PDF de programación - El procesador (I)

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Luis González

EL PROCESADOR

IODO 2010

El procesador, conocido también con los nombres de CPU, micropro-
cesador o “micro”, es el componente más importante de la placa base. Pue-
de haber otros procesadores en un ordenador, además de la CPU. En la tarje-
ta gráfica, por ejemplo, suele haber un procesador independiente para acele-
rar la presentación de los gráficos en la pantalla en aquellas aplicaciones que,
como los juegos de acción, exigen grandes prestaciones gráficas. Pero el mi-
croprocesador principal de la placa es la CPU.

Su tarea consiste en interpretar y ejecutar las instrucciones de los pro-

gramas, utilizando los datos almacenados en la memoria y los resultados de
sus propios cálculos aritméticos y operaciones lógicas. Al terminar de ejecu-
tar una instrucción devuelve el resultado, a través de su controlador de entra-
da y salida, al componente adecuado (disco duro, memoria, pantalla gráfica,
etc.).

Figura 1: Procesador Intel, de la se-
rie Core2 con cuatro núcleos

Físicamente hablando, el procesador es un circuito integrado o chip, construido sobre una oblea finísima

de silicio y compuesto por una enorme cantidad de transistores. El procesador se distingue muy fácilmente:
es el chip más grande de la placa base y está conectado a ella mediante un zócalo o socket. Sobre él hay
un disipador de aluminio y un ventilador, para evacuar las elevadas temperaturas que alcanza.

A. CARACTERÍSTICAS PRINCIPALES DEL PROCESADOR

La potencia de un procesador se manifiesta en su rapidez de cálculo y depende de cuatro factores principa-

les

 Velocidad de reloj: el número de operaciones que es capaz de hacer por unidad de tiempo
 Velocidad del bus frontal: la rapidez de su acceso a la memoria principal.
 Memoria caché: la eficacia de su memoria intermedia, que le evita tener que acceder repetidas veces

a la memoria central

 Número de núcleos: la cantidad de núcleos que, dentro del mismo chip, trabajan simultáneamente

y se reparten el trabajo.

1. VELOCIDAD DE RELOJ.
Entre las características técnicas de una CPU, el primer dato que salta vista es su frecuencia de reloj (2,6

GHz, por ejemplo). En la siguiente tabla vemos los datos proporcionados por un fabricante:

Figura 2: Tabla de características principales de los procesadores de la de-
ris Core2 Quad. En amarillo está resaltada la velocidad de reloj.

La secuencia de operaciones de un ordenador está regulada por un reloj controlado por un pequeño cristal

de cuarzo, que vibra constantemente. En la siguiente imagen puedes ver el cristal de cuarzo que vibra y el cir-
cuito que da forma cuadrada a la onda generada por el oscilador de cuarzo:

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Figura 3: Aquí vemos el reloj de la placa
base: un circuito integrado 5617, controlado
por el cuarzo soldado en los dos puntos a su
izquierda.

Con cada ciclo de reloj se envía un impulso a la CPU, que ejecuta un paso de la instrucción. La mayoría
de las instrucciones de un programa se ejecutan en pocos pasos (entre 2 y 4 ciclos de reloj), aunque algunas ins-
trucciones complejas necesitan mucho tiempo para ejecutarse (26 ciclos de reloj, por ejemplo).

Figura 4: Onda cuadrada proporcionada por el reloj, con un
nivel alto de 5 voltios (1) y un nivel bajo de 0 voltios (0)

El número de ciclos de una onda se mide en hercios (Hz). Debido a que el cristal del reloj vibra millones

de veces por segundo, la velocidad de reloj de un ordenador se expresa en millones de oscilaciones por segundo
o Megahercios (MHz). Las CPU actuales alcanzan ya velocidades de reloj de miles de millones de ciclos por
segundo, por lo que se han tenido que empezar a expresar en Gigahercios (GHz)

El rendimiento de un ordenador está directamente relacionado con el número
de instrucciones que es capaz de procesar por segundo o FLOPS. El rendi-
miento se mide actualmente en Megaflops.

El núcleo de los primeros procesadores 8086 funcionaba a una velocidad de
entre 8 y 16 MHz, los actuales procesadores de la serie Core de Intel trabajan al-
rededor de los 3,5 Ghz. El rendimiento de un ordenador aumenta al utilizar fre-
cuencias más elevadas, porque de ese modo es capaz de realizar más operacio-
nes por segundo.

Se estima que cada dos años, aproximadamente, la velocidad de los procesado-

res se duplica. Este avance fue descrito, hace ya muchos años, por la ley de Moo-
re. En 1965, Gordon Moore predijo en la revista Electronics, que el número de
transistores en los procesadores y su velocidad se duplicaría cada 18 meses.

Figura 5: Gordon Moore, co-
fundador de Intel Corporation

La ley de Moore sigue cumpliéndose hoy muy aproximadamente, como se muestra en el gráfico siguiente,
en el que se comparan las previsiones de Moore con los sucesivos procesadores fabricados por Intel. Haciendo
una proyección de futuro, podemos estimar que en el año 2010 tendremos procesadores que contendrán unos
cuatro mil millones de transistores. ¿Y con qué frecuencias de reloj? Haz cálculos...

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Durante algún tiempo, cuando la velocidad de proceso de las CPU era muy lento, algunos aficionados au-

mentaban las tensiones de alimentación del procesador para obligarlo a aumentar el ritmo de trabajo. Esta ope-
ración, relativamente arriesgada, se conoce con el nombre de overclocking. Naturalmente, al forzar la fre-
cuencia de trabajo la temperatura en el núcleo aumentaba y la buena refrigeración de procesador se convierte
en una cuestión de vida o muerte.

2. VELOCIDAD EXTERNA

También llamada FSB1 o velocidad del bus frontal,
expresa la rapidez con la que el procesador se comunica con el
resto de la placa base para obtener las instrucciones y devolver
los resultados.

En la imagen de la izquierda puedes ver el esquema de la

distribución de buses en un PC típico. Cada uno de dichos buses
trabaja a una velocidad, expresada en MB/s o GB/s, adaptada al
tráfico de datos esperado en dicho bus. Compara, por ejemplo, la
velocidad de acceso al puerto USB (60 MB/s) con la del bus de
acceso a la memoria (3,2 GB/s).

El bus frontal o FSB es el más rápido de todos, pero la velo-

cidad del bus frontal (604 GB/s en el ejemplo de la Figura 6)
siempre es inferior a la velocidad de reloj del procesador.

Si analizas la tabla de datos de la Figura 2, observarás que

Figura 6: Sistema de buses de un ordenador

los modernos procesadores de la serie Core 2 Quad alcanzan una
velocidad de FSB de 1,3 GHz, entre el 30% y el 50% de su veloci-
dad de reloj. Esta diferencia de velocidad, entre el veloz bus fron-
tal y la velocísima CPU, producirá inevitablemente tiempos muertos en los que el procesador estará trabajando
muy por debajo de sus posibilidades.

El rendimiento del ordenador está directamente relacionado también con la anchura de este bus. Por eso,
algunos ordenadores modernos utilizan una arquitectura de 64 bits. Al utilizar un ancho de bus mayor, de
64 bits en lugar de 32 bits o 16 bits por ejemplo, los datos se mueven en paquetes más grandes y el procesador
puede ejecutar más operaciones por segundo.

3. MEMORIA CACHÉ
La velocidad de proceso de la CPU es muy superior a la velocidad de acceso a la memoria principal. Esta di-
ferencia de velocidad provoca, como acabo de explicar, un cuello de botella que ralentiza el funcionamiento del
ordenador. La solución adoptada consiste en introducir, entre el núcleo del microprocesador y la memoria
principal, varios bloques de memoria intermedia llamadas genéricamente caché. La estructura de esta memoria
intermedia es la siguiente:

1

Front Side Bus

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Figura 7: Posición y estructura de la memoria caché del procesador

El primer bloque de memoria caché, pequeña pero muy rápida, se suele llamar caché de primer nivel o

L1 cache1. El segundo bloque de memoria caché, menos veloz pero más económica, recibe el nombre de L2
cache2. Los procesadores más recientes incorporarán incluso una memoria caché de tercer nivel.

La memoria caché está incorporada dentro del propio chip del microprocesador, junto al núcleo. La efica-

cia de la memoria caché depende de varios factores: (a) del tiempo de acceso a la memoria principal a través del
bus frontal y (b) de los cálculos y predicciones que aumentan la probabilidad de que el dato esté en la caché y
no en la memoria principal.
4. NÚMERO DE NÚCLEOS

Los microprocesadores actuales incluyen, en un único chip, varios micro-

procesadores físicos en su interior. Las CPU actuales suelen tener 2 o 4 núcleos.
Cada uno de ellos tiene sus propias áreas de memoria caché L1 y L2 en su interior.
De este modo se reparten la tarea, ejecutan más instrucciones por segundo ocupan
menos espacio, pero disipan más calor que los demás tipos de microprocesadores.
En la imagen de la izquierda, puedes ver la fotografía tomada con microscopio
del dado de un microprocesador AMD Quad-core, realizado en tecnología de 45 na-
nometros de espesor. En la mitad inferior de la imagen se pueden apreciar, en un
color más claro, las regiones ocupadas por los cuatro núcleos que componen esta
CPU.

Las mejoras para aumentar el rendimiento de la computadora se traducen en
mayores exigencias para todos los componentes conectados a la placa base y, espe-
cialmente, en el diseño de la CPU. Todos los componentes electrónicos de la placa
deben ser capaces de aguantar un ritmo de trabajo más rápido.

Figura 8: Fotografía al micros-
copio de un procesador AMD
Quad-core (tecnología 45 nm)

B. CONSUMO ELÉCTRICO Y REFRIGERACIÓN DE LA CPU.

El procesador está instalado en la placa base, de la que recibe las dos tensiones necesarias para su funcio-

namiento:

 Un nivel de voltaje, en torno a 1,5 voltios, que suministra corriente al núcleo