El Procesador: Arquitectura y Funcionamiento

El procesador es el componente principal del ordenador. Dirige y controla todos los componentes, se encarga de llevar a cabo las operaciones matemáticas y lógicas en un corto periodo de tiempo, y además decodifica y ejecuta las instrucciones de los programas cargados en la memoria RAM.

Es un circuito integrado o chip formado por millones de minúsculos elementos electrónicos integrados en una misma placa de silicio. Suelen tener forma de cuadrado o rectángulo negro y se conecta a un zócalo especial de la placa base que se denomina socket o a una ranura especial o slot.

Diagrama de Bloques de las CPU y Arquitecturas Multinúcleo

Los primeros microprocesadores constaban de los componentes básicos: la unidad de control, la unidad aritmético-lógica (ALU) y los registros.

Diferencia entre Doble Núcleo y Multiprocesador

Actualmente se trabaja con arquitecturas de doble núcleo. Es importante no confundir un procesador de doble núcleo con un sistema multiprocesador:

• Doble Núcleo: Los recursos son compartidos y los núcleos residen en la misma CPU. Es una CPU con dos núcleos diferentes en una sola base, cada uno con su propia caché.
• Sistema Multiprocesador: Hay dos CPU diferentes con sus propios recursos.

La tecnología de doble núcleo permite ejecutar aplicaciones multimedia y varias aplicaciones simultáneamente. Con ella se consigue mejorar el rendimiento del sistema, eliminando los cuellos de botella que se podrían producir en las arquitecturas tradicionales, elevando la velocidad de ejecución de las aplicaciones informáticas.

Componentes Clave del Procesador

Unidad de Punto Flotante (FPU)

La FPU (Floating Point Unit) se conoce también como coprocesador matemático, unidad de procesamiento numérico (NPU) o procesador de datos numéricos (NPD). Es la encargada de manejar todas las operaciones en punto flotante.

Caché del Procesador (Nivel 1 y Nivel 2)

La memoria caché es usada por el procesador para reducir el tiempo necesario para acceder a los datos de la memoria principal.

Buses del Sistema

• Bus Frontal (FSB – Front Side Bus): Bus que conecta la CPU con la placa base. Es la interfaz entre la caché de nivel 2 del procesador y la placa base. El ancho de este bus es de 64 bits.
• Bus Inferior (BSB – Back Side Bus): Es la interfaz entre la caché de nivel 1, el núcleo del procesador y la caché de nivel 2. El ancho de este bus es de 256 bits.

Mejoras Adicionales en la Tecnología de Doble Núcleo

La tecnología de doble núcleo, además de contener dos CPU con sus cachés L1 y L2, incorpora:

• Un controlador de memoria DDR integrada, de baja latencia y gran ancho de banda, que acelera el acceso a la RAM.
• Un bus de transporte con mayor ancho de banda para lograr comunicaciones de E/S de alta velocidad.

Características Operacionales del Microprocesador

Velocidad (Medida en Megahercios o Gigahercios)

La velocidad de un microprocesador se mide en megahercios (MHz) o gigahercios (GHz), donde 1 GHz equivale a 1000 MHz.

• Velocidad Interna: Es la velocidad a la que funciona el micro (ejemplos: 550 MHz, 1000 MHz, 2 GHz o 3,20 GHz).
• Velocidad Externa o de Bus del Sistema (Velocidad FSB): Es la velocidad a la que el micro se comunica con la placa base (ejemplos: 533 MHz, 800 MHz, 1333 MHz o 1600 MHz).

Dado que la placa base funciona a una velocidad y el micro a otra, este último dispone de un multiplicador que indica la diferencia entre el FSB y la velocidad interna del micro.

La Memoria Caché

Una de las características esenciales de los microprocesadores es la memoria caché, la cual es muy rápida y de pequeño tamaño. La memoria caché es usada por el procesador para reducir el tiempo promedio necesario para acceder a los datos de la memoria principal. La caché es una «mini memoria» más rápida que guarda los datos usados con mayor frecuencia.

Todos los procesadores actuales tienen una caché de nivel 1 (L1) y una segunda caché, la caché de nivel 2 (L2). La L2 es más grande que la L1, aunque menos rápida.

Alimentación y Disipación Térmica

Voltajes del Microprocesador

Los microprocesadores reciben la electricidad de la placa base. Existen dos voltajes distintos:

• Voltaje Externo o Voltaje de E/S: Permite al procesador comunicarse con la placa base. Suele ser de 3,3 voltios.
• Voltaje Interno o Voltaje de Núcleo: Es menor que el anterior (ejemplos: 2,4 voltios, 1,8 voltios), y le permite funcionar con una temperatura interna menor.

Thermal Design Power (TDP) y Refrigeración

Además de estos voltajes, se utiliza el Thermal Design Power (TDP) para representar la máxima cantidad de calor que necesita disipar el sistema de refrigeración de un ordenador.

Por ejemplo, una CPU de un ordenador portátil puede estar designada para 20 W TDP, lo cual significa que el sistema de refrigeración (disipador, ventilador, etc.) puede disipar 20 W de calor sin exceder la máxima temperatura de funcionamiento para la cual está diseñado el chip. El procesador ULV (Ultra Low Voltage) suele rondar los 18 W TDP.

El consumo de energía de la CPU está ligado a su velocidad de proceso y a la actividad interna. Para evitar el calentamiento, se utilizan disipadores de calor que suelen incluir un ventilador. El disipador extrae el calor del procesador y el ventilador enfría el disipador. Normalmente, se coloca entre el disipador y el procesador una pasta térmica para ayudar en la transferencia de calor. El disipador se conecta a la placa base mediante un conector CPU-FAN para que esta controle su velocidad y funcionamiento.

Instrucciones Especiales y Extensiones Multimedia

Estas tecnologías intentan aumentar el rendimiento de las aplicaciones multimedia y en 3D. Consisten en un conjunto de instrucciones incorporadas en el procesador que utilizan la matemática matricial para soportar los algoritmos de compresión y descompresión de gráficos (como JPEG, GIF, MPEG) y presentaciones en 3D.

MMX (Multimedia Extension) y 3DNow!

• Con la aparición del Pentium, se introdujo la tecnología MMX.
• Paralelamente, la empresa AMD lanzó el K6 con su especificación 3DNow!.

MMX permite que la FPU actúe con varios datos simultáneamente a través de un proceso llamado SIMD (Single Instruction, Multiple Data – Instrucción Única, Datos Múltiples). Con una sola instrucción, puede llevar a cabo varias operaciones, pudiendo realizar hasta cuatro operaciones en coma flotante por cada ciclo de reloj.

SSE (Streaming SIMD Extensions)

Con la llegada del Pentium III en 1998, se incorporaron 70 nuevas instrucciones llamadas SSE (Streaming SIMD Extensions), también conocidas como MMX-2.

Ventajas de las Instrucciones SSE

• Las instrucciones SSE permiten ejecutar cálculos matemáticos con números de coma flotante, al contrario que las MMX, que solo los realizan con números enteros.
• Las instrucciones SSE pueden emplearse simultáneamente con la FPU o con instrucciones MMX.
• Optimizan el rendimiento multimedia (como la reproducción de video MPEG-2) y el rendimiento de voz, mientras que otras aceleran el acceso a memoria.

Evolución de SSE

• SSE2: El Pentium 4 añadió 144 nuevas instrucciones SSE, algunas de ellas capaces de manejar cálculos de doble precisión de 128 bits en coma flotante. Esta extensión fue introducida con el núcleo del Pentium 4 (núcleo Prescott en Intel y núcleo Venice en AMD).
• SSSE3 (Supplemental SSE3): Es una mejora menor de esta extensión, presentada en los procesadores Intel Core 2 Duo y Xeon. Se agregaron 32 nuevas instrucciones con el fin de mejorar la velocidad de ejecución.
• SSE4: Es una mejora importante presentada en 2007. Los nuevos procesadores Intel Wolfdale de 45 nm ya disponen de estas instrucciones.