El MICROPROCESADOR

2 El MICROPROCESADOR (μP)
2.1 Un poco de historia.
El primer microprocesador (μP) integrado nació en 1971 de la mano de la Intel
y se llamó 4004. Este microprocesador no era de propósito general, como los
actuales, sino que se diseñó para ser el cerebro de una calculadora. Disponía
de un bus de datos de sólo 4 bits y únicamente podía gestionar 4,5 bytes de
memoria externa y contaba con un juego de 45 instrucciones. Un año más
tarde Intel lanzó el 8008, que con su bus de datos de 8 bits, constaba de un
juego de 66 instrucciones y podía gestionar hasta 16 KB de memoria. Dos años
después aparece el 8080, que puede ser considerado el primer μP serio.
Contaba con un bus de datos de 8 bits y un bus de direcciones de 16 bits, con
lo que era capaz de gestionar hasta 64 KB, un valor muy elevado para la
época. Su juego de instrucciones contaba con 111 instrucciones lo que hacía
que este μP se considerase de propósito general y no para aplicaciones
concretas como los anteriores.
En la siguiente tabla se citan los primeros microprocesadores y algunas
de sus características.

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Tabla 2-1. Características de los primeros microprocesadores
2.1.1 Llegaron los 16 Bits.
Hasta 1978 no aparecieron los primeros μP con buses de datos de 16 bits. Los
primeros micros de 16 bits que aparecieron fueron el 8086 de Intel y el Z8000
de Zilog. También existieron otras empresas con nuevos micros de 16 bits,
como National, Texas Instruments y Motorola con su 68000. De entre todos los
microprocesadores de 16 bits, los que más populares se hicieron fueron los
i8086 y los M68000. Los primeros dieron lugar a los populares PC y los
segundos fueron utilizados por ordenadores que también fueron muy conocidos
o los Atari y los Apple, como el Macintosh.
Entre las principales
características de los μP de 16 bits,
cuentan su bus de datos de 16 bits, un
mayor número de líneas en el bus de
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Ilustración 2.1. 80286
direcciones, 20 líneas el i8086 (1MB) y 24 líneas los M68000 (16 MB). El i8086
estaba constituido por 29.000 transistores y trabajaba a una frecuencia de 4,7
MHz alimentándose a 5 voltios. Dado que en esa época casi todos los
dispositivos periféricos trabajaban con buses de datos de 8bits, Intel desarrolló
en 1979 el i8088 que internamente era una copia del i8086 trabajando con un
bus interno de 16 bits, pero en el exterior sólo presentaba ocho líneas de datos,
lo que le permitía compatibilidad total con todos los dispositivos periféricos de 8
bits.
2.1.2 La familia i80XXX de Intel.
Poco a poco fueron apareciendo nuevos microprocesadores de Intel con
nuevas características y mejoras de las que ya tenían. En la siguiente tabla se
especifican algunas de las mejoras desarrolladas en los microprocesadores de
Intel anteriores al Pentium que se estudiará con mas detalle posteriormente:

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Tabla 2-2. Familia de microprocesadores de Intel hasta el 486.
2.1.3 Cisc y Risc.
Una de las premisas que siempre han tenido los fabricantes de
microprocesadores a la hora de crear sus productos ha sido que el juego de
instrucciones facilite al máximo la tarea de los programadores, y por eso, se
comenzaron a fabricar microprocesadores con un amplio juego de
instrucciones, algunas de ellas bastante complejas y con varios operandos.
Este Juego de instrucciones CISC (Complicated Instruction Set Computing) o
complicado juego de instrucciones, permitía a los programadores realizar
menos código en sus programas, pero a cambio, cada instrucción necesitaba
de varios ciclos de reloj para ejecutarse y tanto la decodificación como la
secuenciación eran complicadas, de ahí que, en aplicaciones que necesitaran
mucha velocidad de ejecución no fueran efectivos. Por este motivo, los
fabricantes de microprocesadores se replantearon la filosofía del juego de
instrucciones, creando la nueva estructura RISC (Reduced Instruction Set
Computing) o reducido juego de instrucciones, basada en los siguientes
criterios de funcionamiento:
• Cada instrucción se ejecuta en un solo ciclo de Reloj.
• Juego de instrucciones reducido.
• El formato de las instrucciones es sencillo e igual para todas las
instrucciones. Esto facilita considerablemente el diseño de la unidad
de control.
• Decodificadores y secuenciadores sencillos.
• Sólo se accede a la memoria externa para recoger o depositar datos,
el resto se realiza con los registros internos.
• Las operaciones más complejas se generan a partir de algoritmos,
por ejemplo, la multiplicación de dos números es una instrucción que
no implementan, pero los ordenadores son capaces de multiplicar
utilizando el algoritmo de sumar el multiplicando tantas veces como
indique el multiplicador.
La ventaja de un procesador RISC es la sencillez de la circuitería, que
permite que la ejecución de una instrucción sea mucho más rápida que en un
CISC.
2.2 Otras Características.
Antes de continuar con los microprocesadores actuales, aclararemos algunas
características de los μP que ya han aparecido anteriormente e incluiremos
algunas nuevas que se verán más adelante.
2.2.1 Bus de datos.
El bus de datos representa al dato más grande que es capaz de procesar el μP
en una sola operación. En realidad no es el bus de datos quien determina esta
capacidad, sino el tamaño de los registros internos del μP. Lo que sucede es
que internamente el bus de datos tiene el mismo número de líneas que el
registro mayor de datos, sin embargo, en el exterior el bus de datos puede ser
mayor o menor que dicho bus. Los microprocesadores actuales, duplican
(dual-pumped) e incluso cuadruplican (quad-pumped) el número de líneas de
datos en el exterior para poder manejar los módulos de memoria con mayor
rango de datos admitidos. Por ejemplo, un Pentium IV utiliza unos registros y
buses de datos internos de 32 bits, sin embargo, su bus de datos externo es de
128 bits que está preparado para ser utilizado con las memorias DDR actuales
(se estudiarán en el tema 3) que son de 128 bits. Así las cosas, cada vez que
escribe un dato en memoria, realmente está escribiendo cuatro datos internos
del μP y cuando lee un dato de la memoria, realmente está leyendo cuatro
datos. De este modo se duplica o cuadruplica la velocidad real del bus de datos
hablándose de los buses 2X (dual-pumped) y 4X (quad-pumped). Un
microprocesador con un bus de datos de 200 MHz reales y 128 bits tendrá una
velocidad efectiva de 800 MHz.
Por tanto, cuando se dice que un micro tiene un bus de datos de 32 bits,
se refiere a que su bus de datos internos es de 32 bits, independientemente del
tamaño del bus externo de datos. De este modo, un micro de 8 bits es capaz
de trabajar con números que van del 0 al 255, es decir, 256 números o lo que
es lo mismo 28. Un μP de 16 bits manejará números entre el 0 y el 65535 y uno
de 32 dispondrá de 4.294.967.296 números, que ya es un valor muy
considerable. Actualmente se fabrican microprocesadores con buses de 64
Bits.
Los nuevos μP de 64 bits de AMD (American Micro Device), utilizan un
bus interno de 64 bits y un bus externo de datos de 128 bits.
2.2.2 Bus de direcciones.
Este bus nos indica la memoria máxima que podemos direccionar. Un μP con
16 líneas de direcciones es capaz de direccionar 216 = 65.536 direcciones de
memoria, o lo que es lo mismo, 64 KBytes. El 8086 con sus 20 líneas de
direcciones era capaz de manejar 220 = 1024 * 1024 = 1.048.576 o lo que es lo
mismo, 1 MByte de memoria. Los actuales μP como los Pentium tienen 32
líneas de direcciones y, por tanto, son capaces de direccionar hasta 232 = 4
GBytes. Actualmente la mayoría de los chipset y microprocesadores destinados
al mercado de PC portátiles y de sobremesa soportan 1GB de memoria y los
de categoría profesional, como los utilizados en servidores, ya manejan los 4
GB, por lo que los micros de 32 bits de direcciones han alcanzado techo.
En los nuevos diseños de 64 bits de AMD (American Micro Device),
como el Athlon 64 FX, el bus de direcciones es de 64 bits, pero actualmente
sólo utiliza 40 líneas para direccionar memoria física, lo que implica poder
direccionar 240 posiciones de memoria, 256 veces más que con un bus de 32
bits. Sin embargo, los μP basados en la plataforma AMD64 (AMD de 64 bits),
podrán disponer en un futuro de un espacio de direccionamiento de memoria
virtual de 64 bits, de los cuales, 52 bits están preparados para direccionar
memoria física, pero esto ahora es hablar de futuro, aunque quizás no muy
lejano.
2.2.3 Frecuencia.
El funcionamiento de todos los μP va íntimamente ligado a una señal de reloj
(CPU Clock) que sincroniza todas las acciones del procesador. Cada
instrucción en un procesador CISC utiliza un número entero de ciclos de reloj
para su ejecución, pudiendo ser 1, 2, 3 o más ciclos, mientras que un
procesador RISC, utiliza un ciclo completo de reloj para ejecutar una
instrucción. En los procesadores actuales, como veremos más adelante,
mientras que una instrucción está en ejecución, otra u otras están ya siendo
preparadas para ser ejecutadas, lo que permite que el número de ciclos de reloj
de ejecución de una instrucción sea menor, o lo que es lo mismo, que en un
ciclo de reloj se ejecuten varias instrucciones. La frecuencia de los μP es la
inversa de este periodo de reloj (f=1/T) y, por tanto, nos indica de algún modo,
cuál es la velocidad de ejecución de las instrucciones en el interior del μP. No
confundir este parámetro con los MIPS (mega instrucciones por segundo), este
parámetro determina el número de instrucciones que es capaz de ejecutar un
cierto μP en un segundo y depende de muchos factores, no sólo de la
frecuencia del μP, también influyen, la memoria caché, la memoria RAM, la
velocidad del bus del sistema y el chipset.
A partir del i486, la tecnología permitió aumentar la velocidad interna del
micro más rápidamente que la velocidad de las placas en las que iban
montados y así aparecieron los μP de frecuencia dual, es decir,
microprocesadores que trabajaban internamente a mayor frecuencia que en el
exterior. Los microprocesadores actuales, tanto de Intel, como de AMD o de
cualquier otro fabricante, utilizan esta técnica, de forma que hablaremos de dos
frecuencias distintas. La Frecuencia del Bus del Sistema (Front Side BUS
(FSB)), que se corresponde con la frecuencia de la placa madre y la
Frecuencia del Núcleo del Procesador, mucho más alta y que se
corresponde con la velocidad a la que trabajan los buses internos del
microprocesador. Por este motivo, actualmente encontramos μP cuyo Bus del
sistema (FSB) trabaja a 400, 533, 800 o 1066 MHz mientras que su Bus Interno
(Bus del núcleo del procesador) trabaja a 1,3, 1,5, 2, 2,6, 3, 3,4 o hasta los 5
GHz, que se presenta hoy en día como barrera a superar por los fabricantes de
microprocesadores. Para que no haya problemas en los accesos al exterior, la
frecuencia interna debe ser un múltiplo de la externa, siendo los valores más
utilizados: 1,5, 2, 2,5, 3, 3,25, 3,5, 4, 4,5 y 5. Por ejemplo, un microprocesador
que trabaje con una frecuencia interna de 1,3GHz y una externa de 400MHz
utilizará un factor de multiplicación de 1300/400 = 3,25 y uno cuya frecuencia
interna sea de 3,2 GHz y su frecuencia externa de 800 MHz, utilizará un factor
de multiplicación de 3200/800 = 4.
Por otra parte, debido a que los microprocesadores de Intel se
consideran, no de forma oficial pero si oficiosa, como el estándar de los
microprocesadores para PC y cualquier otro microprocesador del mercado es
siempre comparado con éstos, fabricantes como AMD distinguen en sus
procesadores entre la frecuencia real del microprocesador y la frecuencia
efectiva, que se distingue por que viene seguida de un signo +, por ejemplo:
2200+. La frecuencia real es la que ciertamente utilizan sus buses internos y la
efectiva es la resultante de compara dicho procesador con los de Intel.
Curiosamente, debido a la arquitectura muy mejorada de AMD, la frecuencia
efectiva es mucho mayor que la real, llegando a aumentar ésta hasta en un
50%. Así las cosas, un procesador de AMD marcado como Athlon 1800/2200+
sería equivalente, en cuanto a velocidad de proceso, a un Pentium IV de 2200
MHz, pero su velocidad real sería de 1800 MHz.

2.2.4 Voltaje de alimentación y tecnología de fabricación.
Los primeros μP y dispositivos periféricos utilizaban tecnología TTL y, por
tanto, su tensión de alimentación era de 5V. Cuando los niveles de integración
aumentaron, los transistores TTL disipaban mucha potencia (se calentaban
demasiado) y hubo que cambiar a tecnologías de menor consumo que
permitieran mayores niveles de integración, utilizándose así transistores CMOS
en su construcción. En un principio, para mantener compatibilidad con los
dispositivos antiguos, se mantuvo como tensión de alimentación los 5 voltios,
pero al superar el millón de transistores, los fabricantes de μP tuvieron que
plantearse reducir esta tensión a valores de 3,5 voltios e inferiores para reducir
el calentamiento. Todo esto ha supuesto que los fabricantes utilicen también
dos tensiones para alimentar los μP, una para los buses externos que suele ser
de 3,5 voltios, compatible con la circuitería de la placa madre, y otra bastante
inferior para el núcleo del procesador denominada Vcore y que oscila entre 1 y
2 voltios. Actualmente son valores típicos: 1,4, 1,5 y 1,75 voltios.
Cuando hablamos de tecnología de fabricación en realidad estamos
hablando del nivel de integración de transistores en un chip pero, en lugar de
indicar el número de transistores que se integran por centímetro o pulgada
cuadrada, lo que se indica es el tamaño del transistor (realmente de la puerta
del transistor CMOS integrado). Este dato aparece en micras (μm = micra = 10-
6 m) o nanómetros (nanómetros = 10-9 m). Los μP actuales poseen un nivel de
integración muy superior al de los primeros Pentium, rebasando ampliamente
los 100.000.000 de transistores y las frecuencias de trabajo superan ya
ampliamente los 3GB, lo que hace que la tecnología de fabricación haya tenido
que mejorar sustancialmente. Los primeros transistores que se integraban en
un μP tenían dimensiones próximas a las micras (millonésima parte del metro
(μm)), llegándose hasta las 0,25 μm, en los primeros Pentium IV y AMD Athlon,
por lo que se comparaban con el diámetro de un cabello humano. En la
actualidad, las tecnologías más utilizadas son de 0,18 y 0,13 μm, pero ya está
desarrollada por Intel y AMD la tecnología de 0,09 μm, o lo que es lo mismo
90nm, permitiendo integrar más de 150.000.000 de transistores en tan solo 110
mm2 que es el tamaño aproximado de un Pentium IV de última generación. En
este caso, la comparativa de un transistor con un cabello humano queda
anticuada, debiendo compararla con el tamaño de un microorganismo de los
más pequeños como puede ser un virus y, de seguir así, pronto llegaremos al
tamaño de una cadena de ADN.
2.2.5 MMX, 3DNow¡, SSE y Multimedia.
Con el nombre MMX (MultiMedia eXtensions) se designa a un conjunto de 57
instrucciones que aceleran el funcionamiento de los gráficos, audio y vídeo,
aumentando por tanto el rendimiento de todas las aplicaciones multimedia.
Están basados en una tecnología llamada SIMD (Singel Instruction Múltiple
Data o Instrucción única de datos múltiples). Los μP MMX disponen, por tanto,
de un juego de 57 instrucciones adicionales y específicas para trabajos
multimedia, que operan en paralelo, es decir, que procesan datos diferentes al
mismo tiempo. El problema que presenta esta arquitectura es que bloquea el
uso del coprocesador matemático al utilizar sus registros de coma flotante, ya
que la CPU no incorpora registros propios para este juego de instrucciones. La
mejora que puede apreciarse en programas que utilizan esta nueva
arquitectura viene a ser de un 60% en aplicaciones multimedia.
La tecnología MMX mejora la compresión/descompresión de vídeo,
manipulación de imágenes, criptografía y el procesamiento I/O. Todas estas
técnicas se utilizan, hoy por hoy, en múltiples aplicaciones de las suites de
oficina, artes gráficas, comunicaciones e Internet.
Los microprocesadores antiguos de AMD incorporaron un nuevo juego
mejorado, pero compatible con las MMX, este es el caso del K6-2, que
implementó su juego de instrucciones 3DNow¡ en el que amplió 24 nuevas
instrucciones para la gestión de gráficos , 3D, vídeo y sonido. Intel también
desarrolló posteriormente un nuevo juego de instrucciones, denominado
MMX2, en el cual añadió 70 nuevas instrucciones a las ya existentes en los
MMX. La diferencia con MMX es que, mientras esta extensión sólo acepta
números enteros, MMX2 actúa sobre números en coma flotante, es decir,
decimales o fracciones de varias cifras. Las instrucciones 3DNow¡ no son
compatibles con MMX2.
La tecnología SSE (Streaming SIMD Extensions) no es más que otra
nueva implementación de la tecnología SIMD, en la que también está basada la
tecnología MMX y viene a complementar a este juego de instrucciones
multimedia proporcionando mayor potencia de trabajo en Internet y entornos
multimedia. Actualmente hay 3 versiones denominadas SSE, SSE2 y SSE3.
SSE: Incorpora 62 instrucciones dedicadas fundamentalmente a la
representación de imágenes 3D, audio, vídeo y reconocimiento de
voz.
SSE2: Incluye 69 instrucciones a las 62 del repertorio SSE, que
mejoran la capacidad de computación y compatibilidad con tipos de
datos mayores, por ejemplo, números de coma flotante de doble
precisión y números enteros en paquetes de 64 bits.
SSE3: Incorpora 13 nuevas instrucciones a las 131 ya existentes
que optimiza la utilización de Internet, así como aplicaciones de
audio, vídeo, criptografía e imágenes. También incluye instrucciones
para coma flotante de doble precisión, de carga y movimiento de
datos de 128 bits y de sincronización, mejorando la administración de
la memoria RAM y caché del sistema.
Es imprescindible que se utilicen interfaces API, que hagan uso de las
instrucciones SSE/2/3, para que los programas se beneficien de las
capacidades de estos juegos de instrucciones. Por tal motivo, deberemos tener
instalado en el sistema controladores específicos para entornos gráficos como
son el DirectX8 o posterior de Microsoft y el Open GL 1.2 o posterior.
2.2.6 Otras tecnologías incorporadas en los microprocesadores
actuales.
En el intento de aumentar la cuota de mercado de sus microprocesadores, los
fabricantes no reparan en esfuerzos y gastos para desarrollar nuevas
tecnologías que distingan sus productos de los de la competencia. La mayoría
de estas nuevas tecnologías tienen una vida muy breve, al verse relegadas por
otras nuevas que mejoran sus características. Entre las últimas tecnologías
desarrolladas por fabricantes como Intel y AMD destacan las siguientes:
Tecnología de memoria ampliada Intel® 64 (Intel® EM64T):
Nombre clave Clackamas Technology. Es una mejora sobre la
arquitectura de 32 bits de Intel (IA-32), que incluye un nuevo modo de
funcionamiento denominado IA-32e y permite que procesadores con
esta nueva arquitectura puedan operar con software desarrollado
para 32 bits (compatibilidad IA-32) y con los futuros desarrollos de
Windows XP de 64 bits o con versiones LINUX y UNIX de 64 bits,
con direccionamientos de memoria de 64 bits. A grandes rasgos
podríamos decir que habilita al microprocesador con arquitectura IA-
32 para trabajar con sistemas operativos de 64 bits. Incluye dos submodos
de funcionamiento:
o Modo compatibilidad IA32. Mantiene compatibilidad con toda
la familia de microprocesadores anteriores de 16 y 32 bits.
o Modo de 64 bits. Permite trabajar con sistemas operativos y
aplicaciones de 64 bits. Amplía los registros de propósito
general de 32 a 64 bits (GPR) e incluye 8 nuevos GRP de 64
bits. Permite direccionar más de 64 GB de memoria física.
En la siguiente tabla se muestran algunas características de ambos
modos de funcionamiento.

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Tabla 2-3. Características de los sub-modos de funcionamiento de la arquitectura IA-32e.
Más información al respecto en
http://www.intel.com/
Intel NetBurst® Microarchitecture: Consistente en un conjunto de
mejoras realizadas sobre la arquitectura del núcleo del μP que
mejoran su funcionalidad. Entre las más significativas podemos
destacar:
o La Unidad Aritmético Lógica (ALU) trabaja al doble de la
velocidad del resto del núcleo del procesador. Por lo que las
operaciones básicas con números enteros se ejecutan en ½
ciclo de reloj en lugar de en un ciclo de reloj.
o Mejora la gestión de las caché de nivel 1 L1 y nivel 2 L2.
o Implementa la tecnología Hyper-Pipelined que incrementa el
número de etapas y mejora la gestión de las mismas.
o Mas información al respecto en
http://www.intel.com/
Intel Hyper-Threading Technology (HT Technology) que permite a
un único procesador la ejecución simultánea de varios hilos o tareas
de una misma aplicación de forma similar a como lo haría un sistema
multiprocesador, soportada actualmente sólo por los
microprocesadores de Intel con arquitectura IA32. Mas información al
respecto en
http://www.intel.com/
AMD HyperTransport™ technology. Tecnología desarrollada por
AMD, permite que la transmisión de datos en los buses internos del
procesador se realice en ambos sentidos al mismo tiempo (Full
Duplex), en lugar de la transmisión normal en la que el bus, o
transmite datos hacia el núcleo del microprocesador o desde él, pero
no las dos cosas al mismo tiempo (Half Duplex). Con este sistema,
los procesadores de AMD consiguen tasas de transferencia de datos
de hasta 14,4 GB/s, más del doble que en los Pentium IV de última
generación.

2.2.7 Memoria caché.
Con la aparición del i486 se incorporó en el μP la memoria caché, que en este
caso era sólo de 8KB. Esta memoria caché, incorporada en el interior del micro,
mejora mucho el rendimiento del sistema, puesto que en ella se almacenan los
segmentos de código que se van a ejecutar próximamente y los datos que se
van a utilizar.
En general, la memoria caché es de muy rápido acceso y, por su
pequeño tamaño, debe tener únicamente los datos o código de programa que
se prevé serán utilizados próximamente. Para mejorar su eficiencia se divide en
distintas capas o niveles, que se escalan a modo de cascada desde el núcleo
de la CPU hasta la propia placa madre aumentando progresivamente su
tamaño, por lo que hablaremos de memorias caché de nivel 1 o caché L1,
memorias caché de nivel 2 o caché L2 y, en algunos casos, de memoria caché
de nivel 3 o caché L3. Por otra parte, la de nivel 1 L1, suele dividirse en dos,
una para código y otra para datos, de este modo, una memoria caché L1 de
16KB normalmente utilizará 8 KB para código y otros 8KB para datos, la forma
de indicar esto sería 16 (8+8) KB. En el tema dedicado a las memorias
hablaremos con más detalle de esto.
2.3 El zócalo.
Como se comentó en el tema correspondiente a la placa madre, el zócalo es un
elemento muy importante, ya que está íntimamente ligado al microprocesador y
tiene que soportar aspectos tan esenciales como la velocidad del sistema,
además de tener la misma forma y número de patillas que el microprocesador.
El zócalo utilizado debe ir de acuerdo con el encapsulado del
microprocesador que se montará en él. Actualmente el encapsulado más
común es del tipo PGA (Pin Grid Array), aunque también se han utilizado otros
como el BGA (Ball Grid Array), construidos normalmente sobre una base o
soporte de material cerámico. Ambos consisten en una base o soporte
cuadrado en la que se disponen los contactos como una matriz de puntos
sobre una rejilla de 100 milésimas de pulgada (2,54 mm). La diferencia entre
ambos tipos de conector consiste en que, mientras que las PGA tienen los
contactos en forma de terminal para insertar en un zócalo, en el BGA los
contactos son unas bolitas diminutas que mediante presión se ajustan al zócalo
realizando el contacto eléctrico deseado.

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Ilustración 2.3. Detalle de los encapsulados PGA y BGA.
De estos modelos básicos derivan muchas otras denominaciones como
μPGA, μPGA2, μBGA, μPGA2, mPGA, FC-PGA, FC-PGA2, a las cuales también se les puede
unir un número que se corresponde con el número de pines o contactos del chip, por ejemplo,
FC-PGA2 478 o mPGA603. En cualquier caso, no son más que variaciones sobre el
encapsulado PGA o BGA.
Últimamente, los microprocesadores más modernos también utilizan
encapsulados del tipo LGA o FLGA (Fine Pitch Land Grid Array) , cuya matriz
de contactos están compuestos por una superficie metálica con forma circular,
como si fuera un circuito impreso en el que se apoyan los terminales que, en
este caso, están en el zócalo y no en el propio chip.

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Ilustración 2.4. Detalle de los encapsulados LGA.
La evolución del zócalo ha seguido íntimamente los pasos de los
microprocesadores, no quedando claro si el zócalo se diseña para un
microprocesador concreto o el microprocesador se diseña ya pensando en
aprovechar las ventajas de un zócalo determinado. Por este motivo podremos
encontrar una gran variedad de zócalos en los múltiples diseños de pacas
BGA
PGA
bases que se han desarrollado en la historia de los ordenadores. En
http://www.amd.com/usen/
assets/content_type/DownloadableAssets/02packagedesign_1.pdf podrás
encontrar más información sobre los encapsulados utilizados por AMD para sus
microprocesadores.
Por otra parte, tenemos que matizar que hay dos vertientes en cuanto a
la realización del soporte de la CPU que son los denominados Socket y los
Slots.
Los Sockets son zócalos multi-contacto de inserción nula ZIF (Zero
Insertion Force, fuerza de inserción nula), esto implica que disponen de
una palanca que libera o presiona los contactos de la CPU para poder
montarla o extraerla sin perjuicio para sus terminales, que son muy
delicados.
El Slots consiste en una tarjeta o cartucho normalmente del tipo S.E.C
(Single Edge Contact: Contacto por un solo lado o canto) que incluye el
microprocesador y, en muchos casos, la caché L2, de forma que
permite una velocidad de comunicación con la memoria caché superior
a la que podría establecer si ésta estuviera montada en la placa madre.
2.3.1 Zócalos antiguos.
Antes de comentar los zócalos que se utilizan actualmente daremos un repaso
rápido a los zócalos y slots antiguos que aun se pueden encontrar en muchos
ordenadores antiguos.

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Tabla 2-4. Zócalos utilizados en placas antiguas.
2.3.2 Zócalos actuales.
Las placas actuales han dejado prácticamente de utilizar el Slot en favor del
Socket que, en contra de lo previsto hace unos años, ganó la batalla en cuanto
a prestaciones y velocidad. La diferencia fundamental, entre los socket
antiguos como el Super7 o el S370 y los modernos como el S478 para
mPGA478, radica en la velocidad que alcanzan y el número de terminales o
“pines” de que constan (tamaño), que actualmente es muy elevado, mayor de
450 terminales.
2.3.2.1 Zócalos para Intel Pentium IV.
Los actuales microprocesadores Pentium IV de Intel se fabrican utilizando
tecnologías de 0,13 micras y 0,09 micras. Los primeros utilizan zócalos del tipo
socket para PGA, como el Socket 478, y los segundos del tipo LGA, como el
Socket T para LGA775. También los nuevos Intel Celeron de última generación
utilizan este tipo de zócalos según su tecnología de fabricación.
El S478 soporta velocidades del bus del sistema (FSB) de 800 MHZ,
mientras que el zócalo Socket T supera el GHz.
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2.3.2.2 Zócalos para Microprocesadores de AMD.
Existe también una gran variedad de Zócalos para los microprocesadores AMD
Athlon, de los cuales los más utilizados son:
Socket A: consistente en un zócalo del tipo PGA de 462 pines
(terminales), aunque actualmente se fabrica con 453 pines y alcanza
velocidades del bus del sistema FSB de 200MHz hasta 400 MHz.
Este zócalo es el utilizado por los siguientes micros: AMD Athlon,
AMD Athlon MP, AMD Athlon XP, AMD Sempron y AMD Duron.

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Ilustración 2.6. Detalles del zócalo Socket A.
Socket 754: consistente en un zócalo del tipo PGA de 754 pines.
Utilizado con los AMD Athlon 64 y los últimos AMD Sempron.
Socket 939: consistente en un zócalo del tipo PGA de 939 pines.
Utilizado con los AMD Athlon 64 y AMD Athlon 64 FX 53
Socket 940: consistente en un zócalo del tipo PGA de 940 pines.
Utilizado también con los últimos AMD Athlon 64 FX 51 y 53
2.4 Microprocesadores Antiguos pero aún en uso.
Antes de estudiar los microprocesadores que actualmente se están
comercializando en los ordenadores modernos echaremos un vistazo por las
características principales de algunos de los microprocesadores que, aún no
fabricándose ya, siguen funcionando en muchos ordenadores antiguos que aún
prestan sus servicios en empresas y hogares de todo el mundo.
Nos centraremos en los dos grandes fabricantes de microprocesadores
que han copado prácticamente todo el mercado de ordenadores PC, como son
Intel y AMD, dejando a un lado otros fabricantes como Ciryx, cuya
representación en el mercado de ordenadores PC ha sido muy pequeña.
Los datos que se muestran son aproximados, ya que han aparecido un
montón de versiones y revisiones distintas de los microprocesadores que se
comentan, por lo que se han incluido los datos más típicos de los mismos.

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Tabla 2-5. Familia de microprocesadores Pentium de Intel hasta el Pentium IV.

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Ilustración 2.7. Diagrama de bloques de la arquitectura del Pentium III.

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Tabla 2-6. Familia de microprocesadores AMD hasta el Athlon XP.
1 Está frecuencia es la real del BUS, no la efectiva. Debemos tener en cuenta que,
actualmente, un procesador AMD de 1,5GHz tiene una velocidad efectiva de hasta 2,2 GHz,
denominándose 2200+ y un procesador de 2GHz puede tener una velocidad efectiva de hasta
3 GHz, denominándose en este caso 3000+.
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Ilustración 2.8. Diagrama de bloques de la arquitectura del K7 Athlon.
2.5 Los microprocesadores actuales.
Veremos algunos de los microprocesadores que actualmente se están
comercializando, conscientes de que tienen un tiempo de vida comercial muy
breve y que, por tanto, muy pronto estarán obsoletos, pero nos dará una idea
muy clara de la evolución actual de los mismos y de las próximas tendencias
en microprocesadores. No obstante, en la mesa de trabajo se irán publicando,
puntualmente, las novedades más relevantes que vayan apareciendo en este
sentido.
2.5.1 Microprocesadores de Intel.
Actualmente, Intel aun se mantiene en la línea de microprocesadores de 32 bits
y se mantiene a la espera de que los sistemas operativos de 64 bits comiencen
su andadura para mostrar sus cartas en torno a los microprocesadores puros
de 64 bits. De todos modos, en tanto llega este momento, para no quedarse
atrás, ha desarrollado la tecnología de memoria ampliada de 64 bits (Intel®
EM64T), comentada anteriormente, que le permite mantenerse en el mercado a
la altura de microprocesadores como los Athlon 64 FX. En esta línea de
microprocesadores de 32 bits destaca la última creación denominada Intel®
Pentium® 4 Processor Extreme Edition supporting HT Technology,
aunque aún mantiene la línea Intel® Pentium® 4 Processor también
conocida con el nombre clave Prescott, que también incluye el soporte de la
tecnología Hyper-Threading y cuyas características básicas se incluyen en la
Tabla 2-5. Familia de microprocesadores Pentium de Intel hasta el Pentium IV.
Las características típicas del Intel® Pentium® 4 Processor Extreme
se detallan en la tabla siguiente:

clip_image016
Tabla 2-7. Características del Intel® Pentium® 4 Processor Extreme.
Como se observa en la tabla anterior, el Intel® Pentium® 4 Processor
Extreme está disponible en 0,13 y 0,09 micras. La diferencia fundamental entre
ambos es que el fabricado en 0,09 micras implementa la tecnología Intel®
EM64T que le hace compatible con los sistemas operativos de 64 bits. Por lo
demás, cabe destacar el hecho de que adolece de caché L3, pero a cambio, la
caché L2 es de mayor tamaño que la versión de 0,13 micras y trabaja a la
velocidad del núcleo. Del mismo modo, la memoria caché L3 de la versión de
0,13 micras está enlazada directamente con el núcleo del microprocesador
mediante un bus de 64 bits que trabaja a la misma velocidad de reloj que éste.
Por eso, la efectividad de ambos microprocesadores es muy similar trabajando
con sistemas operativos de 32 bits.
En la gama alta de microprocesadores para servidores también ha
desarrollado un nuevo procesador denominado Itanium®, cuya última versión
es el Procesador Intel® Itanium® 2 que se fabrica en tres versiones,
multiprocesador (MP), doble procesador o procesador dual (DP) y doble
procesador de bajo voltaje, que posiblemente implementen en un futuro
cercano la tecnología Intel® EM64T. En
http://www.intel.com/products/processor/itanium2/index.htm encontrarás más
información al respecto. De momento, la solución de 64 bits para servidores
sigue pasando por los nuevos Intel® Xeon™ Processor de 0.09 micras cuyas
principales características se muestran en la siguiente tabla:

clip_image017
Tabla 2-8. Características del Intel® Xeon™ Processor.
2.5.2 Microprocesadores de AMD (American Micro Device).
Al contrario que Intel, AMD ha apostado fuertemente por los
microprocesadores de 64 con su tecnología denominada AMD64 incorporada
en su gama de procesadores para equipos PC de sobremesa y portátiles de 64
bits Athlon 64 y Athlon 64 FX (gama de más prestaciones). Para la gama alta
dedicada a servidores dispone de los procesadores denominados Opteron,
que también son de 64 bits y compiten directamente con los últimos Itanium®
2 y Xeon®, con tecnología Intel® EM64T.
Como es costumbre en todas las mejoras sustanciales de arquitecturas
de los microprocesadores, AMD garantiza compatibilidad total de la nueva
arquitectura de 64 bits (x86-64) con la arquitectura de los anteriores Athlon de
32 bits (x86-32), de este modo, los ordenadores que utilicen los nuevos Athlon
64 podrán trabajar de forma nativa (como si de un microprocesador de 32 bits
se tratara) con cualquier sistema operativo de 32 bits, como Windows
98/Me/XP/2000/2003, y podrá ejecutar cualquier aplicación de 16 o 32 bits. La
migración a los sistemas operativos de 64 bits no será una imposición, sino una
opción para los usuarios de estos sistemas.

clip_image018
Ilustración 2.9. Detalle de los microprocesadores de AMD en encapsulados LGA y PGA.
En la siguiente tabla se muestran algunas de las características
principales de los modelos Athlon 64 y Athlon 64 FX:
clip_image019

clip_image020

Tabla 2-9. Características de los AMD Athlon™ 64 y AMD Athlon™ 64 FX.
Por último citaremos los modelos de AMD Athlon™ 64 que se están
comercializando en la actualidad con algunos datos de interés.
clip_image021

Tabla 2-10. Comparativa de distintos modelos del AMD Athlon™ 64.
En esta tabla se aprecia la influencia que tiene la caché L2 y el
encapsulado en la frecuencia efectiva del microprocesador.
2.5.3 Microprocesadores para portátiles.
Básicamente, los microprocesadores para portátiles son muy similares a los
diseñados para equipos de sobremesa; siguen las mismas tendencias y se
aprovechan prácticamente de las mismas tecnologías, pero mejoran
sustancialmente el consumo, mejorando algunos aspectos de su arquitectura
interna como la posibilidad de reducir la velocidad de reloj cuando el
microprocesador no tiene una carga excesiva o cuando el voltaje de
alimentación es bajo, para reducir su consumo. Por otra parte, también tienen
un tamaño más reducido utilizando encapsulados del tipo μPGA y utilizan
chipset diseñados específicamente para trabajar con ellos. Los
microprocesadores utilizados en portátiles obtienen la denominación de Móviles
añadiendo la letra “M” al nombre del procesador, como por ejemplo:
Procesador Intel® Pentium® M o AMD Athlon™ 64-M.
2.5.3.1 Procesador Intel® Pentium® M.
Es la apuesta que ofrece Intel para la gama de equipos portátiles. Las
características más relevantes de estos procesadores se muestra en la
siguiente tabla:

clip_image022
Tabla 2-11. Características de los procesadores Intel® Pentium® M.
Como se puede observar en la tabla anterior, las velocidades de trabajo
de los microprocesadores Intel® Pentium® M es inferior a la de los equipos
de sobremesa, pero su eficiencia es muy buena, debido al tamaño y efectividad
de la caché L2 que incorporan y en el caso de la tecnología de 0,09 micras, a la
alta velocidad de sus buses FSB. Por otra parte, también resulta chocante el
hecho de que la velocidad de reloj de la CPU sea variable de acuerdo a la
tensión de alimentación, pero esta es una de las características que los
distinguen de sus hermanos mayores ya que, se alimentan también con
baterías y la tensión de alimentación depende considerablemente del estado de
la carga de las mismas.
2.5.3.2 Tecnología móvil Intel® Centrino™².
Cuando hablamos de Centrino™² no estamos hablando de un
microprocesador en sí, sino de un conjunto compuesto por un procesador
Intel® Pentium® M y un Chipset diseñado específicamente para portátiles. Es
por tanto, mucho más que sólo un procesador, ofrece la prestación de red local
inalámbrica totalmente integrada, así como un excelente rendimiento móvil al
tiempo que permite una mayor duración de la batería en ordenadores portátiles
más ligeros y fáciles de transportar. Incorpora por tanto, la tecnología con
certificación Wi-Fi que nos permite acceder a la información y comunicarnos in
situ mediante conexiones de red e Internet inalámbricas con total seguridad,
debido a sus sistemas de encriptación de datos, muchas de ellas disponibles
en redes Wi-Fi públicas (llamadas “puntos de conexión”) distribuidas por todo el
mundo.
La tecnología móvil Intel® Centrino™ utiliza las tecnologías Micro
FCPGA (Flip Chip Pin Grid Array) y FCBGA (Flip Chip Ball Grid Array) para
encapsulado de chips de procesadores especialmente optimizados para
diseños de PC portátiles más ligeros
2.5.3.3 Procesador AMD Athlon™ 64 Mobile.
El AMD Athlon™ 64 Mobile es, como su nombre indica, un procesador de 64
bits por lo que aventaja a Intel en este terreno. Utiliza las características típicas
de los microprocesadores de AMD de 64 bits para equipos de sobremesa e
incluye la tecnología PowerNow!™, que reduce el consumo de energía según
las condiciones de trabajo y alimentación del sistema. También son
compatibles con todas las soluciones inalámbricas disponibles. Más
información en
http://www.amd.com/es-es/Processors/ .

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