Microprocesadores: Componentes, Arquitectura y Rendimiento

Definición y Funciones Principales

Un microprocesador es un circuito integrado compuesto por millones de transistores que contiene algunos o todos los elementos hardware de una CPU (Unidad Central de Procesamiento). Sus dos grandes tareas son:

• Gestión de las instrucciones: Dar las órdenes precisas para que se traigan desde la memoria principal (MP) las instrucciones y los operandos, y se almacenen en los registros apropiados.
• Ejecución de instrucciones: Ejecutar las microoperaciones (aritméticas, lógicas) que requiere cada instrucción.

Ley de Moore

La Ley de Moore (1965) establece que cada año se duplica el número de componentes en un circuito integrado, lo que implica una duplicación aproximada de la velocidad, y el coste se reduce.

Importancia del Microprocesador en un Sistema Informático

El microprocesador juega un papel crucial en los siguientes aspectos:

• Determina gran parte de las prestaciones del equipo, aunque no es el único factor.
• La fiabilidad y estabilidad del sistema vienen determinadas por la calidad del procesador.
• El procesador determina el tipo de placa base que va a necesitar el sistema (zócalo).

Medidas de Rendimiento del Procesador

• MIPS: Millones de instrucciones ejecutadas por segundo.
• MegaFLOPS: Millones de operaciones en punto flotante por segundo.
• En la actualidad, se utilizan GIPS (Giga Instrucciones Por Segundo) y GFLOPS (Giga Operaciones de Punto Flotante Por Segundo).

Arquitectura Interna del Microprocesador

La arquitectura interna de un microprocesador incluye la memoria caché, que se divide en varios niveles:

• Caché de nivel 1 o L1: Memoria volátil, integrada en el núcleo del procesador, con una velocidad similar a la de este.
• Caché de nivel 2 o L2: No necesariamente se encuentra en el núcleo del procesador, aunque sí en el mismo encapsulado. Tiene la misma finalidad que la L1, pero es más lenta.

Factores que Determinan el Rendimiento de un Procesador

Reloj del Sistema

El reloj del sistema sincroniza el trabajo del procesador.

• Actualmente, es menos determinante debido a la proliferación de procesadores con múltiples núcleos.
• El rendimiento depende de la influencia de la arquitectura del sistema.
• Un reloj de sistema alto pero una arquitectura pobre puede requerir muchos ciclos.
• Un reloj de sistema inferior pero una arquitectura más eficaz puede requerir menos ciclos.

Prestaciones del Bus

• Ancho: Cantidad de datos que la CPU transmite o recibe de una sola vez (de la memoria principal, el chipset o los dispositivos de E/S). Los anchos habituales son 8, 16, 32, 64 y 128 bits. Un mayor ancho de bus implica una mayor transferencia de datos.
• Velocidad: Medida en MHz, está relacionada con la de otros buses. La velocidad del bus de memoria suele ser la misma que la del FSB (Front Side Bus). El resto de los buses funcionan a velocidades que son una fracción de la del FSB (por ejemplo, ¾ FSB).

Tamaño de Palabra

El tamaño de palabra se refiere a:

• La cantidad de datos que la CPU procesa en un ciclo de reloj.
• La cantidad de datos leída o escrita de/en la memoria principal de una sola vez.

Hay tres aspectos fundamentales relacionados con el tamaño de palabra:

• Registros internos: El tamaño de los registros del procesador.
• Bus del procesador (FSB): El tamaño de los datos con los que se comunica el procesador con el exterior (ancho de banda).
• Bus de direcciones: Indica el tamaño máximo de RAM que el ordenador puede direccionar. Para n bits, se pueden direccionar 2ⁿ posiciones de memoria distintas.

Memoria Caché

La memoria caché se organiza en varios niveles: L1, L2 y L3.

• El número indica la cercanía al procesador (e inversamente, la velocidad).
• L1: Se encuentra en el núcleo del procesador. Su tamaño típico es de 32 x 2 Kb, dividida en Data Caché e Instruction Caché.
• L2: Puede estar en el procesador (compartida por los núcleos) o una por núcleo (según el fabricante). Su tamaño típico es de 256 Kb.
• L3: No está tan estandarizada. Su tamaño puede llegar a 45 MB.