Los microprocesadores modernos están integrados por millones de transistores y otros componentes empaquetados en una cápsula cuyo tamaño varía según las necesidades de las aplicaciones a las que van dirigidas, y que van desde el tamaño de un grano de lenteja hasta el de casi una galleta. Las partes lógicas que componen un microprocesador son, entre otras: unidad aritmético-lógica, registros de almacenamiento, unidad de control, Unidad de ejecución, memoria caché y buses de datos control y dirección.
Existen una serie de fabricantes de microprocesadores, como IBM, Intel, Zilog, Motorola, Cyrix y AMD. A lo largo de la historia y desde su desarrollo inicial, los microprocesadores han mejorado enormemente su capacidad, desde los viejos Intel 8080, Zilog Z80 o Motorola 6809, hasta los recientes Intel Core 2 Duo, Intel Core 2 Quad, Intel Xeon, Intel Itanium II, Transmeta Efficeon o Cell.
Ahora los nuevos microprocesadores pueden tratar instrucciones de hasta 256 bits, habiendo pasado por los de 128, 64, 32, 16, 8 y 4 bits. Desde la aparición de los primeros computadores en los años cuarenta del siglo XX.
Funcionamiento
El microprocesador ejecuta instrucciones almacenadas como números binarios en la memoria principal. La ejecución de las instrucciones se puede realizar en varias fases:
•PreFetch, Pre lectura de la instrucción desde la memoria principal,
•Fetch, envío de la instrucción al decodificador,
•Decodificación de la instrucción, es decir, determinar qué instrucción es y por tanto qué se debe hacer,
•Lectura de operandos (si los hay),
•Ejecución,
•Escritura de los resultados en la memoria principal o en los registros.
Cada una de estas fases se realiza en uno o varios ciclos de CPU, dependiendo de la estructura del procesador, y concretamente de su grado de segmentación. La duración de estos ciclos viene determinada por la frecuencia de reloj, y nunca podrá ser inferior al tiempo requerido para realizar la tarea individual (realizada en un solo ciclo) de mayor coste temporal.
Evolución del microprocesador
1971: Intel 4004.
El Intel 4004 (i4004), un CPU de 4bits, fue el primer microprocesador en un simple chip, así como el primero disponible comercialmente. Aproximadamente al mismo tiempo, algunos otros diseños de CPU en circuito integrado, tales como el militar F14 CADC de 1970, fueron implementados como chipsets, es decir constelaciones de múltiples chips.
1974: Intel 8008
El Intel 8008 (i8008) es un microprocesador diseñado y fabricado por Intel que fue lanzado al mercado en abril de 1972. Codificado inicialmente como 1201, fue pedido a Intel por Computer Terminal Corporation para usarlo en su terminal programable Datapoint 2200, pero debido a que Intel terminó el proyecto tarde y a que no cumplía con la expectativas de Computer Terminal Corporation, finalmente no fue usado en el Datapoint 2200. Posteriormente Computer Terminal Corporation e Intel acordaron que el i8008 pudiera ser vendido a otros clientes.
El conjunto de instrucciones del i8008 y de todos los procesadores posteriores de Intel está fuertemente basado en las especificaciones de diseño de Computer Terminal Corporation. El i8008 emplea direcciones de 14 bits, pudiendo direccionar hasta 16 KB de memoria.
1975: MOS 6502
El MOS 6502 o MOS Technology 6502 fue un microprocesador de 8 bits diseñado por MOS Technology en 1975. Cuando fue introducido fue, por un largo trecho, el más barato CPU con características completas del mercado, en alrededor de un sexto del precio, o menos, que diseños con los que competía de compañías más grandes como Motorola e Intel.
1976: Zilog Z80
Microprocesador de 8 bits cuya arquitectura se encuentra a medio camino entre la organización de acumulador y de registros de propósito general. Si consideramos al Z80 como procesador de arquitectura de registros generales, se sitúa dentro del tipo de registro-memoria.
Fue lanzado al mercado en julio de 1976 por la compañía Zilog, y se popularizó en los años 80 a través de ordenadores como el Amstrad CPC, el Sinclair ZX-Spectrum o los ordenadores de sistema MSX. Es uno de los procesadores de más éxito del mercado, del cual se han producido infinidad de versiones clónicas, y sigue siendo usado de forma extensiva en la actualidad en multitud de dispositivos empotrados.
1978: Intel 8086, al 1979: Intel 8088
1982: Intel 80286
El Intel 80286 (llamado oficialmente iAPX 286, también conocido como i286 o 286) es un microprocesador de 16 bits de la familia x86, que fue lanzado al mercado por Intel el 1 de febrero de 1982. Las versiones iniciales del i286 funcionaban a 6 y 8 MHz, pero acabó alcanzando una velocidad de hasta 25 MHz. El i286 fue el microprocesador más empleado en los IBM PC y compatibles entre mediados y finales de los años 80 .
El i286 funciona el doble de rápido por ciclo de reloj que su predecesor (el Intel 8086) y puede direccionar hasta 16 Mbytes de memoria RAM, en contraposición a 1 Mbyte del i8086.
1985: Intel 80386, AMD80386
Fabricado y diseñado por Intel, el procesador i386 fue lanzado al mercado el 16 de octubre de 1985. Intel estuvo en contra de fabricarlo antes de esa fecha debido a que los costes de producción lo hubieran hecho poco rentable. Los primeros procesadores fueron enviados a los clientes en 1986. Del mismo modo, las placas base para ordenadores basados en el i386 eran al principio muy elaboradas y caras, pero con el tiempo su diseño se racionalizó.
El microprocesador AMD80386 fue creado por AMD en 1991. Era un procesador con características semejantes al Intel 80386 y compatible 100% con este último, lo que le valió varios recursos legales de Intel por copiar su tecnología. Tenía una velocidad de hasta 40 MHz lo que superaba a su competidor que sólo llegó a los 33 MHz.
Fue la primera aparición de AMD en solitario en el mercado de los procesadores para el gran público y tuvo un éxito aceptable teniendo en cuenta que el mercado estaba totalmente ocupado por Intel.
1989: Intel 80486
Los Intel 80486 (i486, 486) son una familia de microprocesadores de 32 bits con arquitectura x86 diseñados por Intel.
Los i486 son muy similares a sus predecesores, los Intel 80386. La diferencias principales son que los i486 tienen un conjunto de instrucciones optimizado, una unidad de coma flotante y un caché unificado integrados en el propio circuito integrado del microprocesador y una unidad de interfaz de bus mejorada. Estas mejoras hacen que los i486 sean el doble de rápidos que un i386 a la misma velocidad de reloj.
De todos modos, algunos i486 de gama baja son más lentos que los i386 más rápidos.
La velocidades de reloj típicas para los i486 eran 16 MHz (no muy frecuente), 20 MHz (tampoco frecuente), 25 MHz, 33 MHz, 40 MHz, 50 MHz (típicamente con duplicación del reloj), 66 MHz (con duplicación del reloj), 75 MHz (con triplicación del reloj), 100 MHz (también con triplicación del reloj) y 120 MHz (con cuatriplicación de reloj en una variante de AMD, el Am486-DX5).
1993: Intel Pentium, AMD K5,
El microprocesador Pentium se lanzó al mercado el 22 de marzo de 1993, sucediendo al procesador Intel 80486. Intel no lo llamó 586 debido a que no es posible registrar una marca compuesta solamente de números y a que la competencia utilizaba hasta ahora los mismos números que Intel para sus procesadores equivalentes (AMD 486, IBM 486...). También es conocido por su nombre clave P54C.
La arquitectura RISC86 del AMD K5 era más semejantemente a la arquitectura del Intel Pentium Profesional del Pentium. El K5 es internamente un Procesador RISC con una Unidad x86- decodificada que desmantela todos los comandos x86 de la aplicación en comandos RISC. Este principio se usa hasta hoy en todos los CPUs x86.
En todos los aspectos era superior el K5 al Pentium, sin embargo AMD tenía los problemas grandes con el desarrollo vs tiempo y con producción vs cosecha. Por esta razón fue necesario esperar un año después de lo planeado para poderlo sacar al mercado. Fue lanzado el 27 de marzo de 1996. Esta versión todavía era de tipo "provisional", y fue conocido como SSA/5, con los errores en el L1-escondidos. En la siguiente fase se comercializó como 5K86 y después se renombró como K5.
1995: Intel Pentium Pro
A pesar del nombre, el Pentium Pro es realmente diferente de su procesador antecesor, el Intel Pentium, ya que estaba basado en el entonces nuevo núcleo P6 (que se vería modificado para luego ser usado en el Intel Pentium II, Intel Pentium III e Intel Pentium M).
Además utilizaba el Socket 8, en lugar del Socket 5 o 7 de los Pentium de la época. Las características del núcleo del P6 era la ejecución desordenada, ejecución especulativa y una tubería adicional para instrucciones sencillas. La ejecución especulativa (era la ejecución provisional de código después de un salto que no se sabía si iba a ser realizado),
1997: Intel Pentium II, AMD K6
Los cambios fundamentales respecto a éste último fueron mejorar el rendimiento en la ejecución de código de 16 bits, añadir el conjunto de instrucciones MMX y eliminar la memoria caché de segundo nivel del núcleo del procesador, colocándola en una tarjeta de circuito impreso junto a éste.
El Pentium II se comercializó en versiones que funcionaban a una frecuencia de reloj de entre 166 y 450 MHz. La velocidad de bus era originalmente de 66 MHz, pero en las versiones a partir de los 333 MHz se aumentó a 100 MHz.
Poseía 32 KB de memoria caché de primer nivel repartida en 16 KB para datos y otros 16 KB para instrucciones.
Éste procesador estaba diseñado para funcionar en placas base Pentium. La principal ventaja del AMD con respecto al Pentium era su precio, bastante más barato con las mismas prestaciones. El K6 tuvo una gran aceptación en el mercado presentándose como un rival fuerte para Intel. Su sucesor fue el microprocesador K6-2.
Con el K6, AMD no sólo consiguió hacerle la competencia a Intel en el terreno de los Pentium MMX, sino que además amargó lo que de otra forma hubiese sido un placido dominio del mercado, ofreciendo un procesador que casi se pone a la altura del mismísimo Pentium II.
En cuanto a potencia bruta, si comparamos sus prestaciones en la ejecución de software de 16 bits, vemos que la diferencia es escasa entre todos los procesadores, quedando como único rezagado el Pentium Pro.
1999: Intel Pentium III, AMD K6-2,
El K6-2 fue diseñado como un competidor para el levemente más viejo y significantemente más costoso Intel Pentium II. El funcionamiento de los dos procesadores era muy similar: el anterior K6 tiende a ser más rápido para uso general, el producto de Intel era claramente superior en las tareas de punto flotante. El K6-2 fue un procesador muy exitoso y proveyó a AMD con la base del marketing y la estabilidad financiera necesaria para introducir al mercado el Athlon.
El K6-2 fue el primer procesador de AMD en introducir un set de instrucciones de punto flotante SIMD (llamado 3DNow! por AMD), que podía mejorar sustancialmente el rendimiento de las aplicaciones 3D. Este batió el marcado en relación al similar, pero más complicado, set de instrucciones SSE de Intel por varios meses.
Las primeras versiones eran muy similares al Pentium II, siendo la diferencia más importante la introducción de las instrucciones SSE. Al igual que con el Pentium II, existía una versión Celeron de bajo presupuesto y una versión Xeon para quienes necesitaban de gran poder de cómputo. Esta línea ha sido eventualmente reemplazada por el Pentium 4, aunque la línea Pentium M, para equipos portátiles, esta basada en el Pentium III.
2000: Intel Pentium 4, Intel Itanium 2, AMD Athlon XP, AMD Duron.
El Pentium 4 (erróneamente escrito Pentium IV) es un microprocesador de séptima generación basado en la arquitectura x86 y fabricado por Intel. Es el primer microprocesador con un diseño completamente nuevo desde el Pentium Pro de 1995.
El Pentium 4 original, denominado Willamette, trabajaba a 1,4 y 1,5 GHz; y fue lanzado en noviembre de 2000.Para la sorpresa de la industria informática, el Pentium 4 no mejoró el viejo diseño P6 según las dos tradicionales formas para medir el rendimiento: velocidad en el proceso de enteros u operaciones de coma flotante.
La estrategia de Intel fue sacrificar el rendimiento de cada ciclo para obtener a cambio mayor cantidad de ciclos por segundo y una mejora en las instrucciones SSE. Al igual que los demás procesadores de Intel, el Pentium 4 se comercializa en una versión para equipos de bajo presupuesto (Celeron), y una orientada a servidores de gama alta (Xeon).
Las distintas versiones son: Willamette, Northwood, Extreme Edition, Prescott y Cedar Mill.
Todos los procesadores Itanium 2 comparten una misma jerarquía de memoria caché. Todos tenían una caché de nivel 1 de 16 KB para instrucciones y otra de 16 KB para datos. La caché de nivel 2 está unificada (es la misma para datos e instrucciones) y tiene un tamaño de 256 KB.
La caché de nivel 3 también está unificada y varía el tamaño desde los 1,5 MB hasta los 9 MB. En una elección interesante del diseño, la caché de nivel 2 contenía suficiente lógica para el manejo de las operaciones de los semáforos (mecanismos de sincronización del kernel) sin molestar a la ALU.
El bus del Itanium 2 tenía velocidades desde 200 MHz hasta los 333 MHz.
Athlon es el nombre que recibe una gama de microprocesadores compatibles con la arquitectura x86, diseñados por AMD.
El Athlon original, Athlon Classic, fue el primer procesador x86 de séptima generación y en un principio mantuvo su liderazgo de rendimiento sobre los microprocesadores de Intel. AMD ha continuado usando el nombre Athlon para sus procesadores de octava generación Athlon 64.
AMD Duron es una gama de microprocesadores de bajo coste compatibles con los Athlon, por lo tanto con arquitectura x86. Fueron diseñados para competir con la línea de procesadores Celeron de Intel.
La diferencia principal entre los Athlon y los Duron es que los Duron solo tienen 64 KBytes de memoria caché de segundo nivel (L2), frente a los 256 KBytes de los Athlon.
2004: Intel Pentium M
Introducido en marzo de 2003, el Intel Pentium M es un microprocesador con arquitectura x86 (i686) diseñado y fabricado por Intel. El procesador fue originalmente diseñado para su uso en computadoras portátiles. Su nombre en clave antes de su introducción era "Banias". Todos los nombres clave del Pentium M son lugares de Israel, la ubicación del equipo de diseño del Pentium M.
El Pentium M representa un cambio radical para Intel, ya que no es una versión de bajo consumo del Pentium 4, sino una versión fuertemente modificada del diseño del Pentium III (que a su vez es una modificación del Pentium Pro).
Está optimizado para un consumo de potencia eficiente, una característica vital para ampliar la duración de la batería de las computadoras portátiles.
2005: Intel Pentium D, Intel Extreme Edition con hyper threading, Intel Core Duo, AMD Athlon 64, AMD Athlon 64 X2, AMD Sempron 128.
Existen cinco variantes del Pentium D:
• Pentium D 805, a 2,6 GHz (el único Pentium D con FSB de 533 MHz)
• Pentium D 820, a 2,8 GHz con FSB de 800 MHz
• Pentium D 830, a 3,0 GHz con FSB de 800 MHz
• Pentium D 840, a 3,2 GHz con FSB de 800 MHz
• Pentium D Extreme Edition, a 3,2 GHz, con Hyper Threading y FSB de 800 MHz. Nota: no confundir con el Pentium 4 Extreme Edition, a 3,73 GHz, que únicamente posee un único núcleo Prescott)
Cada uno de ellos posee dos núcleos Smithfield que a su vez estan basados en el núcleo Prescott, están fabricados en un proceso de 90 nm, con 1 MB de memoria caché L2 para cada núcleo.
Todos los Pentium D incluyen la tecnología EM64T, que les permite trabajar con datos de 64 bits nativamente, incluyen soporte para la tecnología Bit NX, además de ser compatibles (a partir del modelo 820) con la tecnología Intel VT (para Virtualización por hardware) e Intel Viiv™.
Las placas base que los soportan son las que utilizan los chipsets 101, 102, 945, 946, 965 y 975.
Intel Core Duo Microprocesador con dos núcleos de ejecución, lanzado en enero del 2006. El microprocesador Intel Core Duo está optimizado para las aplicaciones de subprocesos múltiples y para la multitarea.
Puede ejecutar varias aplicaciones exigentes simultáneamente, como juegos con gráficos potentes o programas que requieran muchos cálculos, al mismo tiempo que puede descargar música o analizar su PC con su antivirus en segundo plano.
Este microprocesador implementa 2Mb de caché compartida para ambos núcleos más un bus frontal de 667Mhz; además implementa un nuevo juego de instrucciones para multimedia (SSE3) y mejoras para las SSE y SSE2. Sin embargo, el desempeño con enteros es ligeramente inferior debido a su caché con mayor latencia. También incluye soporte para la tecnología Bit NX.
Intel Core Duo es el primer microprocesador de Intel usado en las computadoras Apple Macintosh.
El AMD Athlon 64 es un microprocesador x86 de octava generación que implementa el conjunto de instrucciones AMD64, que fueron introducidas con el procesador Opteron.
Por primera vez en la historia de la informática, el conjunto de instrucciones x86 no ha sido ampliado por Intel. De hecho Intel ha usado este mismo conjunto de instrucciones para sus posteriores procesadores, como el Xeon Nocona. Intel llama a su implementación Extended Memory Technology -Tecnología de Memoria Extendida- (EM64T), y es completamente compatible con la arquitectura AMD64. La arquitectura AMD64 parece que será la arquitectura informática dominante de la generación de 64 bits, al contrario que alternativas como la arquitectura IA-64 de Intel.
El Athlon 64 presenta un controlador de memoria en el propio circuito integrado del microprocesador y otras mejoras de arquitectura que le dan un mejor rendimiento que los anteriores Athlon y Athlon XP funcionando a la misma velocidad, incluso ejecutando código heredado de 32 bits.
Este microprocesador fue introducido para el socket 939 (en 90 nm SOI) y para el socket AM2 (en 90 nm y 65 nm SOI) con un bus HyperTransport de 2000 Mhz y un TDP de 110W-89W y soporte de memoria DDR2 a partir de los modelos AM2 y conjunto de instrucciones SSE3.
Cada núcleo cuenta con una unidad de cache independiente, y tienen entre 154 a 233.2 millones de transistores dependiendo del tamaño de la cache. Los nuevos procesadores que aparecieron en el mes de Julio del 2006 para el socket AM2 contaron con soporte para memoria DDR2, fueron fabricados en 90 nm y 65nm SOI e incluyeron tecnologías de virtualización y mejoras en el consumo de energía.
La principal característica de estos procesadores es que contienen dos núcleos y pueden procesar varias áreas a la vez rindiendo mucho mejor que los procesadores de un único núcleo. Además su arquitectura es de 64-bits.
El microprocesador AMD Turion 64 X2 es una versión de bajo consumo del procesador AMD Athlon 64 X2 destinada a los ordenadores portátiles, y constituye la respuesta comercial de AMD a la plataforma Centrino CORE DUO de Intel.
2006: Intel Core 2 Duo, Intel Core 2 Extreme, AMD Athlon FX.
El microprocesador Core 2 Duo de Intel es la continuación de los Pentium D y Core Duo.
El acceso a memoria inteligente optimiza el ancho de banda de datos. Su arquitectura se basa en la del Pentium M, pues demostró ser mucho más eficiente que la arquitectura de Pentium 4.
Los procesadores han sido comparados con los más potentes procesadores hasta el momento de AMD, que hasta la fecha de salida de Intel eran los procesadores más rápidos disponibles, y los procesadores Conroe presumieron de una ejecución mucho más rápida de hasta un 40% más potente que procesador Pentium 4, y con un consumo 40% menor que este.
El Core 2 Duo es un procesador con un pipeline de 14 etapas lo que le permite escalar más en frecuencia que su antecesor directo: el Core 1, que tenía 12 etapas al igual que el Athlon 64. Tiene, además, un motor de ejecución ancho con tres ALUs, cuatro FPUs, y tres unidades de SSE de 128 bits. Estas dos características hacen que sea el procesador x86 que más instrucciones por ciclo puede lograr.
2007: Intel Core 2 Quad, AMD Quad Core, AMD Quad FX
Intel Core 2 Quad o Intel Core Quad son una serie de procesadores de Intel con 4 núcleos y de 64 bits. Según el fabricante, estos procesadores son un 70% más rápidos que los Core 2 Duo.
Intel tiene en mente lanzar los procesadores de 4 núcleos para portátiles en el primer semestre de 2008, con el nombre de "Penryn" y será una actualización de los denominados Intel Santa Rosa que se utilizan actualmente.
El AMD Quad Core es un microprocesador de la empresa AMD (Advanced Micro Devices Inc.) con fecha de salida en los proximos meses. Es el primer procesador de 4 núcleos de AMD, aunque no es el primero de 4 núcleos en la era de las computadoras. El nombre tecnico para estos procesadores es AMD K10.
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