Pero qué es un microprocesador

Vamos a conocer que es exactamente un microprocesador y haremos una breve descripción de su composición. Un microprocesador es un circuito integrado que se encarga de controlar y coordinar el resto de los dispositivos que componen una computadora (o algún otro equipo electrónico) además de ejecutar las diferentes instrucciones que componen un programa. Los microprocesadores tienen las siguientes aplicaciones:

• Sustituir circuitos integrados que solo se utilizan para una única tarea por otros circuitos programables capaces de realizar distintas funciones mediante la ejecución de algún programa. 
• Realizar la labor de unidad central de procesamiento de una computadora. 

Pero ¿cómo surgió el microprocesador? Bien, al poco tiempo de la invención del transistor (año 1948), surgió otro componente, el cual podía tener en su interior otros mas como transistores, resistencias y condensadores, ese componente es conocido como circuito integrado o chip como también se le conoce, el cual fue creado en 1959 por Jack Kilby, ingeniero al servicio de la empresa Texas Instruments. Ese fue un gran avance ya que de los primeros equipos electrónicos que usaban tubos de vacío, los cuales tenían con un gran consumo de energía y de un tamaño considerable como era el caso de las primeras computadoras, pasando por los que estaban fabricados a base de transistores, los cuales reducirían tanto su tamaño como su consumo energético, ahora se tendrían dispositivos de escala más pequeña, con un menor uso de energía eléctrica y de diseño más simple en comparación con los fabricados con tubos de vacío y transistores,

Los circuitos integrados fueron un gran impulso para el crecimiento de las computadoras y la electrónica en general. Sin embargo, fue otro dispositivo, que en realidad es un tipo de circuito integrado el que permitió que las computadoras y otros equipos tuvieran el desarrollo que tienen actualmente. Ese dispositivo no es más que el microprocesador, el cual fue creado en el año 1971 por la empresa Intel siendo originalmente diseñado para la compañía japonesa Busicom para ser usado en su línea de calculadoras. Pero este nuevo invento serviría para algo más que ser un componente de una calculadora, sino que también podía usarse ya sea para controlar un ascensor o crear un documento de texto, solo bastaba con cambiar el programa que manejase el microprocesador, con lo que se ahorraban cientos de circuitos integrados y componentes en los dispositivos electrónicos, ya que, en esa época era necesario desarrollar un circuito específico para cada aplicación y cada tarea. Con un microprocesador se podía utilizar el mismo circuito para diferentes aplicaciones. Pronto los microprocesadores fueron usados en las computadoras siendo estas ahora más pequeñas y baratas, dejando de ser de uso exclusivos de grandes industrias, gobiernos y universidades, sino que su uso es extendió al público en general, dando origen a las llamadas computadoras personales, así como de los smartphones y tablets y otros dispositivos.

Un microprocesador consta de las siguientes partes, las cuales se explicaran a continuación:

• Unidad de Control 
• Unidad Aritmética - Lógica (ALU) 
• Registros 
• Memoria Caché 

Unidad de control

Se encarga de interpretar y ejecutar las instrucciones recibidas, las cuales están almacenadas en la memoria. Dichas instrucciones permiten efectuar una tarea determinada.

Unidad Aritmética - Lógica (ALU)

Se encarga de realizar tantas operaciones matemáticas básicas (suma, resta, multiplicación y división) como operaciones lógicas (como el algebra de Boole), de acuerdo a las instrucciones recibidas de la Unidad de Control.

Registros

Es en donde se detallan las distintas instrucciones y se almacenan temporalmente los resultados intermedios de las operaciones realizadas. Existen varios tipos de registros que son los siguientes. 

• Registro Contador: Indica la instrucción en proceso. 
• Registro de Instrucción: indica cual instrucción se está ejecutando en un momento dado. 
• Registro Acumulador: Es en donde se guardan los resultados intermedios de las operaciones aritméticas y lógicas. 
• Registro de Estado: Guarda distintos tipos de avisos, como en el caso de hacer una operación, tiene que quedar constancia de si el resultado fue cero, positivo o negativo o cuando se produce un desbordamiento, es decir, cuando el tamaño del resultado de una operación es mayor que el lugar donde debe guardarse. 

Memoria caché

Es un espacio de memoria dentro del microprocesador donde se almacenan datos de uso frecuente, con el fin que el acceso a estos sea de forma rápida. La memoria caché se divide en: 

• Nivel 1 (L1): Se encuentra ubicado en el núcleo del microprocesador, que es donde están ubicados la Unidad de control, la Unidad Aritmética-Lógica y los Registros, y trabaja a la misma velocidad que este, es decir a la velocidad determinada por el reloj ubicado en la Unidad de Control. Su cantidad varía de un microprocesador a otro, estando normalmente entra los 64KB y los 256KB. Suele a su vez estar dividida en dos partes dedicadas, una para instrucciones y otra para datos. 
• Nivel 2 (L2): Se encuentra ubicado en la carcasa del microprocesador. Es más lenta que la memoria caché L1 y su nivel suele ser mayor que esta, llegando a superar los 2MB. A diferencia del nivel 1, este no está dividido, y su utilización está más encaminada a programas que al sistema. 

También existe la memoria caché Nivel 3 (L3) la cual es más grande y algo más lenta que la memoria caché L2, aunque esta no se ubica en el microprocesador, sino en la tarjeta madre, generalmente de algunos servidores, por lo tanto no se considera como parte de un microprocesador, si bien algunos tipos lo tienen incluido.

A continuación se muestra el diagrama básico de un microprocesador y como se relacionan sus distintas partes explicadas anteriormente:

Funcionamiento del microprocesador

Una vez conocido como esta compuesto un microprocesador haremos una breve descripción de su funcionamiento. Primero toma las instrucciones las cuales se encuentran el memoria principal o RAM del computador, tablet o smartphone, las cuales pasan primero por la memoria caché y luego a la unidad de control. Una vez hecho esto, dichas instrucciones pasan a la unidad aritmética-lógica y a los registros para su procesamiento y ejecución. Realizada esta etapa, las instrucciones ya procesadas pasan nuevamente a la unidad de control, para entregar a la memoria RAM el resultado obtenido del procesamiento de las instrucciones. En la siguiente figura se muestra el funcionamiento del microprocesador descrito anteriormente.

Velocidad de un microprocesador

En la tarjeta madre de la computadora o en la placa de una tablet o smartphone se encuentra el reloj, que es un circuito electrónico conformado por un cristal de cuarzo que genera una serie de pulsos por segundo y el cual se conecta al microprocesador. La cantidad de pulsos o ciclos por segundo generada por el reloj es llamada frecuencia y se mide en hertzios (Hz), donde un hertzio es un ciclo por segundo. Esta frecuencia indica la velocidad del microprocesador, es decir, la cantidad de instrucciones que se pueden procesar por ciclo. 

En la figura se muestran como son los ciclos o pulsos de un reloj.

En un ciclo hay cuatro operaciones básicas. La primera es el input o entrada de información, la segunda es el processing o procesamientos, la tercera es el output o salida y por último el storage o almacenamiento. Un hertzio o hertz quiere decir que se realizó un ciclo en un segundo, es decir esas cuatro operaciones en un segundo, un kilohertz o kHz significa que se realizan mil ciclos en un segundo, un MegaHz o MHz significa que se realizaran un millón de ciclos por segundo y un Gigahertz o GHz significa que se realizan mil millones de ciclos por segundo. En el caso de 2,4 GHz significa que puede realizar 2 400 000 000 (dos mil cuatrocientos millones de  ciclos por segundo).

Actualmente los microprocesadores trabajan con frecuencias del orden de los gigahertzios (GHz), donde 1 GHz será igual a 1000000000 de ciclos por segundo o hertzios.

Además de la velocidad determinada por la frecuencia del reloj, llamada velocidad de reloj, también existe la velocidad de bus, que es la velocidad con la que el microprocesador se comunica con la memoria principal a través del bus FSB (siglas de Front Side Bus que significa Bus de la parte frontal), que comunica al microprocesador con la memoria principal (RAM). Dicha velocidad está determinada por su ancho de banda (numero de bits o líneas), su frecuencia de reloj y la cantidad de operaciones realizadas por cada ciclo de reloj, y está dada por esta fórmula:

Bits de un microprocesadot

Cuando se dice que un microprocesador trabaja a “n” bits, se refiere a la cantidad de bits que este puede procesar de forma paralela, es decir, de una vez,. Por ejemplo, cuando se habla de un microprocesador de 8 bits, se refiere a que puede procesar 8 bits a la vez y si es de 64 bits es que puede procesar 64 bits a la vez.

Microprocesadores múltinucleo

Un microprocesador multinúcleo no es más que varios microprocesadores en un mismo encapsulado. La idea de diseñar microprocesadores de este tipo fue debido a que mientras se aumentaba la frecuencia se disipaba más calor. Si se encapsulaban dos microprocesadores en un mismo circuito integrado y bajando la frecuencia en un 15 %, se reducía el consumo de energía y aumentaba la capacidad de procesamiento. Actualmente hay microprocesadores de 2, 4, 8 y 12 núcleos y se están planificando incluir hasta 100 núcleos en un mismo encapsulado. En los microprocesadores multinúcleo, cada núcleo posee su memoria caché L1, en cambio, la utilización de la memoria caché L2 varía según el fabricante.

Microprocesador de doble núcleo

Microprocesador de cuatro núcleos

En el caso de aquellos microprocesadores que tengan memoria caché L3, esta será compartida para todo el conjunto de núcleos, independientemente del fabricante.

De acuerdo a la forma en que manejan las instrucciones, los microprocesadores se dividen en arquitectura CISC  y arquitectura RISC. Haremos una breve descripción de esas arquitecturas.

Arquitectura RISC (Reduced Instruction Set Computer)

Usan un conjunto de instrucciones simples requiriendo uno o pocos ciclos de ejecución para leer y procesar datos.

La arquitectura RISC tiene algunas de las siguientes características:

• Conjunto de instrucciones reducido y simple, las cuales son de longitud fija.
• Predominan las instrucciones que se ejecutan en un ciclo.
• Tiene un procesamiento de instrucción.
• Capacidad de manejar varias instrucciones al mismo tiempo.
• Poseen pocos tipos de datos soportados.
• El direccionamiento mas utilizado es el de registro-registro.
• Pueden tener cachés grandes
• La implementación de las instrucciones es directamente en el hardware.
• Utilizan gran numero de registros de propósito general.

Ventajas de la arquitectura RISC:

• Se incrementa la velocidad debido a un conjunto de instrucciones más simple.
• Hardware más simple debido a instrucciones más sencillas que requieren menos espacio en el chip o circuito integrado
• El ciclo de diseño más corto resulta en un diseño efectivo , costos controlados de desarrollo y tiempo de salida al mercado más corto.

Pero también tiene sus desventajas:

• La depuración de los programas se hace difícil por la programación de instrucciones.
• Necesidad de memoria rápida.

Ejemplo de microprocesadores con arquitectura RISC:

• MIPS
• SPARC
• POWER PC
• ARM

Arquitectura CISC ( Complex Instruction Set Computer)

Tienen un set de instrucciones complejas por naturaleza que requieren varios a muchos ciclos para completarse, esto es para ejecutar tareas de procesamiento en el menor número de líneas de código como sea posible.

Estas son algunas de las características de la arquitectura CISC:

• Las longitudes son de tipo variable.
• Las instrucciones requieren múltiples ciclos de reloj para ser ejecutadas.
• Variedad de modos de direccionamiento.
• Soportan gran cantidad de tipos de datos.
• La implementacion directa en hardware reduce el tiempo de ejecución de instrucciones complejas.

La arquitectura CISC tiene estas ventajas:

• Facilidad de implementación del conjunto de instrucciones.
• Compatibilidad hacia adelante y hacia atrás de nuevas CPU’s.
• Facilidad de programación.

Pero también desventajas:

• La complejidad del conjunto de instrucciones crece.
• Las instrucciones de longitud variable reducen el rendimiento del sistema.

Ejemplo de microprocesadores con arquitectura CISC:

• Intel
• AMD
• Motorola

La arquitectura CISC no es tan eficiente como RISC pero si es la más extendida.

Intel, AMD y ARM son algunas delas empresas fabricantes de microprocesadores. Bueno espero que les sirva algo de lo publicado aquí. Cualquier cosa pueden comentar.