UNIVERSIDAD PANAMERICANATALLER 3

ARQUITECTURA DE COMPUTADORES

25/02/15Ing. Aireth Amaya V.

EL PROCESADOR

El procesador (o también llamado microprocesador) consiste en el circuito integrado más potente conformado por millones de componentes electrónicos que constituye el centro de un sistema informático; se le suele llamar el «cerebro» de un computador. El procesador constituye la CPU (Central Processing Unit o Unidad Central de Procesamiento) de un computador y es el encargado de permitir el procesamiento de información numérica, ingresada en formato binario, así como la interpretación y ejecución de instrucciones almacenadas en la memoria programadas en lenguaje de bajo nivel, realizando operaciones aritméticas y lógicas simples, para la ejecución de los diferentes programas, desde el sistema operativo hasta las aplicaciones de usuario. El procesador funciona a la velocidad de un reloj interno gracias a un cristal de cuarzo que sometido a una corriente eléctrica, envía pulsos, denominados "picos". La velocidad de reloj (denominada ciclo), corresponde al número de pulsos por segundo, expresados en Hertz (Hz). De este modo, un ordenador de 200 MHz posee un reloj que envía 200.000.000 pulsos por segundo. Por lo general, la frecuencia de reloj es un múltiplo de la frecuencia del sistema FSB (Front-Side Bus o Bus de la Parte Frontal), es decir, un múltiplo de la frecuencia de la placa madre. Con cada ciclo de reloj, el procesador ejecuta una acción que corresponde a su vez a una instrucción o bien a una parte de ella. La medida CPI (Cycles Per Instruction o Ciclos por Instrucción) representa el número promedio de ciclos de reloj necesarios para que el procesador ejecute una instrucción. En consecuencia, la potencia del procesador puede caracterizarse por el número de instrucciones por segundo que es capaz de procesar. Los MIPS (millions of instructions per second o millones de instrucciones por segundo) son las unidades que se utilizan, y corresponden a la frecuencia del procesador dividida por el número de CPI. Los procesadores actuales pueden alcanzar los 4GHz (4000.000.000),

(aunque no porque un procesador tenga más o menos gigahercios será más o menos rápido que otros ya que influyen otros factores). La medición del rendimiento de un microprocesador es una tarea compleja, dado que existen diferentes tipos de "cargas" que pueden ser procesadas con diferente efectividad por procesadores de la misma gama. Una métrica del rendimiento es la frecuencia de reloj que permite comparar procesadores con núcleos de la misma familia, siendo este un indicador muy limitado dada la gran variedad de diseños con los cuales se comercializan los procesadores de una misma marca y referencia. Un sistema informático de alto rendimiento puede estar equipado con varios microprocesadores trabajando en paralelo, y un microprocesador puede, a su vez, estar constituido por varios núcleos físicos o lógicos. Un núcleo físico se refiere a una porción interna del microprocesador cuasi-independiente que realiza todas las actividades de una CPU solitaria, un núcleo lógico es la simulación de un núcleo físico a fin de repartir de manera más eficiente el procesamiento. Existe una tendencia de integrar el mayor número de elementos dentro del propio procesador, aumentando así la eficiencia energética y la miniaturización. Entre los elementos integrados están las unidades de punto flotante, controladores de la memoria RAM, controladores de buses y procesadores dedicados de video. La acción básica de cualquier procesador, en tanto se mueve a través de la corriente de instrucciones, se puede descomponer en una serie de cuatro pasos simples, que cada instrucción en la corriente de código debe atravesar para ser ejecutada: 1. Fetch: trae la instrucción que se va a ejecutar, de la dirección

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almacenada en el contador de programa. 2. Decode: almacena la instrucción en el registro de instrucciones y la descifra, incrementando la dirección en el contador de programa 3. Execute: Ejecuta la instrucción almacenada en el registro de instrucciones. 4. Write: Escribe los resultados de esa instrucción. El procesador está constituido, esencialmente, por registros, cache, unidad de control, una unidad aritmética lógica (ALU), una unidad de cálculo en coma flotante (conocida antiguamente como «co-procesador matemático») y una unidad de administración del bus (entrada/salida). •

Unidad de Control: Es la encargada de activar o desactivar los diversos componentes del procesador en función de la instrucción que se esté ejecutando y de la etapa de dicha instrucción. La unidad de control (UC) interpreta y ejecuta las instrucciones almacenadas en la memoria principal y genera las señales de control necesarias para ejecutarlas. • Unidad Aritmética y Lógica: Es la que se encarga de realizar todas las operaciones que transforman los datos, en especial operaciones matemáticas como la suma y la resta y tomar decisiones lógicas. • Unidad de coma Flotante: FPU (Floating Point Unit), llamado también coprocesador matemático, se encarga de la realización de operaciones de coma flotante, así como de la división de enteros, operaciones como raíz cuadrada, y la implementación de funciones trascendentes como cálculo del seno, coseno, tangente, arcotangente, logaritmos y exponenciación.

• Registros: Son un conjunto de áreas de dimensiones mínimas de almacenamiento de forma temporal, para la ejecución de las instrucciones, tienen la ventaja de ser extremadamente rápidos, los registros son como mínimo 10 veces más veloces que los accesos a RAM. Los registros

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incluyen: el registro contador (indica qué instrucción sigue), el registro de instrucción (tiene la instrucción que se está ejecutando), el registro acumulador (donde se guardan resultados intermedios) y el registro de estado (que guarda avisos: si el resultado es cero, si es negativo, etc. • Caché: Es un área de trabajo donde se almacenan grupos de datos que se usan muy frecuentemente por el procesador evitando así tener que pedirlos a la memoria principal, este cache se comunica directamente con la memoria principal, evitando el bus general lo que la hace más rápida. Existen varios niveles de caché: L1: En este nivel la memoria está integrada en el microprocesador y funciona a la misma velocidad que este. L2 y L3: se suelen conectar al procesador mediante el BUS trasero, que es más rápido que el frontal, pueden estar en el propio procesador o en chips separados, colocados en la placa base. • Unidad de administración de Bus: es el encargado de gestionar las conexiones del procesador con todos los demás dispositivos de la placa base para que funcionen de forma exacta y sincronizada. Es tan importante la velocidad a la que funciona ya que sin una buena velocidad no será capaz de mantener bajo control sin esfuerzo todos los dispositivos conectados a la placa base. El bus de direcciones determina el tamaño máximo que el procesador es capaz de manejar. A partir del intel 80386 este era de 32 bits por lo que manejaba 2^32 posiciones de memoria, lo que se traducía a 4GB. Actualmente modelos como los Athlon de AMD manejan buses de 40 bits que le permiten llegar a 1TB. El bus de datos es el que comunica al procesador con la memoria para intercambio de información a procesar o procesada. El habitual es de 64 bits, aún en micros de 32. El procesador se conecta al sistema mediante un zócalo específico de la placa base de la computadora; normalmente para su correcto y estable funcionamiento, se le incorpora un sistema de refrigeración que consta de un disipador de calor fabricado en algún material de alta conductividad térmica, como cobre o aluminio, y de uno o más ventiladores que eliminan el exceso del calor absorbido por el disipador. Entre el ventilador y la cápsula del microprocesador usualmente se coloca pasta térmica para mejorar la conductividad del calor. Existen otros métodos más eficaces, como la refrigeración líquida o el uso de células peltier para refrigeración extrema. • Refrigeración por Aire: Básicamente consiste en dejar nuestro procesador o, todo el pc al aire libre.Sirve para incrementar la superficie de contacto con el aire para maximizar el calor que éste es capaz de retirar. • Refrigeración pasiva por aire: Las principales ventajas de la disipación pasiva son: su simplicidad (pues se trata básicamente de un gran pedazo de metal), su durabilidad (pues carece de piezas móviles) y su bajo costo. Además no producen ruido. Lo malo es que no son capaces de dispersar grandes cantidades de calor rápidamente. • Watercooling: Consiste en refrigerar el sistema con la ayuda de agua. Bombeando agua alrededor de un procesador es posible remover grandes cantidades de calor de éste en poco tiempo, para luego ser disipado por un radiador ubicado en algún lugar dentro (o fuera) del computador. La principal ventaja de la refrigeración líquida, es su habilidad para enfriar incluso los componentes más calientes de un pc. • Refrigeración por heat pipe: El heat pipe es un tubo con alta conductividad usado como disipador de calor. Consiste en un tubo cerrado por ambos extremos en cuyo interior hay un fluido a una presión adecuada para que se evapore y condense en un rango determinado de temperatura.Al aplicarle calor en un extremo se evapora el líquido de ese extremo y se desplaza al otro lado, ligeramente más frío, condensándose y transfiriéndole el calor. • Criogenia: Es uno de los más raros, carísimos pero super eficaces. Consiste en enfriar el procesador simplemente con nitrógeno líquido o hielo seco. Sin embargo, la muerte de nuestro procesador se acelera debido a los frecuentes cambios de temperatura .La criogenia es utilizada

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en casos extremos de overclocking y sólo por cortos periodos de tiempo. El overclock consiste en subir la frecuencia de reloj del procesador (también esta técnica se puede hacer sobre tarjetas gráficas), mejorando el rendimiento del procesador. Este aumento de velocidad produce un mayor gasto energético, y por tanto, una mayor producción de calor en el componente. Para combatir el calor se debe tener una buena refrigeración. /!\ No realice overclocking a menos que sepa lo que hace, cualquier fallo puede dejar irreparable el procesador y/o cualquier otro componente /!\

Socket 775: Es característico de Intel y, tiene como su nombre indica 775 contactos. Un procesador perteneciente al socket 775 es el Intel Core 2 Duo E 7600. ¸ Socket 1156: Es característico de Intel y tiene 1156 contactos. Un ejemplo de procesador que encaje en el socket 1156 es el i7-860. ¸ Socket 1366: Es característico de Intel y tiene 1366 contactos. Un ejemplo de procesador apto para este socket es el i7 980X ¸ AM2+: Es característico de AMD y tiene 940 contactos. Un procesador apto para este socket es el AMD Phenom X3 8250e ¸ AM3: Es característico de AMD y también tiene 940 contactos. Un procesador apto para este socket es el AMD Phenom x4 955 IV.

TALLER

1. Con sus propias palabras diga que es un procesador 2. Cuáles son las funciones básicas de un procesador 3. Haga un diagrama de bloques de la estructura interna del procesador, e indique cuáles son

sus partes y explique su función4. Explique a que hace referencia el término “Hertz” en un procesador5. Que es overclocking6. Consulte en qué consisten los diferentes niveles de cache del procesador y explique las

características y función de cada uno