Historia de los Microprocesadores

Microprocesador

I.- ¿Que es un Microprocesador?

Es el circuito integrado central y más complejo de un sistema informático; a modo de ilustración, se le suele asociar por analogía como el «cerebro» de un computador.

Esta unidad central de procesamiento está constituida, esencialmente, por registros, una unidad de control, una unidad aritmético lógica (ALU) y una unidad de cálculo en coma flotante(conocida antiguamente como «co-procesador matemático»).

II.- Historia  de los Microprocesadores

  2.1.- Microprocesadores de 4 bits ( 1971)

           En 1971, una compañía que se dedicaba a la fabricación de memorias electrónicas lanzó al mercado  el    

           primer microprocesador del mundo. Este microprocesador fue el resultado de un trabajo encargado por 

          una empresa que se dedicaba a la fabricación de calculadoras electrónicas. El 4004 era un microprocesador de 4 bits capaz de direccionar 4096 localidades de memoria de 4 bits de ancho. Este microprocesador contaba con un conjunto de 45 instrucciones y fue ampliamente utilizado en los primeros videojuegos y sistemas de control.

2.2.- Microprocesadores de 8 bits

Con la aparición de aplicaciones más complejas para el microprocesador y el gran éxito comercial del 4004, Intel decidió lanzar al mercado un nuevo microprocesador, el 8008, éste fue el primer microprocesador de 8 bits. Las características de este microprocesador fueron:

• Capacidad de direccionamiento de 16 Kb. 
• Memoria de 8 bits 
• Conjunto de 48 instrucciones

Las mejoras consistieron en un conjunto más grande de instrucciones, mayor capacidad de direccionamiento y una mayor velocidad de procesamiento.

2.3.- Microprocesadores de 8086 ( 1978)

Diseñado para trabajar con lenguajes de alto nivel, disponiendo de un soporte hardware con el que los programas escritos en dicho lenguajes ocupan un pequeño espacio de código y pueden ejecutarse a gran velocidad.

Características: 

• El 8086 dispone de instrucciones especiales para el tratamiento de cadenas de caracteres.
• Los registros de del 8086 tienen una misión específica, por lo que se podría decir que cada uno de ellos tiene su propia personalidad, aunque varios comparten tareas comunes.
• El encapsulado del 8086 está formado por 40 pastillas, simplificando así el hardware, aunque por el contrario, es necesaria la multiplicación del bus de datos con el de direcciones.
• El 8086 dispone de un conjunto de registros, denominados “COLA DE INSTRUCCIONES”.
• Las 20 líneas del bus de direcciones solo permiten direcciones de memoria de 1 Megabyte.
• El 8086 requiere una señal de reloj externo, siendo 5 y 8 MHz las frecuencias típicas de funcionamiento.
• El 8086 dispone de una arquitectura “PIPE LINE”.

VELOCIDAD

La frecuencia del reloj se sitúa entre 4,77 MHz y 10 MHz.

COPROCESADOR NUMÉRICO

El 8086 no tenía ninguna instrucción de coma flotante y para realizar operaciones con números reales se requerían bibliotecas con rutinas de software con coma flotante.

MODOS DE DIRECCIONAMIENTO DEL 8086

Estos procesadores tienen 17 modos de direccionamiento (una cantidad bastante grande que los microprocesadores anteriores) o reglas para localizar un operando de instrucción. 

Tres de ellos son comunes a microprocesadores anteriores:

•  Direccionamiento inmediato
•  Direccionamiento de registro
•  Direccionamiento inherente

Todo esto genera los 24 modos de direccionamiento a memoria que se ven a continuación:

2.4.- Microprocesadores de 8088 ( 1979)

Externamente, el chip 8088 solo usaba un formato de 8 bits para su bus de datos. Pero internamente, trabaja con 16 bits, como el procesador 8086.

 La CPU 8086/8088 fue equipada con un bus de direcciones de 20 bits, que permitía seleccionar 2 elevado a la 20 ubicaciones de memoria en forma directa, equivalente a 1 MB (1,048,576 bytes), lo que definía el límite físico de la memoria de este procesador. En sus inicios, en sus inicios funcionaba a una frecuencia de reloj impresionante de 4.77MHz. 

2.5.- Microprocesadores  80286 ( 1982)

El 1 de Febrero de 1982, Intel daba un nuevo vuelco a la industria con la aparición de los primeros 80286 (el famoso ordenador "286") con una velocidad entre 6 y 25 Mhz y un diseño mucho más cercano a los actuales microprocesadores. El 286 tiene el honor de ser el primer microprocesador usado para crear ordenadores clones en masa. Gracias al sistema de “licencias cruzadas”, aparece en el mercado el primer fabricante de clónicos “IBM compatible”.

Soporte de nuevas capacidades, como la multitarea (ejecución simultánea de varios programas), lo que requiere que los programas no "choquen" entre sí, alterando uno los datos o las instrucciones de otros programas.

El 80286 contiene 134.000 transistores dentro de su estructura (360% más que el 8086).

El microprocesador 80286 ha añadido un nuevo nivel de satisfacción a la arquitectura básica del 8086, incluyendo una gestión de memoria con la extensión natural de las capacidades de direccionamiento del procesador.

2.6.- Microprocesadores  80386 ( 1985)

El 16 de octubre de 1985 Intel lanza el i80386, con arquitectura de x86. Fue empleado como la unidad central de proceso de muchos computadores personales desde mediados de los años 80 hasta principios de los 90.

También conocido como 386, con una velocidad de reloj entre 16 y 40 Mhz. Este producto se destacó principalmente por ser un microprocesador con arquitectura de 32 bits.

La primera empresa en realizar una computadora compatible con IBM PC AT basada en el 80386. fue Compaq con su Compaq Deskpro 386 al año siguiente

2.7.- Microprocesadores  80386 SX( 1988)

Para facilitar la transición entre las computadoras de 16 bits basadas en el 80286, apareció en junio de 1988 el 80386 SX con bus de datos de 16 bits y 24 bits de direcciones (al igual que en el caso del 80286). Este microprocesador permitió el armado de computadoras en forma económica que pudieran correr programas de 32 bits. El 80386 original se le cambió de nombre: 80386 DX

2.8.- Microprocesadores  80486 ( 1989)

Este microprocesador es básicamente un 80386 con el agregado de una unidad de punto flotante compatible con el 80387 y un caché de memoria de 8 KBytes. 

Por lo tanto los bloques que componen el 80486 son los siguientes:

• Unidad de ejecución: Incluye los registros de uso general de 32 bits, la unidad lógico-matemática y un barrelshifter de 64 bits. 

• Unidad de segmentación: Incluye los registros de segmento, los cachés de información de descriptores y la lógica de protección. 

• Unidad de paginación: Es la encargada de traducir las direcciones lineales (generadas por la unidad anterior) en direcciones físicas

• Unidad de caché: La evolución de las memorias hizo que el tiempo de acceso de las mismas decrecieran lentamente, mientras que la velocidad de los microprocesadores aumentaba exponencialmente.

• Interfaz con el bus: Incluye los manejadores del bus de direcciones (con salidas de A31-A2 y BE0# a BE3# (mediante esto último cada byte del bus de datos se habilita por separado)), bus de datos de 32 bits y bus de control.

• Unidad de instrucciones: Incluye la unidad de pre-búsqueda que le pide los bytes de instrucciones al caché (ambos se comunican mediante un bus interno de 128 bits), una cola de instrucciones de 32 bytes, la unidad de decodificación, la unidad de control, y la ROM de control (que indica lo que deben hacer las instrucciones).

• Unidad de punto flotante: Incluye ocho registros de punto flotante de 80 bits y la lógica necesaria para realizar operaciones básicas, raíz cuadrada y trascendentes de punto flotante. 

Unidad de caché

Estos procesadores tienen un caché interno que almacena 8KB de instrucciones y datos excepto el DX4 y el Write-back enhanced DX4 que tienen 16KB de caché interno. El caché aumenta el rendimiento del sistema ya que las lecturas se realizan más rápido desde el caché que desde la memoria externa. Esto también reduce el uso del bus externo por parte del procesador. 

Funcionamiento

En el caso del 80486, cada unidad de memoria son 16 bytes. Esta cantidad es una línea del caché. Las líneas pueden ser válidas (cuando contienen datos de la memoria principal) o inválidas (en este caso la línea no contiene información útil). Como el caché se llena por líneas completas (comenzando por direcciones múltiplos de 16), hay que tratar de no leer posiciones aleatorias de la memoria, ya que en este caso, si se leen bytes en posiciones alejadas unas de otras, el procesador usará cuatro ciclos de bus para leer 16 bytes (para llenar una línea) por cada byte que deseamos leer. Esto no es problema para el código o la pila (stack) ya que éstos se acceden generalmente de manera secuencial.

2.9.- Microprocesadores 80586 -PENTIUM ( 1992-1993)

El 22 de marzo del 1993 ve la luz por primera vez el “Pentium”, también conocido por nombre clave P54C. Estos procesadores partían de una velocidad inicial de 60 MHz, llegando a los 200 MHz, algo que nadie había sido capaz de augurar unos años antes.

Con velocidades iniciales de 60 y 66 MHz (112 millones de instrucciones por segundo en el último caso), 3.100.000 transistores (fabricado con el proceso BICMOS (Bipolar-CMOS) de 0,8 micrones), caché interno de 8 KB para datos y 8 KB para instrucciones, verificación interna de paridad para asegurar la ejecución correcta de las instrucciones, una unidad de punto flotante mejorada, bus de datos de 64 bit para una comunicación más rápida con la memoria externa y, lo más importante, permite la ejecución de dos instrucciones simultáneamente.

 El chip se empaqueta en formato PGA (Pin Grid Array) de 273 pines.

Vías de acceso múltiples

Lo que comenzó con la técnica del 386/486 de tener vías de acceso múltiples para la ejecución de instrucciones, se ve refinado en el Pentium ya que tiene un diseño con doble vía de acceso. 

Dependencias de procedimiento

Puede ocurrir un problema potencial con la ejecución debido a las muchas trayectorias que la secuencia de una instrucción puede tomar. La predicción de la trayectoria a tomar es el método que debe usarse aquí. 

Ejecución de punto flotante en el Pentium

Se ha reconstruido por completo la unidad de punto flotante (FPU), a partir de la de los 386 y 486 y ahora tiene algunas de las características de los RISC. Hay ocho etapas de vía y las cinco primeras se comparten con la unidad de enteros. 

Ahorro de energía

El Pentium usa un modo de administración de sistema (SMM) similar al que usa el 486 SL, que permite que los ingenieros diseñen un sistema con bajo consumo. La interrupción de administración del sistema activa el SMM por debajo del nivel del sistema operativo o de la aplicación.