Primera parte del artículo Procesadores: Todo lo que hay que saber
Artículo de: Ariel Gentile genaris@latinhardware.com
Pocos sectores en el mundo de la PC han presentado tantos cambios en los últimos tiempos como los microprocesadores. En estos últimos meses hemos vivido una auténtica revolución, con precios que han bajado drásticamente, al punto de que hoy en día hemos vuelto a la sensación de la década de 1990, cuando los procesadores tenían precios de entre U$S 100 y U$S 500. Por supuesto, semejantes cambios han traído aparejada una enorme cantidad de dudas en los usuarios, que en este artículo trataremos de develar. Nuestra misión será, entonces, tratar de explicar cómo funciona un microprocesador moderno, cuáles son las tecnologías que lo caracterizan y a qué debemos prestar atención a la hora de comprar y comparar un procesador con otro. Iniciemos, entonces, un recorrido por todo lo que tiene la tecnología que le da vida a la PC.
Bases del funcionamiento: Qué es un procesador
Muchos de nosotros sabemos que el procesador es un aspecto fundamental de la PC, a tal punto que a menudo la caracterizamos sobre la base de sus características. Pero… ¿realmente sabemos qué significa cada una de sus características principales? Aquí veremos un breve repaso de cada una de ellas.El microprocesador de la PC se puede definir, a grandes rasgos, como el elemento en el que se basa la computadora para realizar todas sus operaciones. Si bien es cierto que (como veremos más adelante) hoy en día el microprocesador no es el único punto de la PC en el cual se realiza procesamiento de información, también es verdad que no hay nada que la PC haga sin intervención del microprocesador, al menos, en una mínima proporción.
Funciones principales
La función básica del procesador es recibir instrucciones, tomar los datos necesarios, ejecutar las operaciones correspondientes a las instrucciones recibidas y, finalmente, devolver los resultados. En la PC, tanto los datos como las instrucciones son recibidos mediante el bus de datos del procesador; a su vez, los resultados también son enviados a través de él. El medio físico del cual el procesador toma y guarda la información procesada es la memoria RAM. Si bien es cierto que el sistema operativo y los programas están almacenados en el disco duro, siempre la información debe ser cargada en memoria RAM para que el procesador la reciba por su bus de datos. Dicho en otras palabras, la RAM sería el intermediario entre el procesador y el disco duro.
Ahora bien, ¿qué clase de instrucciones ejecuta el procesador? ¿Qué diferencia hay entre una instrucción y un dato? Para comprenderlo podemos poner un ejemplo muy sencillo: supongamos que debemos realizar una suma. Entonces, le enviamos al procesador la instrucción suma seguida de la ubicación en memoria de los sumandos. El procesador procederá a buscar en memoria el contenido de ambas ubicaciones, para lo cual enviará la orden de lectura correspondiente hacia el controlador de memoria (un dispositivo que físicamente hace de intermediario entre el procesador y los módulos de memoria RAM). Luego de recibir los sumandos (que son los datos), el procesador los almacena en registros internos y procede a realizar la suma, guardando el resultado en otro de sus registros internos (a veces, uno de los utilizados para guardar los sumandos). Finalmente, el procesador coloca la información en su bus de datos y le ordena al controlador de memoria que guarde la información en una determinada ubicación de la memoria RAM.
Tras ejecutar una operación, el procesador no se queda sin hacer nada, sino que busca la siguiente instrucción por ejecutar (digamos que tiene internamente una “lista de tareas” que le indica las cosas que debe hacer y de dónde tomarlas) y repite el procedimiento anteriormente comentado. Así, por ejemplo, la instrucción que sigue le indica que debe pedirle al controlador del disco duro que guarde el resultado de la suma en algún archivo, o bien puede decirle a la tarjeta de video que represente el resultado en pantalla. Aprovechando el ejemplo, podemos decir que es función del microprocesador controlar (a veces, indirectamente) los diversos dispositivos en los que consiste la PC. Es difícil hacer una analogía con las personas, ya que sería una especie de jefe que, además de controlar y delegar, trabaja por sí solo (¡y sabe lo que hace!).
Componentes de un procesador moderno
Lo que hemos descrito en los párrafos anteriores es el funcionamiento de un microprocesador elemental. Hoy en día, sin embargo, los procesadores disponen de muchos más componentes integrados en su encapsulado. A continuación veremos una lista de los más importantes:Unidades de ejecuciónEl centro del procesador elemental está basado en lo que se llama “unidad aritmético-lógica” (ALU) o “unidad de ejecución”. Allí es donde se realiza la suma anteriormente mencionada. Desde hace muchos años, los procesadores no tienen sólo una ALU, sino varias que operan en forma paralela. Además, cuentan con unidades de ejecución específicas para determinadas operaciones; ése es el caso de las unidades de punto flotante (FPU) y de las unidades de procesamiento SIMD (tema del cual nos ocuparemos en las próximas páginas).
De la cantidad y la velocidad de procesamiento de unidades de ejecución depende fuertemente el poder de un microprocesador, en especial, en aquellas aplicaciones en las cuales el cálculo matemático es intenso (como es el caso de software científico o de modelación 3D).Memoria cachéHemos comentado que el procesador trabaja fundamentalmente con la memoria RAM. El problema es que, cuando un procesador actual es capaz de operar a frecuencias del orden de los 3 GHz y con varias unidades de ejecución trabajando en paralelo, los módulos de memoria de las computadoras convencionales no superan los 667 MHz. Además, la lejanía que hay entre los chips de memoria y el núcleo del procesador hace que se introduzca un tiempo de espera (latencia) entre que se solicita la información y se la recibe. Por tanto, si el procesador dependiera exclusivamente de la memoria RAM de 667 MHz, prácticamente su rendimiento se vería muy limitado por ella.
Y este problema no es algo actual: ya desde la época de los procesadores 386 se introdujo un nivel intermedio de RAM, mucho más rápido pero de reducido tamaño, llamado caché. La ventaja de este sistema con memoria caché es que, usado convenientemente, permite que el procesador disponga de la información con la que va a operar de una manera mucho más rápida.
Por ejemplo, volviendo al caso de la suma, si una futura instrucción necesitara el resultado de la suma, podría ejecutarse mucho más rápidamente, ya que el procesador podría tomar el dato directamente desde la caché.Por supuesto, el tamaño de la caché es limitado, de modo que la información contenida en ella es totalmente modificada en cuestión de microsegundos. Los sistemas actuales cuentan con hasta tres niveles de caché, ordenados por su cercanía con el procesador: L1, L2 y L3.
Los niveles centrales son de muy pequeño tamaño (de 128 KB o menos) pero mucho más rápidos (y, por consiguiente, más caros de fabricar) que los exteriores. Las caché L2 y L3, por su parte, suelen ser de entre 1 MB y 12 MB en el mejor de los casos.En sistemas modernos, todos los niveles de caché están integrados en el encapsulado del procesador.
Interconexión con el sistema
De alguna manera, el procesador debe comunicarse con el resto del equipo. Muchos de los cientos de pines (“patitas”;) que tienen los procesadores actuales están dedicados a lo que se llama bus frontal o Front Side Bus (FSB), enlace que emplea el microprocesador para acceder a los datos en la memoria RAM y el resto de los dispositivos del motherboard.
En verdad, existen dos esquemas distintos de interconexión: el clásico, en el cual el procesador se comunica mediante el FSB hacia un chip denominado Northbridge, que contiene el controlador de memoria y las conexiones hacia diversos dispositivos (como la tarjeta de video, discos duros, etc.); y el esquema partido, introducido por AMD en sus primeros Athlon 64 y ahora adoptado por Intel en sus nuevos Core i7. En este otro esquema, el procesador tiene, por un lado, el bus de memoria (que sería lo que más se asemeja al FSB del esquema clásico) y un enlace serie hacia el Northbridge. La razón de tener estas conexiones separadas es que el procesador integra el controlador de memoria en su propio encapsulado. Luego discutiremos las ventajas y las desventajas de incluir un controlador de memoria en el mismo procesador.
Tomado de http://www1.rionegro.com.ar
Modificado por: Dr. PC 3000 Reparación de computadoras
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