ELECTRONICA Y COMPUTACION
MICROPROCESADORES - PARTE 1

Tomando como base los libros electrónicos producidos por la empresa Krismar, desde hace varias ediciones publicamos artículos sobre la descripción, funcionamiento y configuración de diferentes elementos de la PC. Así, tuvimos la oportunidad de conocer los distintos tipos de memoria desde los primeros chips hasta los actuales. A partir de esta nota comenzamos a describir el corazón de la CPU: "el microprocesador". Si desea saber más sobre este tema, puede visitar nuestro sitio de internet en www.webelectronica.com.ar, donde encontrará abundante información y las formas de acceder a lo que usted necesita.

INTRODUCCION

El cerebro de las microcomputadoras es el microprocesador, éste maneja las necesidades aritméticas, lógicas y de control de la computadora, todo trabajo que se ejecute en una computadora es realizado directa o indirectamente por el microprocesador.

Se le conoce por sus siglas en inglés CPU (Unidad Central de Proceso). El microprocesador tiene su origen en la década de los sesenta, cuando se diseñó el circuito integrado (CI) al combinar varios componentes electrónicos en un solo componente sobre un “Chip” de silicio.

El microprocesador es un tipo de componente electrónico en cuyo interior existen miles (o millones) de elementos llamados transistores, cuya combinación permite realizar el trabajo que tenga encomendado el chip.

El microprocesador hizo a la computadora personal (PC) posible. En nuestros días uno o más de estos milagros modernos sirven como cerebro no sólo a computadoras personales, sino también a muchos otros dispositivos, como juguetes, aparatos electrodomésticos, automóviles, etc.

Después del surgimiento de la PC (computadora personal), la investigación y desarrollo de los microprocesadores se convirtió en un gran negocio. El más exitoso productor de microprocesadores, la corporación Intel, convirtió al microprocesador en su producto más lucrativo en el mercado de la PC.

A pesar de esta fuerte relación entre PC y microprocesador, las PC's son sólo una de las aplicaciones más visibles de la tecnología de los microprocesadores, y representan una fracción del total de microprocesadores producidos y comercializados.

Los microprocesadores son tan comunes que probablemente no nos damos cuenta de su valor, nunca pensamos en ellos tal vez porque la gran mayoría de éstos siempre se encuentran ocultos en los dispositivos.

En la PC, el microprocesador es la pieza central, su elección es la de mayor importancia al seleccionar una computadora. Nosotros compramos una PC basada en el tipo de microprocesador que contiene y la velocidad de éste. Esto no sucede con otros dispositivos, donde nunca seleccionamos, por ejemplo una videocasetera o televisor por su microprocesador, aunque éste sea una pieza importante.

Sin importar la aplicación, todos los microprocesadores trabajan de la misma forma. Cada uno está basado en la misma tecnología electrónica y apoyado en los mismos principios de lógica que guían su operación.

 
¿QUE ES UN MICROPROCESADOR?
Un microprocesador es un circuito integrado, con una escala de integración muy alta, formado por millones de transistores y resistencias. Todos estos transistores y resistencias se encuentran integrados, esto es que son producidos y conectados durante el mismo proceso de fabricación, todos forman una sola pieza.

Todo comienza con una pieza pura de un cristal de silicio, el cual es cortado en muchas obleas delgadas con gran precisión, y después estas obleas son introducidas en grandes hornos con gases, los cuales generan impurezas en el material de silicio, cambiando sus propiedades eléctricas.

El proceso de generar impurezas en el material se repite, anexando el paso de colocación de aislantes en algunas áreas de la oblea. Y de esta forma se construye el circuito integrado. Este proceso de alquimistas convierte arena en oro, generando grandes ganancias a los productores de microprocesadores, y creando cerebros electrónicos con la capacidad de un artrópodo promedio.

La comparación es correcta, pues como los insectos y crustáceos la PC puede reaccionar, aprender y recordar. A diferencia de los organismos avanzados que tienen conciencia verdadera, el microprocesador no puede razonar, no tiene conciencia de sí mismo. Aunque las computadoras a menudo son llamadas las “máquinas pensantes”, el microprocesador está muy lejos de los procesos pensantes y de la conciencia. O quizá no, algunos teóricos creen que nuestra mente y las computadoras trabajan fundamentalmente de la misma manera, aunque ninguno conoce cómo es que trabaja exactamente la mente humana.

Los principios operativos de los microprocesadores están muy bien comprendidos. Después de todo, a pesar de sus diseños revolucionarios y construcción, los principios operativos de los microprocesadores son exactamente los mismos a los de una máquina lavaplatos o una tostadora de pan, pues realizan su trabajo como una serie de pasos bajo un mecanismo guía, el cual es un motor de tiempos o un programa en memoria.

Como un electrodoméstico, un microprocesador está diseñado para llevar a cabo una función específica, y la tecnología de semiconductores de silicio fue simplemente aprovechada para implementar estas funciones.

Nada acerca de lo que hace un microprocesador es un misterio mágico. De hecho, un microprocesador no forzosamente debe ser hecho de silicio, ni estar basado en la electrónica.

Una serie de engranes, tuercas y elevadores, o una serie de tubos, válvulas y llaves podrían desempeñar todas las funciones lógicas, y generar los mismos resultados que una PC.

Las computadoras mecánicas e hidráulicas pueden de hecho, ser construidas. La ventaja de la electrónica en los microprocesadores es la velocidad, las señales eléctricas viajan cercanas a la velocidad de la luz (300,000 Km./s); los microprocesadores efectúan instrucciones a intervalos de millones de instrucciones por segundo, y en el futuro esto podría aumentar a billones o trillones. Sin la velocidad, los programas elaborados como éste no podrían haberse escrito.

El procesador juega un papel importante en los siguientes aspectos de un sistema de cómputo:

Rendimiento: El procesador probablemente es el principal dispositivo que determina el rendimiento en una computadora. Mientras otros componentes también juegan un papel importante en este aspecto, las capacidades del procesador dictan el rendimiento máximo del sistema, los otros dispositivos solamente permiten al procesador alcanzar su potencial máximo.

Soporte de Software: Los más nuevos y veloces procesadores permiten el uso del software más reciente. Adicionalmente estos nuevos procesadores permiten el uso de software especial para ellos que no puede ser usado en otras máquinas. Como por ejemplo, cuando salió al mercado el Pentium MMX, el cual contaba con instrucciones especiales para multimedia.

Seguridad y estabilidad: La calidad de los procesadores es un factor que determina que tan confiable será el funcionamiento de su sistema, mientras muchos procesadores son bastante confiables, existen algunos que no lo son. Esto también depende de algunas otras características como la edad del microprocesador y cuánta energía consume.

Consumo de energía y disipación de calor: Originalmente los procesadores consumían relativamente poca energía comparados con otros dispositivos. Los nuevos procesadores pueden consumir grandes cantidades de potencia, lo cual provoca calentamiento en el dispositivo (que es dañino). La cantidad de potencia consumida determina el método de enfriamiento o disipación de calor, necesario para mantener la seguridad del sistema.

Soporte de la Motherboard: El procesador que usted decida utilizar en su sistema será mayormente determinado por el tipo de chipset que esté utilizando en su Motherboard. La Motherboard dicta muchas de las facetas de la compatibilidad y rendimiento de su sistema.

 
DISEÑO DE UN CIRCUITO
Reducido a sus principios fundamentales, el funcionamiento de un microprocesador moderno basado en silicio o germanio (poco usado) no es difícil de entender. Son, simplemente, el equivalente electrónico de un interruptor. Cada vez que se golpea el microprocesador con un martillo electrónico (la entrada de información digital apropiada), reacciona haciendo algo específico, siempre la misma cosa para la misma entrada de información y las mismas condiciones.

Lo que hace complejo al microprocesador es la abundancia de entradas de información a las que puede reaccionar y la interacción entre las entradas de información sucesivas. Es decir que el resultado de ejecutar un comando en especial dependerá dramáticamente del comando anterior.

Conseguir un dispositivo eléctrico que responda como un interruptor, está clasificado como uno de los más grandes descubrimientos de la tecnología. Simplemente el telégrafo es uno de los primeros ejemplos y quizás el mejor. Al cerrar un interruptor se envía una baja corriente a un cable, que activa un electroimán en el extremo distante del cable, causando el traqueteo que rinde un mensaje a un telégrafo distante. Esta invención electromecánica magnífica es la base de toda la informática moderna. Pone un circuito eléctrico en control de otro circuito a una distancia grande o pequeña.

De estos simples principios, de la tecnología del telégrafo de 1850, se puede construir una computadora. Todo lo que es una computadora implica una de dos operaciones: toma de decisiones y memoria, es decir el reaccionar y el recordar. La tecnología del telégrafo puede hacer ambas. El semiconductor del silicio también, además permite controlar una señal con otra. El circuito electrónico que toma decisiones se llama compuerta lógica. El que recuerda se llama simplemente una memoria.

 
LAS COMPUERTAS LOGICAS
Darle a un circuito eléctrico el poder de tomar una decisión, no es tan difícil como se podría pensar. Para dar un ejemplo usaremos el telégrafo mecánico al cual podríamos agregar un brazo mecánico que esté conectado a un interruptor de luz en la pared, para que por medio del telégrafo lo podamos encender. Pero también podríamos emparejar dos brazos del telégrafo de modo que su esfuerzo común fuera requerido para encender la luz.

O también se podrían conectar los dos brazos de modo que una señal en cualquiera de ellos encendiera la luz. Finalmente se podría instalar el interruptor al revés de modo que cuando el telégrafo lo activara, la luz se apagara en vez de encenderse.

Estos tres ejemplos de diseño proporcionan la base para tres diversos tipos de circuitos de computadora llamados “compuertas lógicas” (AND, OR, y NOT respectivamente). Como circuitos eléctricos, se les llaman "compuertas" porque regulan el flujo de corriente, permitiendo que pase o que no pase. Estas compuertas lógicas dotan a un circuito eléctrico con el poder de la toma de decisiones, pudiendo ser agrupadas para formar combinaciones elaboradas y lograr que una computadora pueda tomar decisiones lógicas complejas.

El concepto de aplicar el álgebra a la toma lógica de decisiones fue propuesto por el matemático inglés George Boole. En 1847, Boole fundó el sistema de la lógica simbólica moderna que ahora llamamos la lógica booleana (alternativamente, álgebra booleana).

En su sistema, Boole redujo proposiciones a símbolos y a operadores formales que seguían estrictamente las reglas de las matemáticas. Usando su álgebra booleana, las proposiciones lógicas se podían probar con la misma certeza que una ecuación matemática.

Las tres compuertas lógicas pueden realizar la función de todos los operadores en lógica booleana, forman la base de la capacidad de toma de decisión de las computadoras. Existen otras clases de compuertas tales como NAND (abreviatura para "no AND"), NOR (Abreviatura para "no OR "), y OR exclusivo o XOR, pero es posible construir una de estas compuertas con las compuertas básicas, AND, OR, y NOT.

En circuitos de computadora cada compuerta requiere por lo menos un transistor. Un microprocesador con diez millones de transistores puede tener millones de compuertas.

 
MEMORIAS
Las mismas compuertas lógicas también se pueden arreglar para formar memoria. Regresemos con el telégrafo. En vez de operar la corriente para un foco, redireccionemos los cables del interruptor de modo que conecten también al electroimán del telégrafo.

Es decir cuando el telégrafo se active, activa un interruptor para proveerse de electricidad. Una vez que el telégrafo sea proveído de electricidad, continuará usando esa potencia incluso si se apaga la potencia original que primero hizo que encendiera.

En efecto, este simple sistema recuerda si se ha activado una vez. Se puede regresar en cualquier momento y ver si alguien ha enviado una señal al sistema de la memoria del telégrafo. Esta forma básica de memoria tiene un defecto: es colosal y nunca se olvida. El reajuste de este sistema de memoria requiere apagar manualmente la fuente principal de voltaje.

Una forma más útil de memoria toma dos señales de control; una la enciende, la otra la apaga. En la forma más simple, cada celda de está clase de memoria se hace a partir de dos circuitos conectados y cruzados de modo que al encender uno el otro se paga.

Debido a que una señal fija el dato en memoria y la otra la borra, a este circuito a veces se le llama memoria SET-RESET. Un término más común es flip-flop porque alternativamente cambia entre sus dos estados.

En circuitos de computadora, está clase de memoria a menudo simplemente se conoce como LATCH. Aunque la memoria principal de una PC utiliza una memoria que trabaja diferente al LATCH, los LATCHs son importantes en diseño de circuitos.

 
INSTRUCCIONES
Aunque los millones de compuertas en un microprocesador son tan pequeñas que no pueden incluso diferenciarse con un microscopio óptico (se necesita por lo menos un microscopio electrónico), actúan exactamente como los circuitos elementales. Utilizan señales eléctricas para controlar otras señales. Las señales son más complicadas, reflejando la naturaleza más elaborada de la computadora.

Los microprocesadores de hoy no utilizan una sola señal para controlar sus operaciones. Utilizan complejas combinaciones de señales. Cada comando del microprocesador es codificado como un patrón de señales. La señal en cada contacto representa un dígito binario de información digital. Los diseñadores de un microprocesador dan el significado especifico de estas señales digitales. Cada patrón es un comando llamado instrucción del microprocesador que le dice a éste como realizar una operación específica.

La configuración (patrón) de bits 0010110, por ejemplo, es la instrucción que le dice a la familia de microprocesadores Intel 8086 que ejecute la operación de resta. Otras instrucciones le dicen al microprocesador que debe sumar, multiplicar, dividir, mover bits, hacer corrimientos, o esperar por otra instrucción.

Los diseñadores de microprocesadores pueden agregar instrucciones para hacer cualquier cosa desde el cálculo de matrices hasta mover bits. El repertorio entero de comandos que cualquier microprocesador entiende y a los cuales puede reaccionar es llamado el conjunto de instrucciones de ese microprocesador o su conjunto de comandos. El diseñador del microprocesador elige que patrón de bits asignar a una función dada. Consecuentemente, diversos diseños del microprocesador reconocen diversos conjuntos de instrucciones. A pesar de sus límites pragmáticos, los conjuntos de instrucciones del microprocesador pueden ser increíblemente ricos y diversos y las instrucciones individuales increíblemente específicas. Los diseñadores del microprocesador original 8086, por ejemplo, sintieron que un simple comando de restar no era suficiente.

Creyeron que el microprocesador también necesitaba saber qué restar y qué hacer con el resultado. Por lo tanto, agregaron una variedad rica de instrucciones de substracción a la familia de chips 8086 que continua en el Pentium 4 de hoy.

Algunas instrucciones del microprocesador requieren una serie de pasos para ser realizadas. Estos comandos múltiples a veces se llaman instrucciones complejas debido a su naturaleza compuesta, pero a pesar de ello la instrucción parece un comando simple. La substracción simple o la adición de dos números puede implicar realmente docenas de pasos, incluyendo la conversión de los números de decimal a la notación binaria (1s y 0s) que el microprocesador entiende.

Todo lo que el microprocesador hace consiste en únicamente una serie de estas instrucciones, ejecutadas paso por paso. Un programa de computadora es simplemente una lista de instrucciones del microprocesador.

Las instrucciones son simples, pero los programas de computadora largos y complejos se construyen de ellas, como las epopeyas y las novelas se construyen de las palabras del lenguaje español. Aunque el escribir en español parece muy natural, la programación no se siente tan natural porque requiere pensar de diferente manera, en un lenguaje diferente. Incluso se tiene que pensar en trabajos tales como la adición de números, escribir una letra, o mover un bloque de gráficos, como una larga serie de pequeños pasos. Es decir la programación es solo una manera diferente de mirar los problemas y de expresar el proceso de solucionarlos.

Tal como mencionamos, este tema es parte del libro electrónico “Microprocesadores”, preparado por Krismar Computación. Ud. puede bajar más información sobre este tema de nuestra web, con la clave “mother”.

 
Sobre un Producto de Krismar Computación
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