Qué es un microprocesador y cómo funciona
El ordenador que estás utilizando para leer esta página, utiliza un microprocesador para realizar sus funciones. El microprocesador es el corazón de cualquier ordenador normal. Ya sea uno de escritorio, un servidor o un portátil. Existen muchos tipos de microprocesadores, pero todos realizan la misma función de una forma mas o menos igual.
Un microprocesador, también conocido como CPU o unidad central de procesamiento, es un motor de cálculo completo fabricado en un solo chip. El primer microprocesador fue el Intel 4004, introducido en 1971. El 4004 no era muy potente; todo lo que podía hacer era sumar y restar, y solo podía hacerlo con 4 bits a la vez. Pero era sorprendente que todo estuviera en un solo chip.
Antes del 4004, los ingenieros construían ordenadores ya sea a partir de colecciones de chips o de componentes discretos (transistores cableados uno a uno). El 4004 alimentó una de las primeras calculadoras electrónicas portátiles.
Si alguna vez te has preguntado qué hace el microprocesador de tu ordenador, o cuáles son las diferencias entre los tipos de microprocesadores, entonces sigue leyendo. Aprenderás qué técnicas de lógica digital bastante simples permiten a un ordenador hacer su trabajo, ya sea jugando a un juego o revisando la ortografía de un documento.
La primera microprocesador que se integró en un ordenador doméstico fue el Intel 8080, un ordenador completo de 8 bits en un solo chip, introducido en 1974. El primer microprocesador que causó un verdadero impacto en el mercado fue el Intel 8088, presentado en 1979 e incorporado en el IBM PC (que apareció por primera vez alrededor de 1982).
Si estás familiarizado con el mercado de PC y su historia, sabrás que el mercado de PC pasó del 8088 al 80286, al 80386, al 80486, a la serie Pentium, a la serie Core, a la serie Xeon. Todos estos microprocesadores son fabricados por Intel y todos son mejoras sobre el diseño básico del 8088.
Desde 2004, Intel ha introducido microprocesadores con múltiples núcleos y millones de transistores más. Pero incluso estos microprocesadores siguen las mismas reglas generales que los chips anteriores.
Un procesador Intel Core i9 puede tener hasta ocho núcleos, cada uno de los cuales puede ejecutar cualquier pieza de código que se ejecutara en el 8088 original, ¡solo unas 6,700 veces más rápido! Cada núcleo puede manejar múltiples hilos de instrucciones, lo que permite que el ordenador gestione las tareas de manera más eficiente.
La gama de productos de Intel se ha ampliado considerablemente desde la década de 1970. A fecha de esta escritura, la empresa sigue fabricando CPUs Pentium y Core para ordenadores, pero los PC y servidores de alto rendimiento pueden usar el chip Xeon.
Además, Intel ofrece las líneas de procesadores Celeron y Atom. Celeron está dirigido a usuarios de ordenadores de nivel básico, y los procesadores Atom son mejores para dispositivos móviles y dispositivos que forman parte del Internet de las cosas.
¿Qué es un chip?
Un chip también se llama circuito integrado. Generalmente es una pieza pequeña y delgada de silicio, en la que se han grabado los transistores que componen el microprocesador. Un chip puede ser tan grande como una pulgada por lado, y puede llegar a contener decenas de millones de transistores.
Los modelos más simples pueden consistir en unos pocos miles de transistores grabados en un chip de solo unos pocos milímetros cuadrados. Se ha vuelto común ver chips en todo tipo de dispositivos con múltiples núcleos, cada uno de los cuales es un procesador.
Lógica de funcionamiento del microprocesador
Para entender cómo funciona un microprocesador, es útil mirar dentro y aprender sobre la lógica utilizada para crearlo. En el proceso, también puedes aprender sobre el lenguaje ensamblador, el idioma nativo de un microprocesador, y muchas de las cosas que los ingenieros pueden hacer para aumentar la velocidad de un procesador.
Un microprocesador ejecuta una colección de instrucciones de máquina que le dicen al procesador qué hacer. Basado en las instrucciones, un microprocesador realiza tres cosas básicas:
- Utilizando su ALU (Unidad Aritmética/Lógica), un microprocesador puede realizar operaciones matemáticas como suma, resta, multiplicación y división. Los microprocesadores modernos contienen procesadores de punto flotante completos que pueden realizar operaciones extremadamente sofisticadas en números de punto flotante grandes.
- Un microprocesador puede mover datos de una ubicación de memoria a otra.
- Un microprocesador puede tomar decisiones y saltar a un nuevo conjunto de instrucciones basadas en esas decisiones.
Un microprocesador puede llegar a hacer cosas muy sofisticadas, pero esas son sus tres actividades mas básicas.
Memoria del microprocesador (ROM y RAM)
La memoria del microprocesador, compuesta por la ROM (Memoria de solo lectura) y la RAM (Memoria de acceso aleatorio), es fundamental en el funcionamiento de cualquier dispositivo electrónico. Ambos tipos de memoria son vitales para el rendimiento y la funcionalidad de cualquier ordenador o dispositivo electrónico moderno.
Memoria ROM significa memoria de solo lectura. Un chip de ROM está programado con una colección permanente de bytes preestablecidos. El bus de direcciones le dice al chip de ROM qué byte obtener y colocar en el bus de datos. Cuando la línea RD cambia de estado, el chip de ROM presenta el byte seleccionado en el bus de datos.
Memoria RAM significa memoria de acceso aleatorio. La RAM contiene bytes de información, y el microprocesador puede leer o escribir en esos bytes dependiendo de si se señaliza la línea RD o WR. Un problema con las chips de RAM de hoy en día es que olvidan todo una vez que se apaga la energía. Por eso el ordenador necesita ROM.
Por cierto, casi todos los ordenadores contienen alguna cantidad de ROM (es posible crear un ordenador simple que no contenga RAM; muchos microcontroladores hacen esto colocando unos pocos bytes de RAM en el chip del procesador mismo; pero generalmente es imposible crear uno que no contenga ROM).
En un PC, la ROM se llama BIOS (Sistema Básico de Entrada/Salida). Cuando el microprocesador se inicia, comienza a ejecutar las instrucciones que encuentra en la BIOS. Las instrucciones de la BIOS hacen cosas como probar el hardware de la máquina, y luego va al disco duro para buscar el sector de arranque.
Este sector de arranque es otro programa pequeño, y la BIOS lo almacena en la RAM después de leerlo del disco. El microprocesador luego comienza a ejecutar las instrucciones del sector de arranque desde la RAM. El programa del sector de arranque le indicará al microprocesador que busque algo más en el disco duro en la RAM, que el microprocesador luego ejecuta, y así sucesivamente. Así es como el microprocesador carga y ejecuta todo el sistema operativo.
Instrucciones del microprocesador
La colección de instrucciones se implementa como patrones de bits, cada uno de los cuales tiene un significado diferente cuando se carga en el registro de instrucciones. Los humanos no son particularmente buenos recordando patrones de bits, así que se definen un conjunto de palabras cortas para representar los diferentes patrones de bits.
Esta colección de palabras se llama el lenguaje ensamblador del procesador. Un ensamblador puede traducir fácilmente las palabras en sus patrones de bits, y luego la salida del ensamblador se coloca en la memoria para que el microprocesador la ejecute.
Rendimiento y tendencias del microprocesador
El número de transistores disponibles tiene un gran efecto en el rendimiento de un procesador. A medida que el diseño del microprocesador se ha vuelto más complejo, el número de transistores en un microprocesador ha aumentado.
El número de transistores en los microprocesadores se ha duplicado aproximadamente cada dos años, desde que el primer microprocesador apareció en 1971. Esta tendencia se conoce como la ley de Moore, y ha sido una de las fuerzas impulsoras detrás de la revolución de la computación personal. A pesar de esta ley, algunos aspectos del diseño del microprocesador han cambiado poco.