UD2-P04-microprocesadores-Alumnos.pdf

7/16/2019 UD2-P04-microprocesadores-Alumnos.pdf

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Unidad 2: Componentes internos del ordenador El procesador:

1.Concepto

2.Arquitectura Interna

3.Elementos de un Microprocesador

4.Arquitectura Externa. El Bus Principal

5.Características Principales

.!tras características

".#uncionamiento

$.%ipos de instrucciones

&.E'oluci(n ) *EE+,

1-.Paralelismo

11 !'erclocin/12. +e0ri/eraci(n

13.Procesadores actuales Intel AM



1. Concepto de microprocesador

● Es el cerebro del ordenador encar/ado de

➢ decodificar y ejecutar las instrucciones de los pro/ramascar/ados en memoria principal.

➢ coordinar y controlar el resto de componentes que 0ormanel ordenador aquellos peri0ricos conectados a ste.

● #ísicamente es un circuito integrado o cip 0ormado pormillones de transistores construidos so6re una o6lea desilicio.

● 7uelen tener 0orma cuadrada o rectan/ular 'ancolocados so6re un elemento de la placa 6ase

denominado zócalo.

● %am6in se le conoce como CPU.



2. Aruitectura interna

● !emoria Principal● Unidada Arim"tico#

$ógica %UA$&● Unidad de Control %UC● Unidad de Entrada'(alida

Actualmente distinguimosentre:

● Procesadores monon)cleo● Procesadores multin)cleo

● *lamamos arquitectura interna del microprocesador a ladistribución f*sica de sus componentes.

● *os primeros microprocesadores se crearon de acuerdo a

la aruitectura de +on ,eumann.




● Actualmente distin/uimos entre

➢ Procesadores monon)cleo




● Procesadores multin)cleo

,ota: no confundir con sistemas multiprocesador



-. Elementos de un microprocesador: !onon)cleo

● 8nidad de control )8C,

● ecodi0icador deinstrucciones )I,

●

8nidad aritmtico9l(/ica)A*8,

● 8nidad de Coma 0lotante)#P8,

●

Memoria cac● Bus 0rontal )#7B,

● Bus trasero )B7B,



-. Elementos de un microprocesador: efiniciones

● Unidad de control. Busca las instrucciones en memoriaprincipal las pasa al decodi0icador para e:ecutarlas.

● ecodificador de instrucciones. Interpreta e:ecuta lasinstrucciones.

● Unidad aritm"tico#lógica %A$U&. %am6in llamadocoprocesador matem;tico. 7e encar/a de reali<ar lasoperaciones aritmticas )suma= resta= ..., l(/icas )A>=!+= ..., con n?meros enteros.

● Unidad de coma flotante %/PU&. +eali<a las operacionesde coma 0lotante )n?meros reales,.



-. Elementos de un microprocesador: !emoria Cac0e

● !emoria cac0"

● Es una memoria 'ol;til que se utili<a para acelerar losaccesos del procesador a la memoria principal.

● Caché L1--> Caché pequeña pero muy rápida y

muy cerca a la CPU (Con los nuevos procesadorescon todo integrado, la "CPU" representa sólo un pedazo de la pieza de silicón, almacenainstrucciones de uso muy !recuente#$ se divide en datos e instrucciones

● Caché L2 --> Caché más grande, varias veces más

rápida que la memoria %&', guarda datos de usomenos !recuente que los almacenados en la cache#$ y con latencias algo más altas (un poco máslenta

● Caché L3 --> Caché adicional, nicialmente por!uera del procesador )u velocidad es menor que lade la caché #*



-. Elementos de un microprocesador:

● us frontal %/ront (ide us /(&. %am6in conocidocomo 6us principal o 6us de sistema. Es el canal que

comunica el procesador con el puente norte)nort6rid/e,. En los procesadores actuales reci6e

nom6res como 3uic4 Pat0 5nterconnect )Intel, o6ypertransport )AM,.

● Bus trasero (Back Side Bus, BSB). Es el nom6re quese da6a al canal de comunicaci(n entre el procesador

la memoria cace *2= cuando esta no esta6a inte/radaen el n?cleo.

● Importante: Aunque los 0a6ricantes lo llamen de distinta 0orma se trata del mismo 6us @ Bus de sistema, es

decir= conecta el procesador el nort6rid/e



-. Elementos de un microprocesador !ultin)cleo

Con los nue'os procesadores multin?cleo aparecennue7os elementos en el procesador ● Controlador de !emoria 5ntegrado %5!C&: Es el elemento que permite que los nue'os procesadores puedan acceder directamente aMemoria principal sin acer uso del puente >orte= se encuentra en el

encapsulado del procesador ● 7e sustitue el #7B por un 6us del sistema de alta 'elocidad @ I>%E* PI ) uic Pat Interconnect, o AM % ) per9 transport,



-. Elementos de un microprocesador

8PU integrada en el procesador

!icroaruitectura ,e0alem: El primer procesador lan<ado con laarquitectura >ealem 0ue en el ao 2--$

➢ Controlador de memoria inte/rado➢ DP8 inte/rada en al CP8.➢ )Anteriormente la comunicaci(n entre la CP8 la DP8 se acía a

tra's del 6us PCI9express



-. Elementos de un microprocesador

● 8PU integrada en el procesador

➢ !icroaruitectura (andy ridge %mayor integración&● Ao de producci(n 2-1192-12● 7ocet 1155 2-11●

DP8 inte/rada en la CP8 Controlador de memoria inte/rado



9. Aruitectura eterna. El bus principal

● 7e llama así a la estructura que presenta el con:untoprocesador9placa 6ase. istin/uiremos tres tiposprincipales

➢ Aruitectura de oble#us. 7e trata de la arquitectura

usada tradicionalmente #ront 7ide Bus )#7B, Bac 7ideBus )B7B,

➢ Aruitectura 3P5 %3uic4Pat0 5nterconnect&. Arquitecturautili<ada por Intel en sus procesadores actuales Core i)microarquitecturas >ealem 7and Brid/e,.

➢ Aruitectura 6; %6ypertransport&. Propietaria de AMcreada para sustituir a la arquitectura de do6le 6us.



9. Aruitectura eterna. El bus principal

● Aruitectura de oble#us %/(<(&

➢ Intel utili<( dica tecnolo/ía asta ace relati'amente poco= siendo el uad Coreel ?ltimo procesador que la implement(.

➢ El controlador de memoria se encuentra en el >ort6rid/e.

➢ El #7B es un 6us con líneas independientes para direcciones= datos control.

➢

Con la inte/raci(n de las memorias cac en el propio n?cleo del micro= el B7B= el Bus trasero desapare.



9. Aruitectura eterna. El bus principal 3P5

5ntel 3uic4Pat0 5nterconnect %3P5&● )e trata de tecnolog+a desarrollada por ntel en contraposición a la tecnolog+a -. de

&'/, a partir de los procesadores de nueva generación denominada Core iX (la !amiliaó gama i0, i1, i2 e i3, consiste en incluir un controlador de memoria que permite a

procesador comunicarse directamente con la %&' sin necesidad del uso del 4orth5ridge

● #a unidad de medida utilizada en esta nueva gama de productos es la unidad GT/s, lo cual

signi!ica literalmente GigaTransferencias/segundo o '.6) ( 'ega.rans!erencia porsegundo



9. Aruitectura eterna. El bus principal A! 6yper;ransport

AM per%ransport En ocasiones se identi0ica con las si/las %% para di0erenciarlo de per%readin/ )%,

esarrollada por AMF en 2--1 en sustituci(n del #7B cl;sico= la cual

implementa un 6us serial= con un controlador de memorias inte/rado que permite

que permite la coneión directa del procesador con la memoria =A!

sin necesidad del uso del >ortBrid/e= Es utili<ado en microprocesadores 6asados en aruitectura de >9 bits.



?. Caracter*sticas principales

● *as caracter*sticas principales ue determinan lo6uenoGmalo que es un microprocesador= es decir= susprestaciones son las si/uientes

1.9 Ancura de los 6uses de datos direcciones

2.- Tamaño de la memoria caché

3.- Frecuencia de reloj a la que trabaja (velocidad interna)

4-Frecuencia a la que trabaja el bus de sistema ( velocidadexterna

5.-Densidad de integración

6.-Alimentación (voltaje)



?. Caracter*sticas principales: Anc0ura de los buses

Anchura de los buses

➢ Esta ancura de los 6uses coincide a su 'e< con el tamao de los re/istros correspondientes )datos direcciones, en el Procesador.➢ Bus de datos – +epresenta el dato mas /rande que es capa< de mane:ar el

microprocesador en una sola operacion. – Adem;s= el tamao de este 6us determina el anco de pala6ra de la memoria principal.

Bus de direcciones➢ El tamao de este 6us determina la cantidad m;xima de

memoria que podemos direccionar.➢ Con 32 6its de anco de 6us podremos direccionar asta 4 DB )232,.➢ Actualmente casi todos los microprocesadores disponen de 6uses de direccionamiento de 4 6its por lo que podrian direccionar 16 exabytes.




● !emoria cac0"

➢ 7e trata de memorias de tamao muco m;s pequeo de'elocidades muco maores que la memoria +AM= alo:adasEn el encapsulado del procesador.

➢

En ellas se almacenan las ?ltimas instrucciones procesadaso las 0uturas a procesar :unto con sus datos.➢

Eisten 7arios tipos:● Cace de ni'el *1● Cace de ni'el l2●

Cace de ni'el *3

Her diapositi'a 11




●

,i7eles de cac0"



?. Caracter*sticas principales: !emoria cac0"

● !emoria cac0"

➢ Intel Pentium II @ Cac*2 :unto al procesadorpero en cips distintos

)interna,➢ Intel Core i )4 n?cleos, @

Cacs *1 *2integradas en cadan?cleo cac *3

integrada en elprocesador compartidapor todos los n?cleos.



?. Caracter*sticas principales: 7elocidad interna

●

+elocidad interna del procesador ➢ 7e trata de la 0recuencia de relo: interna a la que tra6a:a el

Microprocesador= se mide me Me/aercios o Di/aercios.

➢ En /eneral= cuanto maor sea la 'elocidad del procesador @maor n?mero de operaciones por unidad de tiempo reali<a @

maor rendimiento.



?. Caracter*sticas principales: 7elocidad eterna

+elocidad del us del (istema o +elocidad Eterna

.

● Es la 0recuencia )'elocidad, a la que 'ia:an los datos por el Bus principal)#7B= PI o %,

● %am6in llamada 'elocidad #7B= es la 'elocidad a la que el micro se

comunica con la placa 6ase.

● ado que el micro 0unciona internamente a una 'elocidad la placa aotra= para adaptar la di0erencia de 'elocidad entre am6os= se necesita unmultiplicador = que a:uste la di0erencia de 'elocidad entre am6os.

● Como a emos dico anteriormente en los buses 3P5 y 6;; es D%G7)Di/atrans0erencias por se/undo, M%Gs )Me/atrans0ereciasGs

●

Ej. Procesador Pentium a 3= D< utili<a un 6us del sistema )#7B, a$-- <= el multiplicador ser; de 4=5 a que $-- x 4=5 3.-- ) Estain0ormaci(n aparece en los manuales de la placa 6ase,.

● *(/icamente= para aumentar el rendimiento del procesador

interesa que la 'elocidad del 6us principal sea lo m;s alta



?. Caracter*sticas principales: ensidad de integración

● ensidad de integración

➢ Indica la separaci(n que a entre los transistores que0orman el microprocesador.

➢ %am6in se conoce como tecnolog*a de fabricación se

mide en micrasGmicr(metros )mn, o nan(metros )nm,.➢ !ayor densidad de integración @ mayor n)mero de

componentes @ mayor rendimiento.

➢ 8n nan(metro es la millonsima parte de un metro 1-9&

➢ . Cuento menor los nm de manu0actura= menor ser; elcalor maor el rendimiento



?. Caracter*sticas principales: Alimentación o 7oltaje

● Alimentación o +oltaje

● #os procesadores reci7en la electricidad de la placa 7ase● A a!or "olta#e $ a!or fecuencia de funcionaiento del

procesador pero a!or calor disipado ! a!or consuo de

energ%a

● 8n la actualidad se utiliza un parámetro conocido comoTheral &esign 'o(er )T&'* para representar la má9imacantidad de calor que necesitar disipar el microprocesador +

● Por e: #a CPU de un ordenador portátil puede estar asignada para *;< ./P, lo cual quiere decir que puede disipar *; < decalor, sin e9ceder la má9ima temperatura para la que estádiseñado

●

)i CPU se calienta demasiado = %einicios espontáneos



. /uncionamiento

● 8na instrucci(n no es m;s que un c(di/o 6inario que laCP8 puede entender.

● Pro/rama con:unto de instrucciones.

● E:ecuci(n de un pro/rama e:ecuci(n secuencial de cadauna de sus instrucciones.

● JC(mo se e:ecuta una instrucci(nK

1./ase de b)sueda @ traer la instrucci(n desde la memoriaasta la CP8

2./ase de ejecución @ lle'ar a ca6o las acciones descritaspor la instrucci(n



. /uncionamiento: Conjunto de 5nstrucciones

● %odos los procesadores tra6a:an con un con:unto deinstrucciones concreto.

● ecimos que dos procesadores son compatibles sicomprenden las mismas instrucciones.

● Así= todos los procesadores de la 0amilia del PC soncompati6les por lo que pueden e:ecutar las mismasinstrucciones = en consecuencia= los mismos pro/ramas.

● A este con:unto de instrucciones que inicialmente

utili<aron los PCs se le llam( B>.



. /uncionamiento

● Independientemente del PC que ten/amos podemose:ecutar cualquier sistema operati'o LindosG*inux

cualquier pro/rama= por u"DPor que comprenden el mismo conjunto de intrucciones

● *os Macintos de Apple NsiempreO an sido incompati6lescon los PC porque utili<a6an otros procesadores que0unciona6an con un con:unto de instrucciones distintas.

● 7i/uen siendo incompati6les los procesadores de los MAC

actuales los PCK .Por queK● Es posi6le instalar Lindos en un MacK . Mac !7Q en un

PCK● JEra posi6le antesK



. /uncionamiento

● El con:unto de instrucciones x$ apareci( con elprocesador Intel $-$ a 0inales de los aos "-.

● El 5ntel B-B> ampli( este con:unto de instrucciones paratra6a:ar con re/istros de 32 6its )el $-$ era de 1 6its,.

● Es por ello que mucas 'eces tam6in nos re0erimos a

este con:unto de instrucciones como B>#-2 o 5A#-2 %Intel Arquitecture 3296it, para di0erenciarlo del con:unto ori/inalx$91 así como de su posterior adaptaci(n a m;quinasde 4 6its )x$94= x4= EM4%= etc,.



. /uncionamiento

● Cada nue'a /eneraci(n de procesadores a ampliadoeste con:unto de instrucciones inicial con nue'as

instrucciones con dos 0ines principales

➢

● Permitir realizar nue7as tareas a la CPU. *os ordenadores

actuales e:ecutan mucos pro/ramas que en aquella poca no existían.● Me:orar la e0iciencia en la e:ecuci(n de la instrucciones9● a6reis 'isto en multitud de ocasiones que un pro/rama ten/a como requisito para poder e:ecutarse una CP8

minima.● En ocasiones= este requisito puede atender a ra<ones de 'elocidad pero en otras mucas situaciones es de6ido a que necesita que el procesador soporte unas instrucciones determinadas que se introdu:eron con dica CP8.

'rocesador ntel. i-0



● ;ipo:estop● (oc4et 115-● /ormato #C9*DA4●

,)cleo enominaci(n asell

>?mero4

#recuencia de relo: 35-- M<

Estructura 22 nm● Cac0"

*1 4x 4 B

*2 4x 25 B *3 $ MB● Fuego de comandos

EM4%= MMQ= 77E= 77E2= 77E3= 77E4= 77E4.1=77E4.2= 777E3= x$94= Q● Consumo de energ*a $4 'atios● /recuencia de bus5--- M%Gs

) M%7 R millones de trans0erencia x se/undo,● Controladores de memoria

Est;ndares +391-= +391333= +391--

Canales 2

%ensi(n 1.3591.5 'oltios

8PU integrada Intel Drapics 4--

● =efrigeración %ipo CP89STler mit *T0ter

● Coneión de corriente● PLM9*T0teranscluss



B. ;ipos de instrucciones

● asta 2--= los ordenadores de Apple utili<a6an unosprocesadores que los acían incompati6les con los PC.

● 7e trata6a de procesadores Motorola PoerPC.

● El moti'o de esta incompati6ilidad radica en que dicosprocesadores e:ecutan un con:unto de instruccionesdistinto al con:unto de instrucciones soportado por los

procesadores Intel o AM )recordad B>,.




● 7e trata6a de dos 0iloso0ías de diseo demicroprocesadores distintas

➢ C5(C )Complex Instruction 7et Computer,= es decir= utili<arun con:unto de instrucciones 0ormado por pocas

instrucciones pero complejas )Intel= AM,.➢ =5(C )+educed Instruction 7et Computer,= o lo que es lo

mismo= muc0as instrucciones pero simples )Apple=Motorola= IBM= PoerPC,.




● C5(C➢ Gbjeti7o: +educir el n?mero de líneas de c(di/o

ensam6lador de los pro/ramas.

➢ Instrucciones m;s comple:as @ requieren m;s tiempo de

e:ecuci(n )'arios ciclos de relo:,➢ El con:unto ori/inal de instrucciones x$ )IntelGAM, era de

tipo CI7C.




● =5(C➢ Gbjeti7o: 8tili<ar instrucciones m;s sencillas que se

e:ecuten m;s r;pidamente que las CI7C.

➢ Estructura de procesador m;s simple @ reducci(n de la

super0icie del circuito inte/rado.➢ Pro/ramas m;s lar/os 'oluminosos.

➢ Apple= IBM Motorola.




● 3u" es mejor C5(C o =5(CD● Estudios de prestaciones de am6as tecnolo/ías muestran

que los +I7C o6tienen me:ores prestaciones )m;s potentes r;pidos, que los CI7C.

● 7in em6ar/o= el mercado de los ordenadores personalesest; copado por x$ @ CI7C m;s utili<ado.

● Es ciertoD

– +ealmente= las di0erencias son cada 'e< m;s 6orrosas entrelas arquitecturas CI7C +I7C.




● *as CP8 modernas de Intel AM se 6asan en unacom6inaci(n de instrucciones CI7C +I7C.

● Estos procesadores traducen las lar/as instruccionesCI7C de la arquitectura x$ a operaciones sencillas de

lon/itud 0i:a que se e:ecutan en un n?cleo de estilo +I7C.● El o6:eti'o es o6tener las 'enta:as de am6as tecnolo/ías

mantener la compatibilidad con las instruccionesC5(C B> consiguiendo las prestaciones de ejecución

de instrucciones =5(C.



H. E7olución

/uente: 0ttp:''III.cpu#Iorld.com



1. Paralelismo

NEl paralelismo es una 0orma de computacion en la cual

'arios calculos pueden reali<arse simultaneamente.O

Alunas tecnicas relacionadas con el paralelismo:

!ultitarea (!ultitask) a6ilidad del procesador para dar la apariencia de estar reali<ando'arias tareas a la 'e<.

!ultihilo (!ultithreadin)i'idir el tra6a:o de un pro/rama )proceso, en 'arios su6tra6a:os quepueden correr en procesadores distintos.

!ultinucleo (!ulticore)Procesadores que contienen dos o mas nucleos. Permite e:ecutar unilo por nucleo.



1. Paralelismo

➢ El 6ypert0reading %6;& de 5ntel es un e:emplo detecnolo/ía multitreadin/) multiilo,.

➢ Me:ora el rendimiento /lo6al del ordenador aciendo queun ?nico microprocesador 0ísico emule a dos

microprocesadores l(/icos.➢ Para poder utili<ar esta tecnolo/ía el sistema operati'o= la

placa 6ase= el cipset la BI!7 de6en soportar %.

➢ Adem;s= es necesario que las aplicaciones estn

pro/ramadas de 0orma que sean di'isi6les en 'arios ilos.

11+- "ercloc4ing



g

● &unque es al procesador al que más se asocia al termino

overcloc>ing● 8l procedimiento de ?vercloc>ing permite acelerar elrendimiento no solo del procesador, sino tam7ién de lamemoria %&' y la tar:eta grá!ica más allá de los l+mites

previstos por sus !a7ricantes, con lo cual, en términos

simples, me:orar+amos la velocidad !inal de lacomputadora

● 8n la actualidad podemos encontrar mother7oards con la

capacidad para realizar ?vercloc>ing en !orma manual oautomática

http@66AAAin!ormaticaBhoycomar6hardAareBpcBdes>top6'itosBverdadesB?vercloc>ingphp

1. Paralelismo



● Core i" Core i5 soporta la tecnolo/ía 6yper#;0reading=

la cual emula dos procesadores l(/icos por cada n?cleoen el procesador= esto ace que el sistema operati'odetecte $ procesadores l(/icos pues el Core i" es de 4n?cleos. ) E:ecuta 2 ilos por n?cleo,

●

5ntel Core i" Core i5 presenta una tecnolo/ía llamada;urbo oost es una característica de o'erclocin/autom;tico= es decir cuando el CP8 NsienteO que necesitam;s poder de procesamiento= este incrementa su0recuencia de 0orma autom;tica.) A! tiene su propia

implementaci(n del sistema denominada ;urbo Core

● Core i3 no proporciona la tecnolo/ía %ur6o Boost= pero sisoportan per9%readin/

1. Paralelismo



11. =efrigeración

● %odo componente electr(nico al paso de corrienteelctrica /enera calor.

● ico calor puede acer que el dispositi'o electr(nico seainesta6le produ<ca errores en su 0uncionamiento.

● Por tanto= es important*simo disipar el calor ueproducen los elementos de un ordenador. Adem;s

➢ A maor 'olta:e @ m;s calor

➢ A maor 'elocidad de tra6a:o )0recuencia, @ m;s calor



11. =efrigeración

● ;ipos de refrigeración➢ Pasi7a por aire @ disipadores

– El o6:eti'o del disipador es incrementar la super0icie decontacto con el aire para maximi<ar el calor que ste es capa<

de retirar. Cuantas m;s aletas m;s del/adas m;s calordisipar;.

➢ Acti7a por aire @ disipador < 7entilador

– Me:ora la e0icacia de la anterior.



11. =efrigeración



11. =efrigeración

● =efrigeración l*uida➢ B;sicamente se compone de un radiador= un dep(sito= una

6om6a de a/ua el circuito de tu6os.

➢ M;s e0ica< que por aire.

➢ Menos ruidosa.

➢ Permite re0ri/erar todos los componentes a la 'e<)procesador= cipsets= /r;0ica= disco duro memoria,

➢ Cara= comple:a peli/rosa.



11. =efrigeración

● =efrigeración porinmersión

➢ El computador estotalmente sumer/ido enun líquido deconducti'idad elctricamu 6a:a= como aceitemineral.

11 = f i ió



11. =efrigeración

● =efrigeración por6eatpipes

➢ 7e trata de un circuitocerrado en donde un0luido se calienta en la

6ase de contacto con elCP8= se e'apora= su6epor una tu6ería asta eldisipador= se condensa 6a:a como líquido a la6ase nue'amente. 7eutili<an 6astante en losdiseos de placasactuales.

11 = f i ió



11. =efrigeración

11 = f i ió



11. =efrigeración

● Gtros tipos de refrigeración➢ +e0ri/eraci(n por so0tare )aorro de ener/ía,

➢ Crio/enia )nitr(/eno líquido,

➢ Etc.

http@66es>ios>eanet6!aq6*033Bre!rigeracionBdelBpc http@66AAAcon!igurarequiposcom6doc10html

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