bidireccional SMT. Estos procesadores, el Pentium 4 se pueden ejecutar dos hilos comparten las mismas tuberías, cachés y registros simultáneamente. Intel llama esta bidireccional SMT: Hyperthreading. Super-threading está, por su parte, una tecnología SMT en el que varios subprocesos también comparten los mismos recursos, pero estos hilos sólo ejecuta una tras otra y no simultáneamente.
Hace mucho tiempo, la idea era mantener juntos varios procesadores en un solo componente, como System on Chip. Esto fue, por ejemplo, para agregar al procesador, un coprocesador matemático, un DSP o una memoria, posiblemente incluso cubrir todos los componentes que se encuentran en una placa madre. Se surgieron Procesadores utilizando dos o cuatro núcleos, como el IBM POWER4 lanzado en 2001. Tienen las tecnologías mencionadas anteriormente. Los equipos que tienen este tipo de procesadores son más baratos que la compra de un número equivalente de procesadores, sin embargo, las actuaciones no son directamente comparables, que depende de la enfermedad que padece. APIs especializadas se han desarrollado para hacer el mejor uso de estas tecnologías, como Intel Threading Building Blocks.
Familias microprocesadores
Los microprocesadores se suelen agrupar en familias basadas en el conjunto de instrucciones que realizan. Si este conjunto de instrucciones a menudo incluye una base común para toda la familia, los más reciente microprocesadores de la familia pueden introducir nuevas instrucciones. Compatibilidad con versiones anteriores en una familia no siempre está asegurada. Por ejemplo, un programa escrito para x86 compatibles dijo un procesador Intel 80386, que permite la protección de memoria, puede que no funcione en procesadores anteriores, pero funciona en todos los procesadores más recientes (por ejemplo, Intel Core Duo o Athlon AMD).
Hay docenas de familias de microprocesadores. De los que han sido los más utilizados son:
El más conocido por el público en general es la familia de la familia x86 apareció a finales de 1970 desarrolladas principalmente por Intel (Pentium fabricante) empresas, AMD (Athlon fabricante), VIA y Transmeta. Las dos primeras empresas dominan el mercado y que producen la mayor parte de los microprocesadores para ordenadores compatibles con PC y Macintosh desde 2006.
El MOS 6502 que fue utilizado para la fabricación de la Apple II, Commodore PET, y cuyos descendientes se sirve en el Commodore 64 y Atari 2600. El MOS 6502 fue hecha por ex ingenieros de Motorola y estaba muy inspirado Motorola 6800.
Microprocesador Zilog Z80 ha sido ampliamente utilizado en la década de 1980 en el diseño de los primeros ordenadores personales de 8 bits como el TRS-80, el Sinclair ZX80, ZX81, ZX Spectrum, MSX estándar, el Amstrad CPC y más tarde en la Embedded. sistemas
La familia Motorola 68000 (también llamado m68k) Motorola animado a principios del Macintosh, Mega Drive, Atari ST y Commodore Amiga. Sus derivados (Dragonball, ColdFire) todavía se utilizan en sistemas embebidos.
Microprocesadores PowerPC de IBM y Motorola equipados los ordenadores Macintosh (hechas por Apple) hasta el año 2006. Estos microprocesadores también se utilizan en los servidores de la serie IBM P y varios sistemas embebidos. En el campo de las consolas de juego, los derivados de los microprocesadores PowerPC equipan la Wii (Broadway), GameCube (Gekko), Xbox 360 (derivado de tres corazones con nombre de xenón). La PlayStation 3 está equipada con el microprocesador Cell, derivado de POWER4, una estrecha arquitectura PowerPC.
Los procesadores MIPS animados estaciones de trabajo de Silicon Graphics, consolas de juegos como la PSone, Nintendo 64 y los sistemas integrados, así como los routers de Cisco. Esta es la primera de la familia para ofrecer una arquitectura de 64 bits con MIPS R4000 en 1991. El fundador de los procesadores Loongson chinos son una nueva generación de MIPS basados en la tecnología utilizados en supercomputadoras y ordenadores de bajo consumo.
La familia ARM es hoy en día sólo se utiliza en los sistemas integrados, muchos PDAs y teléfonos inteligentes. Previamente se ha utilizado por Acorn Arquímedes y por sus RiscPCs.
Sincronización microprocesadores
Los microprocesadores están sincronizados por una señal de reloj (oscilante regular de la imposición de un circuito de ritmo). A mediados de la década de 1980, era una señal de frecuencia de 4 y 8 MHz. En la década de 2000, la frecuencia es de 4 GHz. Como la frecuencia aumenta, el microprocesador puede realizar a un alto nivel las instrucciones básicas de los programas.
El aumento de la frecuencia tiene desventajas:
– Cuanto mayor es, el procesador consume más electricidad, y calentándolo: se trata de tener un procesador adecuado con solución de refrigeración;
– Particular, la frecuencia está limitada por el tiempo de conmutación de puertas lógicas: es necesario entre dos «ticks de reloj», las señales digitales tienen tiempo para navegar todo el camino necesario para la ejecución de la instrucción de espera ; para un procesamiento más rápido, debemos actuar de muchos parámetros (tamaño de un transistor, las interacciones electromagnéticas entre los circuitos, etc.) se hace cada vez más difícil de mejorar (al tiempo que garantiza la fiabilidad de operaciones).
Overclocking es aplicar a la señal de la frecuencia del reloj del microprocesador las recomendaciones del fabricante para que pueda ejecutar más instrucciones por segundo. Esto a menudo requiere más potencia de suministro para el riesgo de mal funcionamiento o destrucción en el caso de sobrecalentamiento.
Microprocesadores actuales están optimizadas para ejecutar más de una instrucción por ciclo de reloj, son microprocesadores con hilos paralelizados. Además cuentan con procedimientos que «anticipan» las siguientes instrucciones con la ayuda de las estadísticas.
En la carrera por los microprocesadores de potencia, dos métodos de optimización están compitiendo:
Fácil de fabricar RISC (Reduced Instruction sola instrucción Set Computer) tecnología rápida con instrucciones simples de tamaño estandarizados, y que puede aumentar la frecuencia de reloj y sin demasiadas dificultades técnicas.
Tecnología CISC (Complex Instruction Set Computer), cada instrucción compleja requiere más ciclos de reloj, pero tiene en su corazón una gran cantidad de instrucciones pre-cableadas.
Sin embargo, a medida que disminuye el tamaño de los chips y las velocidades de reloj más rápidas, la distinción entre RISC y CISC ha desaparecido casi por completo. Cuando existan familias trincheras, donde una estructura interna del microprocesador RISC trae el poder sin dejar de ser compatible con el uso de tipo CISC se observan hoy en día (la familia Intel x86 ha experimentado una transición de una organización inicialmente muy típico una estructura CISC. Actualmente se utiliza un corazón rápido RISC, sobre la base de un reordenamiento del código del sistema sobre la marcha) implementado, en parte, a través de las memorias caché más y más grandes, con hasta tres niveles.
La unidad central de procesamiento de un microprocesador comprende esencialmente:
– Una unidad lógica aritmética (ALU) que realizan operaciones;
– Registros que permiten al microprocesador para almacenar temporalmente los datos;
– Una unidad de control que controla todo el microprocesador de acuerdo con las instrucciones del programa.
Algunos registros tienen un papel muy especial:
– Indicador de estado de grabación (banderas), este registro le da el estado del microprocesador en cualquier momento, sólo se puede leer;
– El contador de programa (PC, Contador de Programa), que contiene la dirección de la siguiente instrucción a ejecutar;
– El puntero de pila (SP Stack Pointer) es un puntero a un área especial de la memoria llamada la pila donde se almacenan las subrutinas argumentos y devuelven direcciones.
Sólo el contador de programa es esencial, hay (raros) procesadores que no tienen o no puntero de pila registro de estado (por ejemplo NS32000).
La unidad de control también se puede descomponer:
– El registro de instrucciones, almacena el código de instrucción para ser ejecutado;
– El decodificador decodifica esta instrucción;
– El secuenciador ejecuta la instrucción, es él quien controla todos los órganos del microprocesador.
La fabricación de un microprocesador es esencialmente idéntica a la de cualquier circuito integrado. Por lo tanto, sigue un proceso complejo. Pero el enorme tamaño y la complejidad de la mayoría de los microprocesadores tienden a aumentar aún más el costo de la operación. La Ley de Moore, que establece que el número de transistores en el silicio de chips microprocesadores se dobla cada 2 años, también indica que los costos de producción al mismo tiempo de duplicación del grado de integración.
Microprocesadores de fabricación ahora es considerado uno de los dos aumentos de la capacidad de las unidades de fabricación (con las limitaciones de fabricación de grandes recuerdos de capacidad) factores. La finura del grabado industrial llegó a 45 nm en 2006.