MONTAJE 1

Unidad 5

LOS MICROPROCESADORES

MONTAJE 2

ÍNDICE• Introducción.• Componentes de la CPU.• Velocidad de la CPU.

– Frecuencia interna y externa (FM).– Overclocking y Downclocking.

• Aumento de prestaciones.– Pipeline.– Hyper-threading.

• Evolución de los microprocesadores.

MONTAJE 3

• Microprocesador.-– Un microprocesador es un circuito integrado

(chip) que contiene una CPU entera.– Desde varios cientos hasta miles de millones

de transistores.– Tamaño muy reducido, gracias a la tecnología

de miniaturización de semiconductores, como el silicio (LEY DE MOORE).

– Es el componente más valioso del PC.– Requiere refrigeración constante.

INTRODUCCIÓN

MONTAJE 4

• Microprocesador.-– Antiguamente, se soldaban a la placa base.

• Posteriormente, apareció el zócalo (socket) como lugar donde insertarlo y que determina, por su forma, tamaño y nº de contactos la compatibilidad.

– Ha habido también CPU’s en formato cartucho.

INTRODUCCIÓN

MONTAJE 5

• Microprocesador.-– Una vez fijado a la placa base, se completa el

conjunto acoplando los elementos de refrigeración:

• Masa o pasta térmica• Disipador• Ventilador

– ¡No olvidar conectar eléctricamente el ventilador!

INTRODUCCIÓN

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• ALU (Unidad Aritmético-Lógica)– Realiza las operaciones que convierten los datos de

entrada en resultados.

• CU (Unidad de Control)– Organiza el funcionamiento de la CPU, decidiendo qué se

hace (y quién) en cada momento.

• Registros– Posiciones de memoria que almacenan los datos que

pasan por la CPU (E/S).

• Memoria caché– Memoria intermedia entre la CPU y la memoria principal.

COMPONENTES DE LA CPU

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• ALU (Unidad Aritmético-Lógica)– Genera datos de salida (resultados), a partir de los datos

de entrada.

– Realiza operaciones de dos tipos:• Operaciones aritméticas: +, -, *, (¡estas dos últimas, rara vez!)

• Operaciones lógicas: AND, OR, NOT...– ...y además: NAND, NOR, XOR, XNOR, «, »...

COMPONENTES DE LA CPU

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• ALU (Unidad Aritmético-Lógica)– Las otras operaciones lógicas...

COMPONENTES DE LA CPU

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A B A AND B A OR B NOT A NOT B A NAND B A NOR B A XOR B A XNOR B

0 0 0 0 1 1 1 1 0 1

0 1 0 1 1 0 1 0 1 0

1 0 0 1 0 1 1 0 1 0

1 1 1 1 0 0 0 0 0 1

COMPONENTES DE LA CPU• ALU (Unidad Aritmético-Lógica)

– En resumen...

– Ejemplo.-

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• ALU (Unidad Aritmético-Lógica)– Los operadores de desplazamiento de bits («, ») pueden

ser interpretados como multiplicaciones o divisiones por 2.

– Los desplazamientos pueden ser lineales (abiertos) o circulares (cerrados).

COMPONENTES DE LA CPU

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• Componentes de la ALU– Registros de entrada (A, B):

• Almacenan los operandos (datos de entrada).

– Circuito operacional:• Componentes electrónicos que realizan las operaciones.

– Registro acumulador (R):• Almacena el resultado de las operaciones.

– Registros de estado (D):• “Flags” que recogen cómo termina la operación.

– Cero, negativo, acarreo, desbordamiento, paridad, etc...

– Selector de operaciones (F):• Microinstrucciones procedentes de la Unidad de Control.

COMPONENTES DE LA CPU

MONTAJE 12

• Ejecución de una instrucción– Se recibe la instrucción desde la UC.– Se comprueba el estado de la ALU.– Se cargan los operandos.– Se realiza la operación.– Se guarda el resultado en el acumulador.– Se guarda el estado de la ALU al final.

• Fases de ejecución– Búsqueda de la instrucción (fetch).– Decodificación de la instrucción (decode) y carga de operandos

(load).– Ejecución de las operaciones (execute).– Escritura de resultados (store).

COMPONENTES DE LA CPU

MONTAJE 13

• CU (Control Unit)– Interpreta las instrucciones almacenadas en la memoria y

genera las señales de control necesarias para ejecutarlas.– Activa o desactiva los componentes del microprocesador

en función de:• La instrucción que se esté ejecutando.• La fase de dicha instrucción que se esté ejecutando.

– Existen dos tipos de unidades de control:• Cableadas (máquinas sencillas).• Microprogramadas (máquinas complejas).

COMPONENTES DE LA CPU

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• Componentes de la CU– Contador de programa

• Contiene la dirección de memoria de la siguiente instrucción.– Registro de instrucciones

• Contiene la instrucción que se está ejecutando.– Decodificador

• Interpreta la instrucción en curso, para poder ejecutarla.– Reloj

• Genera impulsos eléctricos que sincronizan y marcan la velocidad a la que trabaja la CPU.

– Secuenciador• Genera las microinstrucciones para la ejecución paso a paso de la

instrucción interpretada por el decodificador.

COMPONENTES DE LA CPU

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• Componentes de la CUCOMPONENTES DE LA CPU

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• Frecuencia interna.-– Es la velocidad a la que trabaja la CPU.

• Frecuencia externa.-– Es la velocidad a la que trabajan la memoria y los

buses del sistema.

• FACTOR MULTIPLICADOR (FM).-– Es el nº de veces que la CPU es más rápida que

la memoria y los buses:

finterna = fexterna * FM

VELOCIDAD DE LA CPU

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• Ejemplo.-– CPU = Pentium III a 600 MHz.– Memoria RAM = 128 MB de tipo PC-133.

• finterna = 600 MHz.

• fexterna = 133 MHz.

• Ejercicios.-– ¿Qué memoria se puede usar con una CPU de

450 MHz, si el FM = 4.5?– ¿A qué velocidad va una CPU que trabaja con

memorias PC-100, si el FM = 7.5?

VELOCIDAD DE LA CPU

FM = 600 / 133 = 4,5

La CPU es 4 veces y media más rápida

que la memoria

O, lo que es lo mismo, por cada operación que hace la CPU, está otras tres y media sin hacer nada,

esperando por la memoria

MONTAJE 18

• Overclocking.-– “Acelerar” la CPU (aumentar su velocidad).– ¿Cómo?

• Cambiando el reloj (cristal de cuarzo), que va soldado.• Microinterruptores de la placa (switches).• Por software (BIOS Setup).

– Inconveniente: SOBRECALENTAMIENTO DE LA CPU

• Downclocking.-– Lo contrario del overclocking.– ¿Tiene sentido?

VELOCIDAD DE LA CPU

MONTAJE 19

VELOCIDAD DE LA CPU

Overclo

cking

p

or h

ardw

are

MONTAJE 20

VELOCIDAD DE LA CPU

Overclo

cking

p

or so

ftware

MONTAJE 21

• Primeros microprocesadores– La mayoría de sus componentes, ociosos más del

90% del tiempo INEFICIENCIA

• Posteriormente...– Replicación de componentes internos de la CPU.– Cauces (conexiones) pensados para permitir el

trabajo en paralelo de TODOS ellos.

• ¡La refrigeración se ha vuelto un asunto vital!

• ¡La arquitectura de computadores ha aportado más al rendimiento que la miniaturización!

AUMENTO DE PRESTACIONES

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• Pipeline (segmentación)– Se divide cada instrucción en varias fases.– Cada componente de la CPU puede estar

ocupado por una fase distinta de una instrucción distinta.

– Se pretende usar todos los componentes de la CPU, el 100% del tiempo.

AUMENTO DE PRESTACIONES

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• Pipeline (segmentación)AUMENTO DE PRESTACIONES

MONTAJE 24

• Hyper-threading– Se simula, de cara a los programas, como si el PC

tuviera dos CPU’s, en lugar de una sólo.– Lo inventó Intel y mejora el rendimiento un 30%.– Permite procesar en paralelo, sobre una misma

CPU, la ejecución de varios programas “multihilo”.

AUMENTO DE PRESTACIONES

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• 1971: Intel 4004 (primer microprocesador comercial) • 1972: Intel 8008• 1974: Intel 8080• 1975: Signetics 2650, MOS 6502, Motorola 6800• 1976: Zilog Z80• 1978: Intel 8086, Motorola 68000• 1979: Intel 8088• 1982: Intel 80286• 1985: Intel 80386, AMD Am386• 1987: Motorola 68030• 1989: Intel 80486, AMD Am486

EVOLUCIÓN DE LOS MICROPROCESADORES

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EVOLUCIÓN DE LOS MICROPROCESADORES

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• 1993: Intel Pentium, AMD K5• 1995: Intel Pentium Pro• 1997: Intel Pentium II, AMD K6• 1999: Intel Pentium III, AMD K7• 2000: Intel Pentium 4, AMD Athlon XP• 2003: PowerPC G5• 2004: Intel Pentium M• 2005: Intel Extreme Edition con hyper-threading, Intel Core

Duo, AMD Athlon 64, AMD Athlon 64 X2, • 2006: Intel Core 2 Duo, Intel Core 2 Extreme, AMD Athlon FX• 2007: Intel Core 2 Quad, AMD Quad Core, AMD Quad FX

EVOLUCIÓN DE LOS MICROPROCESADORES

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EVOLUCIÓN DE LOS MICROPROCESADORES