Se denomina microprocesador a un circuito integrado semiconductor formado por transistores que permiten o cierran el paso, de forma lógica, a una serie de señales eléctricas. El microprocesador está compuesto por la unidad de control, la unidad aritmético-lógica y un grupo de registros. Es característico del microprocesador el poseer un alto grado de integración, siendo capaz de ejecutar algorítmicamente una serie de instrucciones. La diferencia entre un semiconductor de memoria y un microprocesador es su funcionalidad, ya que los microprocesadores son circuitos de puertas lógicas distribuidas irregularmente para poder realizar las diferentes tareas y operaciones de manejo del sistema informático, mientras que las memorias son circuitos repetitivos de almacenamiento de información; por ello, los microprocesadores son más complicados de desarrollar y construir que los semiconductores de memorias.
Como se ha indicado anteriormente, el microprocesador efectúa la ejecución de las instrucciones de forma secuencial, excepto cuando la propia instrucción le ordene la alteración de la secuencia. El microprocesador va a poder controlar las distintas unidades del sistema informático que permitirán la comunicación con el exterior de la computadora y la memoria de ésta, donde se almacenarán los datos.
Los microprocesadores tienen, principalmente, dos tipos de funciones en la actualidad:
- Como Circuito Físico Programable. Un microprocesador permite sustituir a los viejos subsistemas de componentes físicos (válvulas) o de circuitería cableada (mazos de cables que conectan diferentes componentes en equipos electrónicos, industriales, etc.) dentro de sistemas informáticos más complejos.
La capacidad de programación que caracteriza a los microprocesadores permite una mayor potencia y versatilidad de estos subsistemas con respecto a los anteriormente utilizados. En la actualidad se están utilizando los "viejos" chips 8086 como base para subsistemas de tarjetas gráficas.
- Como Procesador Central de una Computadora Es el motor de la Unidad Central de Proceso, encargándose de:
1.- Manejar la memoria.
2.- Controlar el flujo de información en el sistema informático.
3-. Realizar las operaciones básicas sobre los datos.
Los procesadores se pueden diferenciar por sus características físicas y lógicas:
- Características lógicas:
1-. Longitud de la palabra procesada, esto es, número de bits procesados en el mismo ciclo de reloj.
2.- Capacidad de acceso a la memoria o la cantidad de memoria que puede manejar.
3-. Velocidad de ejecución de instrucciones, su velocidad de proceso.
4.- Repertorio de instrucciones a nivel máquina que puede procesar.
- Características físicas:
1. Retraso de propagación de la señal eléctrica: representa el tiempo que tarda la señal en tomar uno u otro valor dentro del circuito.
2.- Disipación de potencia: Este valor indica el calor que genera el procesador al permanecer operativo.
3.- Abanico de salida: es la cantidad de señales eléctricas que el microprocesador es capaz de manejar entre su circuitería interna y el sistema informático exterior al que se conecta.
4.- Márgenes de ruido: indican la fiabilidad de que la señal eléctrica que contiene la información generada por el microprocesador al realizar sus operaciones se propague correctamente a través de sus circuitos, o esté corrompida por una señal proveniente del exterior.
Una de las principales limitaciones de los actuales microprocesadores es el abanico de salida de señales debido al limitado número de patillas de conexión con la placa principal que aquéllos pueden tener. El número de patillas del microprocesador limita o permite el manejo de mayor o menor cantidad de señales desde y hacia el microprocesador, lo que facilita o perjudica su capacidad en el manejo de la información necesaria para realizar los diferentes procesos.
Intel ha representado y representa actualmente una de las empresas sobre la que ha girado el desarrollo de toda la industria dentro del campo de los microprocesadores. Desde el diseño del primer microprocesador, el 4004, con una arquitectura interna de 4 bits hasta las grandes plataformas actuales, los diseños de sus microprocesadores han sido absolutamente compatibles binariamente entre ellos, lo que ha provocado que la historia de la microinformática, dentro del mundo de las microcomputadoras compatibles con los sistemas informáticos IBM, presente una evolución que ha permitido avanzar a los sistemas microinformáticos desde las primeras computadoras personales hasta las grandes microcomputadoras que se están comercializando en la actualidad. Intel ha sido durante más de diez años, prácticamente, el único proveedor de microprocesadores centrales a los principales constructores de sistemas microinformáticos compatibles con la computadora personal original de IBM. Esta posición preeminente le ha permitido establecer estándares y, en cierta medida, marcar el camino por el que se iba a desarrollar el mundo de la microinformática de forma mucho más influyente que las propias empresas dedicadas a la construcción de sistemas informáticos. La evolución de sus principales microprocesadores que seguidamente se va a estudiar representa un factor importante en la evolución de la informática de consumo en todo el mundo.
El Primer Microprocesador: el 4004
El primer microprocesador diseñado como tal fue el Intel 4004. Este microprocesador fue diseñado a principios de la década de los setenta gracias a la mejora en los niveles de integración conseguidos hasta ese momento. El 4004 era un microprocesador que poseía una arquitectura interna de 4 bits que se desarrolló por Intel para cubrir una solicitud del gobierno estadounidense como sustituto de una serie de equipos que utilizaba en esos momentos. Tras realizarse las pruebas técnicas por los expertos del gobierno, el microprocesador fue rechazado por su excesiva lentitud con respecto a los requisitos solicitados. El problema que presentaba el 4004 era su dificultad de uso debido a su pequeño y complicado conjunto de instrucciones. Para compensar los gastos de investigación y desarrollo, Intel construyó una serie limitada de los nuevos microprocesadores y los entregó a varios de sus clientes para incluirlos en nuevos equipos electrónicos que se estaban desarrollando en esos momentos. El nuevo microprocesador tuvo tanto éxito comercial que Intel tuvo que aumentar la producción para cubrir las demandas realizadas por sus clientes. El 4004 fue la base tecnológica del 8080.
8080: La Arquitectura de 8 bits
El 8080 fue el primer microprocesador diseñado por Intel sobre una arquitectura interna de 8 bits, que en su momento era el microprocesador estándar para un pequeño sistema microinformático ya que a finales de la década de los setenta los microprocesadores de 8 bits eran los que soportaban este tipo de sistemas microinformáticos. Ha de tenerse en cuenta que a finales de los años setenta el término microcomputadora no significaba lo mismo que se entiende en la actualidad. En aquella época la microcomputadora era un aparato del tamaño del teclado actual de una computadora personal que incluía en él el microprocesador y una pequeña memoria que podía llegar, como máximo, a 64 Kb. La entrada de información en la microcomputadora se producía a través de un teclado que llevaba adosado a su superficie, y los medios de almacenamiento masivo (discos flexibles o unidades de cintas) no estaban integrados en la unidad central del sistema, conectándose a ésta a través de sus puertas de comunicaciones por medio de unos cables. Cuando IBM comenzó a planificar, en el año 1980, el lanzamiento de una computadora personal (en inglés denominada Personal Computer o PC), diseñada y construida bajo su marca, el procesador inicial sobre el que se basó la capacidad de proceso de la nueva computadora fue el 8080. El problema del 8080, dentro de la estrategia que IBM había planificado para su nuevo sistema informático, era que tenía muy poca capacidad de expansión futura, ya que su arquitectura de 8 bits no le permitía poder manejar grandes cantidades de memoria ni le dotaba de una gran capacidad de proceso. Por ello, IBM, en un momento determinado de la etapa de desarrollo, se observó que construir su nueva computadora sobre la base de un microprocesador de 8 bits era encerrarlo dentro de un mercado demasiado pequeño y que pronto se vería superado. Los técnicos de IBM previeron acertadamente que iban a dar al nuevo microsistema unas grandes posibilidades de desbancar del mercado de las microcomputadoras al resto de sus competidoras dotándole, al mismo tiempo, de unos grandes avances técnicos, así como de una mayor capacidad de expansión y, por lo tanto, de vida útil gracias a las mejoras introducidas en:
1.- Una mayor capacidad de proceso.
2.- Optimización en el manejo de la memoria principal.
3.- Mejora técnica de los microprocesadores basados en la arquitectura de 16 bits con respecto a los microprocesadores de 8 bits en que se basaban el resto de los microcomputadoras. Esta fue la razón fundamental por la que IBM desechó el 8080 como pieza fundamental de la nueva computadora, pasando a negociar con Intel la posibilidad de utilizar otro procesador y, por ello, ambas empresas comenzaron a investigar con microprocesadores de la familia del 8086.
8086: La Arquitectura de 16 bits
El 8086 surgió, en abril de 1979, como el primer microprocesador comercial diseñado totalmente sobre una arquitectura de 16 bits y con la misión de ser la unidad central de proceso de una microcomputadora. La ventaja que suponía la utilización del 8086 a nivel de capacidad de proceso y posibilidades de expansión futura permitió a los técnicos de IBM decidirse por el cambio de arquitectura en la construcción del nuevo sistema informático. Este cambio, sin embargo, no fue sencillo y planteó dos problemas bastante importantes al departamento de investigación y desarrollo de IBM: 1. En el año 1980 existían muy pequeñas cantidades de circuitería y microcomponentes con una arquitectura de 16 bits. 2. Los costos de inclusión de estos componentes en el sistema informático eran astronómicos para el precio al que IBM pretendía poner a la venta el nuevo sistema informático, pues sólo se utilizaban en equipos electrónicos dedicados a tareas muy especializadas como aplicaciones científicas o incluso en la carrera espacial. Estos problemas originaron que la primera computadora personal no pudiera construirse con un 8086 como unidad central de proceso y retrasaron durante varios años el que las arquitecturas puras de 16 bits pudieran generalizarse en el parque informático comercial. De hecho, el 8086, aunque fue un microprocesador tecnológicamente más avanzado que el 8088, nunca fue una estrella comercial de Intel, ya que cuando se generalizaron los componentes basados en arquitecturas de 16 bits Intel ya había desarrollado otro chip mucho más potente que significó la gran revolución dentro del campo de la informática: el 80286. Pero como no se han de adelantar acontecimientos, simplemente indicar que IBM tuvo que solucionar el problema causado por la falta de componentes comercialmente asequibles basados en la arquitectura de 16 bits. La solución que ideó permitió la utilización de los componentes comerciales basados en arquitecturas de 8 bits a un microprocesador con una arquitectura interna de 16 bits utilizando un microprocesador híbrido de las dos arquitecturas en sus nuevos sistemas informáticos: el 8088.
El 8088 es un microprocesador de la familia del 8086, con una arquitectura interna de 16 bits, pero que tiene la muy conveniente capacidad de poder comunicarse con componentes de arquitecturas de 8 bits, que eran los componentes para microcomputadoras más desarrollados por las empresas fabricantes en ese momento. El 8088 se convirtió en el microprocesador que iba a controlar las primeras computadoras personales de IBM. Permitió hacer un nuevo sistema informático accesible al público, con una nueva arquitectura, mucha más potencia y pudiendo utilizar componentes comunes a las microcomputadoras que en ese momento estaban operativas. La utilización de componentes electrónicos comerciales, existentes ya en ese momento en el mercado, sorprendió a los técnicos, ya que al diseñar el PC, IBM no utilizó procesadores diseñados y desarrollados por sus propios departamentos de investigación y desarrollo, como había sido su política hasta ese momento, sino que aprovechó semiconductores estándares que ya estaban siendo utilizados por la mayoría de empresas del sector de la informática. El 8088 es capaz de direccionar (manejar) 1 megabyte de memoria principal (recordemos que ENIAC, la primera computadora propiamente dicha, manejaba 4 kilobytes de memoria, unas 25 veces menos capacidad), si bien las primeras unidades de computadoras personales comercializadas por IBM tenían unos modestos 16 kilobytes de memoria en la placa base que posteriormente se ampliaron hasta los 640 kilobytes de memoria máxima capacidad de manejo de memoria del sistema operativo D.O.S. en aquellos momentos. El 8088, aunque hoy puede considerarse como un microprocesador obsoleto por sus pocas capacidades, significó una revolución dentro del mundo de la informática, siendo la base de una parte importante de todo lo que hoy es conocido como mundo actual. Finalmente, indicar que, aunque en este momento el 8088 ya esté superado prácticamente en todo el mundo para toda clase de trabajos, todavía existe una gran cantidad de tareas que se pueden realizar con él, valga como ejemplo el que este texto, antes de imprimirse, fuera escrito con un sistema informático que posee un 8088 como microprocesador central.
80286: La Explosión de los Micros
El 80286 fue una evolución natural del 8086. Se diseñó como un microprocesador con una arquitectura de 16 bits, pero con capacidades que le hacían muy superior a su predecesor. Con la llegada del 80286 se rompe la barrera existente en el tamaño de la memoria principal pasando del megabyte de tamaño máximo que podía direccionar el 8088. Además del aumento de velocidad de proceso en un 50 % con respecto al 8086, el 80286 supuso el origen de uno de los principales aspectos fundamentales de los actuales sistemas informáticos: la multitarea. La introducción de la multitarea en las computadoras personales supuso la posibilidad de eliminar los cuellos de botella en los procesos de entrada/salida que caracterizaban a los anteriores microprocesadores. Por otra parte, además de mejorar los procesos operativos, permitió compartir los recursos de una máquina por parte de diferentes usuarios siendo una de las bases de las actuales redes de computadoras. El 80286 tiene un modo de trabajo denominado protegido en el que, cuando se trabaja en multitarea, se evitan las interferencias entre los diferentes procesos de las distintas tareas, proporcionando aislamiento a las distintas áreas de memoria del sistema informático, que utiliza cada tarea como zona de trabajo, para evitar que las operaciones de una de las tareas que están ejecutándose conjuntamente en un mismo período de tiempo afecten a los datos de otra de las tareas en ejecución.
80386: la Arquitectura de 32 bits
El 80386 apareció comercialmente a finales del año 1985 y supuso la primera incursión de una microcomputadora en el campo de la arquitectura de los 32 bits. El procesador puede efectuar cálculos y operar con palabras de 32 bits frente a las palabras de 16 bits con las que operaban sus predecesores. La mayor potencia de cálculo de este microprocesador, que llegó a tener rendimientos tres veces superiores en su capacidad de proceso a los que contaba el Intel 80286, provocó un aumento de la potencia en los sistemas microinformáticos, de tal magnitud, que las computadoras basadas en este microprocesador alcanzaron prestaciones similares a las de algunas minicomputadoras. La utilización de memorias caché, que permitían mejorar el tiempo de acceso a la memoria principal del sistema informático, permitió construir la arquitectura de memoria más rápida existente hasta esos momentos. Este tipo de sistemas informáticos están indicados para mejorar el rendimiento de los procesos realizados en las oficinas, manejando tanto aplicaciones de oficina, complejas como bases de datos multiusuario instaladas en redes, hojas de cálculo, etc., así como tareas de ingeniería, o diseño, mucho más exigentes a la hora de realizar procesos informáticos. La alta capacidad de proceso de los sistemas basados en el microprocesador 80386, unida a la existencia de mejores subsistemas de almacenamiento y la posibilidad de una mayor capacidad de ampliación de los sistemas informáticos, gracias a una compatibilidad creciente entre los productos de los diferentes fabricantes comerciales, permitieron que a partir de la aparición de estos modelos de sistemas informáticos ya fuera posible la realización plena de procesos multitarea y multiusuario en el entorno microinformático. Uno de los aspectos más destacados en el aumento de potencia del 80386 es que podía llegar a manejar 4 gigabytes de memoria principal RAM con una gestión de la memoria mucho más flexible y mejorada que la de los anteriores microprocesadores; esta capacidad de manejo de memoria permite manejar grandes cantidades de información sin necesidad de acceder a los subsistemas de almacenamiento masivo. El rendimiento del 80386 podía oscilar entre los 3 y 4 mips (millones de instrucciones por segundo) y tenía la facilidad de trabajar en modo de máquina virtual, esto es, no sólo tenía la capacidad de multitarea del 80286, sino que una máquina basada en el 80386 podía trabajar con varios sistemas operativos distintos al mismo tiempo ejecutando las aplicaciones que estuvieran corriendo en cada uno de ellos. El microprocesador 80386 se acompañaba de un coprocesador matemático, el Intel 80387, que permitía mejorar los rendimientos obtenidos por el 80386 en operaciones de cálculo matemático y en procesos de ingeniería.
El microprocesador 80486 surge a principios de los años noventa convirtiéndose en el microprocesador integrado por excelencia. El 80486 supuso unir por primera vez en una sola cápsula el procesador central de la computadora, su coprocesador matemático, así como la controladora caché que permite una rápida transferencia de datos a la memoria del nuevo sistema informático. IBM comenzó a comercializarlo rápidamente y en la actualidad es uno de los microprocesadores más extendidos en el mercado microinformático. Un punto importante en la evolución de la microinformática es que ha de tenerse en cuenta que en, más o menos, diez años se ha pasado del microprocesador 8088 como base de una microcomputadora al 80486 como microprocesador central de una "microcomputadora". El coprocesador matemático es un microprocesador especializado que permite optimizar el proceso de operaciones matemáticas con números reales. Los microprocesadores anteriores al 80486 sólo podían trabajar con números enteros, debiendo emular el proceso con números reales, lo que aumentaba el tiempo de proceso, o ayudarse de un coprocesador matemático especializado en trabajar con números reales para realizar cálculos matemáticos complejos. El 80486 está compuesto por más de un millón de transistores integrados de tal forma que suple a tres subsistemas existentes en el 80386: o El microprocesador central. o El coprocesador matemático. o El controlador de la memoria caché. La velocidad de proceso también ha sido aumentada en su origen hasta los 25 megaherzios para los microprocesadores más lentos; ha de recordarse que el 80386 tenía una frecuencia de reloj, en sus primeras unidades, de 12 megaherzios. Finalmente, el 80486 incluye una optimización en el juego de instrucciones del microprocesador que permite reducir hasta en un tercio los ciclos de reloj necesarios para ejecutarlas con respecto a las instrucciones del 80386; esto implica que el nuevo procesador triplicaba la potencia de proceso de su predecesor -el 80386- a la misma velocidad de reloj, esto es, una misma aplicación se ejecutará tres veces más rápido en una computadora con un microprocesador 80486 a 33 megaherzios que en otro sistema informático cuyo microprocesador sea un 80386 funcionando a una velocidad de 33 megaherzios.
En el año 1993 el microprocesador más potente, fabricado por Intel, existente en el mercado es el Pentium o, de otra manera, el 80586, del cual se han diseñado muchos modelos y se clasifican en:
- El Pentium
- El Pentium II
- El Pentium III
El Pentium
El Pentium integra más de tres millones de transistores gracias a la nueva tecnología de integración de 0,6 micrometros y a la posibilidad de diseño del microprocesador en cuatro capas. Un punto fundamental del Pentium es que se puede integrar en sistemas informáticos multiprocesadores (con más de un procesador operativo). Su velocidad de proceso llega hasta los 200 megaherzios frente a los 66 megaherzios del 80486 (si bien esta frecuencia se ha ampliado en los nuevos microprocesadores 80486 DX4 hasta los 100 megaherzios). Estas características técnicas le llevan a poder realizar alrededor de cien millones de instrucciones por segundo.
El Pentium II es un microprocesador que incluye la tecnología MMX ó Multimedia eXtensions, la misma que es un conjunto de instrucciones especiales para el manejo de la multimedia, y está construido con 7.5 millones de transistores aproximadamente. Su principal característica es la alta velocidad de reloj. Otra ventaja es la inclusión de 512 KB de memoria Caché dentro del mismo encapsulado, con lo cual su rendimiento aumentó sustancialmente.
Intel ha dado al Pentium III un total de 70 nuevas instrucciones para el procesador diseñadas especialmente para acelerar los juegos, plug-ins de internet, gráficas y aplicaciones de reconocimiento de instrucciones vocales. A Pesar de su nombre , el Pentium III no representa un avance generacional como lo fueron en su época el Pentium y el Pentium II. Esos chips introdujeron cambios fundamentales en las tecnologías de procesamiento como son: Caché y bus de sistema. El Pentium III es básicamente un Pentium II, con el mismo caché secundario fuera del chip de 512 KB y bus de sistema de 100 Mhz. Dicho esto, las nuevas 70 instrucciones que Intel llama extensiones Streaming SIMMD son las que diferencian al Pentium III de sus predecesores. Las instrucciones se dirigen a los trabajos de intensa carga para el CPU: Filtrado de imágenes, cálculos geométricos en 3D y análisis de la forma de onda. Este cambio es parecido a la adición de instrucciones MMX a los procesadores Pentium hace pocos años, y así como las nuevas aplicaciones tuvieron que ser escritas para aprovechar las instrucciones MMX, las aplicaciones deben revisarse o actualizarse para utilizar las nuevas extensiones SIMMD. Síntesis de los Procesadores lanzados por Intel:
Procesador / Velocidad
4004 N/A
8086 y 8088 8Mhz
80286 12Mhz
80386 33Mhz/40Mhz
80486 66Mhz/100Mhz
Pentium 100Mhz/200Mhz
Pentium II 200Mhz/450Mhz
Pentium III 450Mhz/…