Arquitecturas básicas de un microprocesador

relación a la geometría interna
Ubicación del microprocesador
Su esctructura
1. En esencia estos chips están fabricados de materiales como el silicio, aluminio, cobre, oro, estaño, tungsteno, tantalio (condensadores), vidrio, zafiro, entre otros. La base del microprocesador está formada con silicio. Los circuitos están grabados al chip en un proceso llamado fotolitografía que es a base de luz. Un empaquetado exterior es aplicado al procesador una vez que está terminado. Este empaquetado tiene la etiqueta y una serie de dientes u otros conectores hechos con cobre, aluminio u otro metal y suelen ser de oro y plata.
Su evolución
Tipos básicos
1. Clásicas
  1. Con el modelo de Neumann que viene dado desde los orígenes de la creación y uso de las computadoras, el cual se ha ido adoptando a lo largo de los años para la generación de los nuevos dispositivos electrónicos.
    1. Arquitectura de Von Neumann
      1. Sus partes
        a) Unidad Aritmético-Lógica (ALU)
        está comprendida
        • Acumuladores o Banco de Registros
        Está constituido por 8, 16 y 32 registros de memoria donde se guardan los resultados parciales de las operaciones y el resultado final hasta que sea transmitido al buffer de la Unidad de Control
        • Circuitos Operadores
        Compuesto de uno o varios circuitos electrónicos que realizan operaciones elementales aritméticas y lógicas:
        o Suma
        o Resta
        o Multiplicación
        o División
        o Examen (saber el estado del acumulador)
        o Edición (modificar un dato)
        o Comparación (mayor/menor)
        b) Unidad de Control
        está compuesta
        • Registro de dirección
        Contiene la dirección de la celda de memoria en la que se está leyendo o escribiendo.
        • Registro de próxima dirección
        Contiene la dirección de la siguiente instrucción a ser ejecutada. También se le conoce como Registro de Control de Secuencia (RCS).
        • Registro de instrucciones
        Se contiene el código de la instrucción en curso de ejecución.
        • Buffer de almacenamiento
        Donde se mantienen temporalmente datos que fluyen desde o hacia la memoria principal (RAM).
        • Decodificador
        Dispositivo encargado de interpretar la instrucción y dirigir los flujos de información de manera que la instrucción sea llevada a cabo adecuadamente.
        c) Memoria
        d) Dispositivo de entrada/salida
        e) Bus de datos
      2. • La memoria
        Es la que permite conservar la información indispensable para operar.
      3. • La Unidad Aritmético-Lógica (A.L.U., por sus siglas en inglés Arithmetic Logic Unit)
        Se encarga de efectuar las operaciones.
      4. • La unidad de control
        Supervisa el correcto flujo de información desde la entrada hacia la memoria, desde ahí hacia la unidad aritmética, luego de nuevo hacia la memoria y posteriormente hacia la salida.
      5. A manera de recapitulación, esta arquitectura ayuda a dirigir la secuencia de pasos de modo que la computadora lleve a cabo un ciclo completo de ejecución de una instrucción, los pasos que se siguen para ejecutar cualquier instrucción son como se enlista a continuación:
        2. Se decodifica la instrucción recién leída.
        3. Se ejecuta la instrucción.
        4. Se prepara para leer la siguiente casilla de memoria y nuevamente regresar al paso 1.
        1. Ir a la memoria y extraer el código de la siguiente instrucción (ciclo de Fetch).
        Cabe mencionar que el ciclo de Fetch no es más que el periodo de tiempo que tarda la Unidad de Procesamiento Central (CPU) en ejecutar una instrucción de lenguaje máquina, tomando en cuenta que cada instrucción de una CPU puede requerir diferente número de ciclos de instrucciones para su ejecución.
2. Segmentadas
  1. También conocida como pipeline, que su principal implementación ha sido para poder reducir tiempos de procesamiento.
  2. La segmentación o (pipelining) por su denominación en inglés, es una técnica de implementación por la cual se solapa la ejecución de múltiples instrucciones. Hoy día, la segmentación es la técnica de implementación clave utilizada para hacer CPU rápidas (Hennessy, 1993).
  3. Los procesadores segmentados sirven para mejorar el rendimiento sin necesidad de duplicar excesivamente el hardware. De acuerdo a la historia, se usaron por primera vez en los años sesentas y tomaron gran importancia en los ochentas para el enfoque RISC del diseño de computadoras. La primera implementación segmentada fue en el procesador Intel i486.
  4. A la segmentación también se le conoce como pipeline en pocas palabras es una técnica de implementación por lo cual se solapa la ejecución de múltiples instrucciones (Alegsa, 2012).
  5. Un ejemplo para entender el proceso de segmentación se puede evidenciar en una línea de montaje de automóviles:
    1. En la imagen anterior puedes observar las diferentes etapas que se realizan para obtener un resultado en este caso es el resultado es un carro.
      1. En las imágenes puedes observar cómo se implementa la segmentación en una etapa “x” de la cadena de montaje, la cual permite reducir tiempo, y así agilizar los procesos. Y esto es porque el procesamiento segmentado aprovecha la misma filosofía de trabajo de la fabricación en cadena: cada etapa de la segmentación (o segmento) completa una parte (subtarea) de la tarea total.
        Es muy importante también que te des cuenta de que los segmentos están interconectados unos con otros de tal forma que la salida de uno es la entrada del siguiente.
  6. Las etapas o segmentos se encuentran conectados, cada uno al siguiente, para formar una especie de cauce. Las instrucciones entran como se mencionó anteriormente por un extremo, son procesadas a través de las diferentes etapas o segmentos y salen por el otro extremo.
  7. El modelo de segmentación más usado y repetido en los años noventa, se componía de cinco etapas
    1. 1) Búsqueda de la instrucción
    2. 2) Decodificación
    3. 3) Lectura de operandos
    4. 4) Ejecución de la operación asociada
    5. 5) Escritura de su resultado
  8. Una de las cosas más importante y maravillosas de la segmentación es que las diferentes subtareas se pueden procesar de forma simultánea, aunque tengan diferentes datos.
    1. Logrando así poder comenzar una nueva tarea sin necesidad de que la tarea anterior se haya terminado. Por ejemplo, considera una tarea, compuesta por n subtareas. Si estas subtareas se procesan de forma totalmente secuencial, el tiempo necesario para procesar será la suma de los tiempos necesarios para la terminación de cada una de las subtareas como se ve en la siguiente ilustración:
      1. Si para procesar esta misma tarea, se emplea un procesador segmentado, basta que se haya terminado la primera subtarea para poder empezar a procesar una nueva tarea.
        En la ilustración se puede observar el continuo flujo de tarea que se va procesando a través de los n segmentos encargados de procesar cada una de las subtareas. Puedes notar que el tiempo total de procesamiento de una tarea completa puede ser el mismo, aunque frecuentemente será mayor que el tiempo empleado para el procesamiento secuencial de la misma tarea mostrado en la ilustración.
        Actualmente se usa mucho para el desarrollo de juegos de instrucciones del procesador. Es un método muy eficaz que permite tener mayor rendimiento. Existen actualmente dos tipos de segmentación pero no profundizaremos en ellas:
        a) Segmentación aritmética
        b) Segmentación de instrucciones
3. De multiprocesamiento
  1. consiste en usar más de un procesador
  2. ¿Qué es un multiprocesador? De acuerdo a la definición de Alegsa (2012), “es aquel dispositivo que tiene la capacidad de soportar múltiples procesos”.
  3. ¿qué es el multiprocesamiento? Deguate (2013) lo define como “la técnica de usar más de un procesador en un sistema computarizado. También se le conoce tradicionalmente como el uso de múltiples procesos concurrentes en un sistema en lugar de un solo y único proceso realizado en un instante determinado. El multiprocesamiento permite que múltiples procesos compartan una única CPU”.
    1. En esta arquitectura prácticamente lo que debes observar es que varios procesadores trabajan con la misma memoria, esto permite que se realicen varios procesos con una velocidad mucho mayor; también pueden intercambiar procesos entre ellos. Actualmente en el mercado se tiene grandes cantidades de microprocesadores con varios procesadores incluidos.
  4. Las CPU de multiprocesamiento se clasifican de la siguiente manera
    1. • SISO (Single Instruction, Single Operand) – Instrucción simple, un solo operando. Computadoras independientes.
    2. • SIMO (Single Instruction, Multiple Operand) – Instrucción Simple, Múltiples Operandos. Procesadores vectoriales.
    3. • MISO (Multiple Instruction, Single Operand) – Múltiples Instrucciones, un solo operando. No implementado.
    4. • MIMO (Multiple Instruction, Multiple Operand – Múltiples Instrucciones, Múltiples Operandos). Sistemas SMP, Clusters.

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	Created by Miguel Reyes about 5 years ago