PDF de programación - El microprocesador

El microprocesador

Alberto Molina Coballes
David Sánchez López

Fundamentos de Hardware

Noviembre 2011



Índice
1. Concepto
2. Arquitectura Interna
3. Elementos de un Microprocesador
4. Arquitectura Externa. El Bus Principal
5. Características Principales
6. Otras características
7. Funcionamiento
8. Tipos de instrucciones
9. Evolución
10.Paralelismo
11. Refrigeración
12.Procesadores actuales Intel y AMD



1. Concepto de microprocesador

● Es el cerebro del ordenador encargado de:

➢ decodificar y ejecutar las instrucciones de los programas

cargados en memoria principal.

➢ coordinar y controlar el resto de componentes que forman

el ordenador y aquellos periféricos conectados a éste.

● Físicamente es un circuito integrado o chip formado por

millones de transistores construidos sobre una oblea de
silicio.

● Suelen tener forma cuadrada o rectangular y van

colocados sobre un elemento de la placa base
denominado zócalo.

● También se le conoce como CPU.



1. Concepto de microprocesador

● La aparición del microprocesador marcó el inicio de la

cuarta generación de ordenadores.



1. Concepto de microprocesador. Fabricación



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2. Arquitectura interna

● Llamamos arquitectura interna del microprocesador a la

distribución física de sus componentes.

● Los primeros microprocesadores se crearon de acuerdo a

la arquitectura de Von Neumann.

➢ Memoria Principal
➢ Unidad Aritmético-

lógica (ALU)

➢ Unidad de Control (UC)
➢ Unidad de

Entrada/Salida



2. Arquitectura interna. Ley de Moore

En 1965 Gordon Moore predijo que el número de
transistores que incorpora un microprocesador se
duplicaría cada 18/24 meses. A dicha afirmación se le
conoce como Ley de Moore y prácticamente se ha
cumplido hasta nuestros días.



2. Arquitectura interna. Ley de Moore



2. Arquitectura interna

● Actualmente distinguimos entre:

➢ Procesadores mononúcleo



2. Arquitectura interna

● Procesadores multinúcleo

Nota: no confundir con sistemas multiprocesador



2. Arquitectura Interna. Ejemplo

● Intel Core i7 980X Extreme Edition



3. Elementos de un microprocesador

● Unidad de control (UC)
● Decodificador de
instrucciones (DI)

● Unidad aritmético-lógica

(ALU)

● Unidad de Coma flotante

(FPU)

● Memoria caché
● Bus frontal (FSB)
● Bus trasero (BSB)



3. Elementos de un microprocesador

● Unidad de control. Busca las instrucciones en memoria

principal y las pasa al decodificador para ejecutarlas.

● Decodificador de instrucciones. Interpreta y ejecuta las

instrucciones.

● Unidad aritmético-lógica (ALU). También llamado

coprocesador matemático. Se encarga de realizar las
operaciones aritméticas (suma, resta, ...) y lógicas (AND,
OR, ...) con números enteros.

● Unidad de coma flotante (FPU). Realiza las operaciones

de coma flotante (números reales).



3. Elementos de un microprocesador

● Memoria caché

● Es una memoria volátil que se utiliza para acelerar los

accesos del procesador a la memoria principal.



3. Elementos de un microprocesador

● Bus frontal (Front Side Bus, FSB). También conocido

como bus principal o bus de sistema. Es el canal que
comunica el procesador con la placa base
(northbridge). En los procesadores actuales recibe
nombres como Quick Path Interconnect (Intel) o
Hypertransport (AMD).

● Importante: Aunque los fabricantes lo llamen de distinta

forma se trata del mismo bus → Bus de sistema, es decir,
conecta el procesador y el northbridge.



3. Elementos de un microprocesador

● Bus trasero (Back Side Bus, BSB). Es el nombre que se

daba al canal de comunicación entre el procesador y la
memoria caché L2 cuando ésta no estaba integrada en el
núcleo.



3. Elementos de un microprocesador

● Con los nuevos procesadores multinúcleo aparecen

nuevos elementos en el procesador:
➢ Controlador de Memoria Integrado (IMC)
➢ Se sustituye el FSB por un bus de sistema de alta

velocidad → INTEL QPI o AMD HT



3. Elementos de un microprocesador

● Controlador de Memoria Integrado (IMC). Es el

elemento que permite que los nuevos procesadores
puedan acceder directamente a memoria principal.

● Bus de sistema de alta velocidad. Es el sustituto del
FSB en las nuevas arquitecturas de Intel (QPI) y AMD
(HT).



3. Elementos de un microprocesador

● GPU integrada en el procesador

➢ Microarquitectura Nehalem



3. Elementos de un microprocesador

● GPU integrada en el procesador

➢ Microarquitectura Sandy Bridge (mayor integración)



4. Arquitectura externa. El bus principal

● Se llama así a la estructura que presenta el conjunto

procesador-placa base. Distinguiremos tres tipos
principales:
➢ Arquitectura de Doble-Bus. Se trata de la arquitectura

usada tradicionalmente: Front Side Bus (FSB) + Back Side
Bus (BSB)

➢ Arquitectura QPI (QuickPath Interconnect). Arquitectura

utilizada por Intel en sus procesadores actuales Core i
(microarquitecturas Nehalem y Sandy Bridge).

➢ Arquitectura HT (Hypertransport). Propietaria de AMD

creada para sustituir a la arquitectura de doble bus.



4. Arquitectura externa. El bus principal
● Arquitectura de Doble-Bus (FSB+BSB)

➢

Intel utilizó dicha tecnología hasta hace relativamente poco, siendo el Quad Core
el último procesador que la implementó.

➢ El controlador de memoria se encuentra en el Northbridge.
➢ El FSB es un bus con líneas independientes para direcciones, datos y control.
➢ Con la integración de las memorias caché en el propio núcleo del micro, el BSB

desapareció como tal.



4. Arquitectura externa. El bus principal

● Intel QuickPath Interconnect (QPI)

➢ Arquitectura usada por Intel en sus procesadores actuales

Core i (microarquitecturas Nehalem y Sandy Bridge)

● AMD HyperTransport

➢ Arquitectura utilizada por AMD para sustituir la arquitectura

tradicional de doble bus.

➢ En ocasiones se identifica con las siglas HTT para

diferenciarlo de HyperThreading (HT).

Estos procesadores incorporan el controlador de
memoria integrado por lo que pueden comunicarse
directamente con la memoria principal (RAM).



4. Arquitectura externa. El bus principal

● Intel QuickPath Interconnect (QPI)



4. Arquitectura externa. El bus principal

● AMD HyperTransport



5. Características principales

● Las características principales que determinan lo

bueno/malo que es un microprocesador, es decir, sus
prestaciones son las siguientes:
➢ Anchura de los buses de datos y direcciones

➢ Tamaño de la memoria caché
➢ Frecuencia de reloj a la que trabaja (velocidad interna)
➢ Frecuencia a la que trabaja el bus de sistema (velocidad

externa)

➢ Densidad de integración
➢ Alimentación (voltaje)



5. Características principales

● Anchura de los buses

➢ Esta anchura de los buses coincide a su vez con el tamaño
de los registros correspondientes (datos y direcciones) en el
procesador.

➢ Bus de datos

– Representa el dato más grande que es capaz de manejar el

microprocesador en una sola operación.

– Además, el tamaño de este bus determina el ancho de

palabra de la memoria principal.



5. Características principales

● Bus de direcciones

➢ El tamaño de este bus determina la cantidad máxima de

memoria que podemos direccionar.

➢ Con 32 bits de ancho de bus podremos direccionar hasta 4

GB (232).

➢ Actualmente casi todos los microprocesadores disponen de

buses de direccionamiento de 64 bits por lo que podrían
direccionar 16 exabytes.



5. Características principales

● Memoria caché

➢ Se trata de memorias de tamaño mucho más pequeño y de

velocidades mucho mayores que la memoria RAM.

➢ En ellas se almacenan las últimas instrucciones procesadas

o las futuras a procesar junto con sus datos.

➢ Existen varios tipos:



5. Características principales

● Niveles de caché



5. Características principales

A continuación se muestra una tabla con los tiempos de
acceso y precios de las distintas tecnologías de memoria
más comúnes (año 2009):

Consideración: las memorias más rápidas son las más
caras por bit y por tanto suelen ser más pequeñas.



5. Características principales

● Memoria caché

➢ Intel Pentium II → Caché

L2 junto al procesador
pero en chips distintos
(interna)

➢ Intel Core i (4 núcleos) →

Cachés L1 y L2
integradas en cada
núcleo y caché L3
integrada en el
procesador y compartida
por todos los núcleos.



5. Características principales

● Velocidad interna del procesador

➢ Se trata de la frecuencia de reloj interna a la que trabaja el

microprocesador.

➢ En general, cuanto mayor sea la velocidad del procesador →
mayor número de operaciones por unidad de tiempo realiza →
mayor rendimiento.

➢ La inversa de la frecuencia es el periodo de reloj.



5. Características principales

● Velocidad interna del procesador

➢ Sin embargo, un procesador de 2Ghz no es el doble de

rápido que uno a 1Ghz puesto que el rendimiento global va
a depender también del resto de características que
estamos viendo.

➢ Puede ocurrir que un procesador simple a 3.0Ghz (Pentium

4 por ejemplo) sea más lento que uno más complejo y
moderno a 2.4 Ghz (Core 2 Duo).



5. Características principales

● Velocidad del Bus Principal o Velocidad Externa

● Es la frecuencia de reloj a la que viajan los datos por el bus

principal (FSB, QPI o HT).

● Dado que el micro internamente funciona a una frecuencia y

la placa a otra, se necesita de un multiplicador que
ajuste/adapte la diferencia de velocidad entre ambos.

● Lógicamente, para aumentar el rendimiento del procesador

interesa que la velocidad del bus principal sea lo más alta
posible.



5. Características principales. Ejemplos

● Imaginad una placa base para procesadores Pentium II y

III que soporta las siguientes velocidades para el bus
principal FSB: 100 y 133 Mhz.
➢ Si sobre esta placa colocamos un micro Pentium III a 450
Mhz y queremos que el FSB