¿Qué es un microprocesador?
Desde el punto de vista funcional, un microprocesador es un circuito integrado que, incorpora en su interior una unidad central de proceso (CPU) y todo un conjunto de elementos lógicos que permiten enlazar otros dispositivos como memorias, puertos de entrada y de salida (I/O), formando un sistema completo para cumplir con una aplicación específica dentro del mundo real. Para que el sistema pueda realizar su labor debe ejecutar paso a paso un programa que consiste en una secuencia de números binarios o instrucciones, almacenándolas en uno o más elementos de memoria generalmente, externos al mismo. La aplicación más importante de los microprocesadores que cambió totalmente la forma de trabajar, ha sido la computadora personal o microcomputadora.
El microprocesador es la parte de la computadora diseñada para llevar acabo o ejecutar los programas. Este viene siendo el cerebro de la computadora, el motor, el corazón de esta máquina. Este ejecuta instrucciones que se le dan a la computadora a muy bajo nivel haciendo operaciones lógicas simples, como sumar, restar, multiplicar y dividir. El microprocesador es un tipo de componente electrónico en cuyo interior existen miles (o millones) de elementos llamados transistores, cuya combinación permite realizar el trabajo que tenga encomendado el chip. Suelen tener forma de cuadrado o rectángulo negro y van, o bien sobre un elemento llamado zócalo (socket en inglés), soldados en la placa o, en el caso del Pentium II, metidos dentro de una especie de cartucho que se conecta a la placa base (aunque el chip en sí está soldado en el interior de dicho cartucho).
La velocidad de un micro se mide en megahertzios (MHz) o gigahertzios (1 GHz = 1.000 MHz), aunque esto es sólo una medida de la fuerza bruta del micro. Uno simple y anticuado a 500 MHz, puede ser mucho más lento que uno más complejo y moderno (con más transistores, mejor organizado...) que vaya a "sólo" 400 MHz.
Debido a la extrema dificultad de fabricar componentes electrónicos que funcionen a las inmensas velocidades de MHz habituales hoy en día, todos los micros modernos tienen 2 velocidades: Velocidad interna: la velocidad a la que funciona el micro internamente (200, 333, 450... MHz). Y Velocidad externa o del bus: o también "velocidad del FSB"; la velocidad a la que se comunican el micro y la placa base. Típicamente: 33, 60, 66, 100, 133, 266, 400 MHz, Etc.
La cifra por la que se multiplica la velocidad externa o de la placa para dar la interna o del micro es el multiplicador; por ejemplo, un Pentium III a 450 MHz utiliza una velocidad de bus de 100 MHz y un multiplicador 4,5x.
Historia de los microprocesadores
A partir de 1970, el panorama de la electrónica cambió radicalmente cuando apareció en el mercado el Microprocesador. Esto introdujo un concepto novedoso que en la actualidad se conserva y refuerza cada vez más, y es la lógica programada. Antes de los microprocesadores, los circuitos electrónicos se diseñaban para una función específica la cual no podía modificarse sin cambiar físicamente las conexiones; es decir, el número y la cantidad de los diferentes elementos que los formaban a lo cual, se les llamó la lógica cableada.
Consolidadas las técnicas digitales de los años 60, se creó entonces, la necesidad de profundizar en el estudio y desarrollo de las aplicaciones para los microprocesadores y la programación en lenguaje de máquina o assembler. Fue la época de oro del 8080, el 8086, el Z-80, el 6809, el 6502, el 68000 y otros microprocesadores, utilizados como circuitos centrales en las aplicaciones de control.
En 1980, aproximadamente, los fabricantes de integrados iniciaron la difusión de un nuevo circuito con aplicaciones para control, medición, e instrumentación, al que llamaron "microcomputador de un solo chip" o, dicho de otro modo; microcontrolador.
Evolución histórica de los Microprocesadores
1970 fue la fecha de invención del microprocesador.
Lee De Forest patentó el tubo de vacío a comienzos de siglo, basado en el descubrimiento de un fenómeno llamado "Efecto Edison". Este dispositivo hizo posible la radio, la telefonía inalámbrica, etc., e impulsó el desarrollo comercial e industrial de la electrónica. Inclusive las primeras computadoras eran fabricadas con tubos de vacío. Luego vino la revolución del transistor, desarrollado en los laboratorios de Bell Telephone en 1948 y utilizado a partir de 1950 a escala industrial.
De los tres inventores del Transistor - W. Brattain, W. Shockley y J. Bardeen - Shockley fue el único que se dedicó a desarrollar métodos de fabricación en serie de este revolucionario dispositivo en su empresa, Shockley Semiconductor Laboratories, dando nacimiento a una nueva era de la industria electrónica y a la ubicación de esta tecnología en un sitio de California cercano a San Francisco que más tarde se llamó Silicon Valley o "Valle del Silicio". En esta compañía se iniciaron los principales científicos e ingenieros que más tarde formarían sus propias empresas y desarrollarían los circuitos integrados y los microprocesadores.
El microprocesador es el máximo exponente de la etapa siguiente al transistor; la tecnología de los circuitos integrados.
El concepto de circuito integrado, empezó a rondar por los cerebros y mentes prodigiosas de quienes trabajaban en el diseño y fabricación de transistores. El planteamiento fue más o menos el siguiente: si se fabrican transistores de forma individual y para después unirse siempre de la misma forma entre si con alambres y con otros componentes ¿Por qué no fabricar de una vez todo el conjunto de material semiconductor y aislante, interconectado internamente para que cumpliera la misma función del sistema total?
Este planteamiento fue desarrollado en la práctica simultáneamente, pero en forma independiente, por dos empresas muy importantes en la historia de la electrónica que son: Fairchild semicondutor y Texas Instruments.
En Fairchild dirigía el equipo de trabajo Robert Noyce y en Texas Jack Kilby.
Noyce renunció a la fairchild en 1968 y fundó en compañía de Gordon Moore y Andrew Rock, la empresa Intel, en donde se dieron los primeros pasos para el desarrollo del microprocesador. Esta compañía empezó a vislumbrar un gran mercado en el área de las computadoras y su investigación, orientándose hacia el reemplazo de los circuitos de memoria magnéticas con núcleo de ferrita, por circuitos de memoria basados en semiconductores. La base técnica consistió en el uso de un simple flip-flop como elemento de memoria. Así se creó el primer circuito de memoria RAM llamado el 1103, con una capacidad de 1024 Bits.
El diseño del microprocesador se inició en un grupo de trabajo de Intel dirigido por Ted Hoff, un brillante ingeniero egresado de la Universidad de Stanford. Todo empezó cuando Intel firmó un contrato con una compañía japonesa (Busicom Corporation), fabricante de calculadoras. Esta quería que se le fabricara un conjunto de circuitos integrados que reemplazan la gran cantidad de componentes que tenían las calculadoras de ese entonces.
Después de un largo trabajo, se llegó a lograr que todo el circuito fuera reemplazado por tres chips, pero estos resultaron ser de un tamaño mayor de acuerdo a los requisitos exigidos. A Hoff se le ocurrió que debía agrupar toda la parte del proceso aritmético y lógico en un sólo circuito y el resto de la calculadora en los otros dos circuitos. Con la intervención de otro diseñador, Federico Faggin, el proyecto se llevó a cabo con todo éxito. A este circuito de 2.250 elementos integrados en un área de 3 x 4 milímetros, recibió entonces su nombre, microprocesador. También se le dio el nombre de CPU (Central Processing Unit) o MPU (Micro Processing Unit).
Aunque este circuito tenía ya muchas de las características de una unidad central de proceso integrada, el primer microprocesador en un solo chip, fabricado como tal, fue el 4004 de Intel, diseñado para reemplazar grandes cantidades de circuitos integrados TTL. El 4004 era un chip muy sencillo que manipulaba datos de cuatro bits. Intel desarrolló muy pronto, en 1972, el 8008, el cual podía procesar datos de ocho bits, pero era muy lento.
Para remediar esto, Intel desarrolló un sustituto, el 8080, y posteriormente el 8085 compatible con el primero, con funciones adicionales y menos circuitos de soporte. Un equipo de diseñadores que antes había trabajado para Intel en el 8080 formó la Zilog Inc, y construyó el microprocesador Z-80, el cual incorporaba un conjuntode instrucciones más extensos que el 8080, aunque era compatible con este último. Este microporcesador ha sido uno de los más utilizados en el campo de control.
Por la misma época en que se presentaba al mercado el 8080, otra empresa de semiconductores, Motorola, desarrolló el 6800, un microprocesador de 8 bits con un diseño completamente distinto pero con iguales características. Motorola perfeccionó el 6800 hacia el 6809, considerado como uno de los mejores procesadores de 8 bits de todas las épocas.
A pesar de sus excelentes características, el 6809 no tuvo el éxito comercial que se esperaba. Dicho éxito lo obtuvo otro derivado del 6800: el 6502, producido por MOS Technology. Con este microprocesador se fabricaron las primeras computadoras personales como la PET de Commodorre y la Apple II de Apple Computer Inc.
A partir de ese momento, se estableció una guerra técnica y comercial que, aún subsiste entre Intel y Motorola, la cual los ha llevado a ser los dos grandes líderes indiscutibles del mercado de microprocesadores. Pero el desarrollo del microprocesador no se quedó ahí. A principios de la década de los 80 empezaron a aparecer los microprocesadores de 16 bits, mucho más potentes. El primero en salir al mercado fue el 8086 de Intel en 1978, el cual fue adoptado por la IBM para la fabricación de su famosa IBM PC. Lo siguieron de cerca el 68000, el 68020, el 68030 y el 68040 de Motorola. Con estos microprocesadores se inició en Apple una nueva familia de microcomputadores: la Macintosh luego, en un consorcio entre Apple, IBM y Motorola se desarrolló una nueva familia de microprocesadores: Los Power PC, los cuales se utilizan en las computadoras Apple e IBM actuales.
Por los lados de Intel se desarrollaron: el 8088 utilizado en el IBM XT, 80286 utilizado para la IBM AT, 80386, 80486 y los Pentium.
Todos estos microprocesadores de Intel han sido utilizados para la fabricación de microcomputadoras de bajo costo llamadas Clones, lo que ha hecho que esta empresa siga siendo el mayor fabricante de microprocesadores en el mundo.
La siguiente generación fueron los Pentium II, Pentium III y los Pentium IV con los cuales se han logrado velocidades de procesamiento impresionantes y una enorme capacidad de memoria, lo que los hace apropiados para moverse sin problemas en entornos como internet, video, multimedia, procesamiento de datos y trabajo en tiempo real.
Partes de un Microprocesador
En un micro podemos diferenciar diversas partes:
El encapsulado: es lo que rodea a la oblea de silicio en sí, para darle consistencia, impedir su deterioro (por ejemplo por oxidación con el aire) y permitir el enlace con los conectores externos que lo acoplarán a su zócalo o a la placa base.
La memoria caché: una memoria ultrarrápida que emplea el micro para tener a mano ciertos datos que previsiblemente, serán utilizados en las siguientes operaciones sin tener que acudir a la memoria RAM, reduciendo el tiempo de espera.
Todos los micros "compatibles PC" desde el 486 poseen al menos la llamada caché interna de primer nivel o L1; es decir, la que está más cerca del micro, tanto que está encapsulada junto a él. Los micros más modernos (Pentium III Coppermine, Athlon Thunderbird, etc.) incluyen también en su interior otro nivel de caché, más grande aunque algo menos rápida, la caché de segundo nivel o L2.
El coprocesador matemático: o, más correctamente, la FPU (Floating Point Unit, Unidad de coma Flotante). Parte del micro especializada en esa clase de cálculos matemáticos; antiguamente estaba en el exterior del micro, en otro chip.
El resto del micro: el cual tiene varias partes (unidad de enteros, registros, etc.).
¿Cómo se mide la velocidad de los procesadores?
Debe tenerse en cuenta que un ordenador con un micro a 600 MHz no será nunca el doble de rápido que uno con un micro a 300 MHz, hay que tener muy en cuenta otros factores como la velocidad de la placa o la influencia de los demás componentes.
Esto no se tiene apenas en cuenta en el índice iCOMP, una tabla o gráfico de valores del supuesto rendimiento de los micros marca Intel. Es muy utilizado por Intel en sus folletos publicitarios, aunque no es en absoluto representativo del rendimiento final de un ordenador con alguno de esos micros.
En realidad, las diferencias están muy exageradas, a base de realizar pruebas que casi sólo dependen del micro (y no de la placa base, la tarjeta de vídeo, el disco duro...), por lo que siempre parece que el rendimiento del ordenador crecerá linealmente con el número de MHz, cosa que no ocurre prácticamente jamás. Un ordenador con Pentium MMX a 233 MHz es sólo un 3 ó 4% mejor que uno a 200 MHz, y no el 16,5% de su diferencia de MHz ni el 11,5% de sus índices iCOMP. Parecerá increíble, pero es así.
Tipos de conexión
El rendimiento que dan los microprocesadores, no sólo dependen de ellos mismos, sino de la placa donde se instalan. Los diferentes micros no se conectan de igual manera a las placas.
De esta manera la evolución de los microprocesadores a sido de forma vertiginosa, pero a pesar de eso, en estos días sólo conocemos 2 o 3 fabricantes o marca de procesadores, lo cual reduce el mercado. Podemos hablar de las siguientes marcas de procesadores en todo el mundo y sabremos que por lo menos 2 de ellas serán reconocidas de inmediato.
Socket, con mecanismo ZIF (Zero Insertion Force). En ellas el procesador se inserta y se retire sin necesidad de ejercer alguna presión sobre él. Al levantar la palanquita que hay al lado se libera el microprocesador, siendo extremadamente sencilla su extracción. Estos zócalos aseguran la actualización del microprocesador.
Hay de diferentes tipos:
Socket 423 y 478. En ellos se insertan los nuevos Pentiums 4 de Intel. El primero hace referencia al modelo de 0,18 micras y el segundo al construido según la tecnología de 0,13 micras. Esa longitud hace referencia al tamaño de cada transistor, cuanto menor sea tu tamaño más pequeño será el micro y más transistores será posible utilizar en el mismo espacio físico. Además, la reducción de tamaño suele estar relacionada con una reducción del calor generado y con un menor consumo de energía.
Socket 462/Socket A. Ambos son el mismo tipo. Se trata donde se insertan los procesadores Athlon en sus versiones más nuevas:
Athlon Duron (versión reducida, con sólo 64 Kb de memoria caché, para configuraciones económicas)
Athlon Thunderbird (versión normal, con un tamaño variable de la memoria caché, normalmente 384 Kb)
Athlon XP (con el nuevo núcleo Palomino, este procesador es un Thunderbird con una arquitectura totalmente remodelada con un rendimiento ligeramente superior a la misma frecuencia (MHz), con un 20% menos de consumo y el nuevo juego de instrucciones SEC de Intel junto con el ya presente 3DNow! de todos los procesadores AMD desde el K6-2).
Ahlon MP (micro que utiliza el núcleo Palomino al igual que el XP, con la salvedad que éste accede gestiona de forma diferente el acceso a la memoria al hora de tener que compartirla con otros micros, lo cual le hace idóneo para configuraciones multiprocesador.
Socket 370 o PPGA. Es el zócalo que utilizan los últimos modelos del Pentium III y Celeron de Intel.
Slot A / Slot 1 /Slot 2. Es donde se conectan respectivamente los procesadores Athlon antiguos de AMD / los procesadores Pentium II y antiguos Pentium III / los procesadores Xeon de Intel dedicados a servidores de red. Todos ellos son cada vez más obsoletos. El modo de insertarlos es a similar a una tarjeta gráfica o de sonido (por ejemplo).
Socket 8. Utilizado por los procesadores Pentium Pro de Intel, un micro optimizado para código en 32 bits que sentaría las bases de lo que conocemos hoy día.
Socket 7. Lo usan los micros Pentium/Pentium MMX/K6/K6-2 o K6-3 y muchos otros.
Otros socket, como el zócalo ZIF Socket-3 permite la inserción de un 486 y de un Pentium Overdrive.
En las placas base más antiguas, el micro iba soldado, de forma que no podía actualizarse (486 a 50 MHz hacia atrás). Hoy día esto no se ve.
