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Microprocesador
¿Qué es un microprocesador?
Publicado: 10 de junio de 2024
Colaboradores: Josh Schneider, Ian Smalley
Un microprocesador es el tipo predominante de procesador informático moderno. Combina los componentes y la función de una unidad central de procesamiento (CPU) en un único circuito integrado (CI) o en unos pocos CI conectados.
Al igual que las CPU, los microprocesadores suelen considerarse el "cerebro" del ordenador. A diferencia de las CPU tradicionales, los microprocesadores integran los circuitos aritméticos, lógicos y de control de las CPU más tradicionales en un único circuito digital polivalente, accionado por reloj y basado en registros.
Aunque los términos CPU y microprocesador suelen utilizarse indistintamente, un microprocesador es esencialmente una CPU todo en uno en un solo chip. Este diseño de un solo chip reduce el número de conexiones eléctricas vulnerables, lo que mejora la fiabilidad al reducir los posibles puntos de fallo. Los microprocesadores han sustituido casi por completo a las CPU tradicionales de varios componentes.
Antes de los microprocesadores, los ordenadores utilizaban conjuntos de circuitos integrados para realizar las principales funciones informáticas. En 1971 se produjo un cambio significativo en la tecnología informática con la introducción del Intel 4004, el primer microprocesador disponible comercialmente. Este innovador dispositivo, diseñado por Federico Faggin, no fue sólo una respuesta a una petición de 12 microchips personalizados para una calculadora del fabricante japonés de electrónica Busicom. Fue un momento histórico que revolucionó nuestra forma de concebir la informática, ya que Intel, en lugar de producir 12 chips individuales, creó un dispositivo lógico de uso general.
Con una potencia inferior a los estándares actuales, la arquitectura del Intel 4004 funcionaba a una velocidad de reloj de 740 kHz y sólo podía procesar flujos de datos con un máximo de 4 bits, también conocidos como "nibble". Aunque el 4004 es débil en comparación con los microprocesadores modernos de 8 a 64 bits, está considerado universalmente como un avance revolucionario en circuitos. Como predijo la ley de Moore, el rápido desarrollo de la tecnología de semiconductores condujo a importantes mejoras en la potencia de procesamiento. Fabricados por proveedores líderes, como Intel y Pentium, y utilizados por las principales empresas tecnológicas, como IBM, Microsoft y Apple, los microprocesadores impulsan miles de sistemas y aplicaciones, desde mandos a distancia de televisores hasta la Estación Espacial Internacional.
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Los microprocesadores modernos combinan millones de pequeños transistores, resistencias y diodos ensamblados en un material semiconductor para crear los componentes clave de una CPU. Estos componentes se organizan en varios tipos de arquitectura informática única para realizar cálculos y ejecutar instrucciones. Las funciones de un microprocesador medio pueden dividirse en cuatro pasos principales.
Pasos clave del microprocesador
- Capturar: el microprocesador recupera (o "captura") instrucciones de la memoria del ordenador. El proceso de búsqueda puede iniciarse de forma automática o manual.
- Decodificar: el microprocesador "descodifica" las instrucciones, interpretando la entrada o la orden como una petición e iniciando un proceso o cálculo específico.
- Ejecutar: en pocas palabras, el microprocesador realiza la operación requerida o solicitada.
- Almacenar: el resultado de la ejecución se almacena en la memoria del ordenador.
Los microprocesadores pueden completar estos procesos combinando los principales componentes de una CPU en un circuito singular. Los componentes clave de un microprocesador son los siguientes:
- Unidad aritmética lógica (ALU): unidad lógica principal de la CPU, este componente realiza operaciones lógicas, incluidos cálculos matemáticos y comparaciones de datos.
- Unidad de control (CU): el circuito de la CU interpreta las instrucciones e inicia su ejecución, dirigiendo las operaciones básicas del procesador.
- Registros: los registros son pequeñas memorias rápidas que la CPU utiliza para almacenar temporalmente datos e instrucciones durante los procesos de cálculo.
- Memoria caché: los microprocesadores y las CPU utilizan memoria caché, una forma de memoria de alta velocidad situada cerca de la CPU, para almacenar datos a los que se accede con frecuencia y acelerar así el rendimiento.
- Buses e interfaces de bus: las interfaces de bus proporcionan puntos de entrada y salida para que los datos viajen a través de varios grupos de cables (denominados buses), como el bus de direcciones o el bus de datos. Los buses e interfaces conectan físicamente diferentes componentes internos, permitiendo y facilitando la comunicación dentro de la CPU y otros periféricos como las unidades de entrada/salida (E/S).
- Transistores: uno de los principales componentes de los circuitos integrados, los transistores son pequeños semiconductores que regulan, amplifican y generan corrientes y señales eléctricas. También pueden actuar como simples interruptores o combinarse para formar puertas lógicas. El número de transistores es un indicador habitual de la potencia de un microprocesador.
- Núcleos de procesador: las unidades de procesamiento individuales de los microprocesadores se conocen como núcleos. Los procesadores modernos suelen incorporar varios núcleos (dual-core, quad-core) que permiten el procesamiento en paralelo al posibilitar la realización de varias tareas simultáneamente.
- Reloj: aunque no todos los microprocesadores contienen un reloj interno, todos funcionan con reloj. Algunos se basan en chips de reloj externos, conocidos por su mayor precisión. Ya sea interno o externo, el ciclo de reloj de un microprocesador determina la frecuencia a la que ejecutará los comandos. Las velocidades de reloj modernas se miden en megahercios (MHz) y gigahercios (GHz).
La arquitectura de un microprocesador hace referencia a diversas metodologías de diseño y organización de los distintos componentes de la CPU del procesador. Estos son los elementos arquitectónicos clave de un microprocesador:
- Arquitectura del conjunto de instrucciones (ISA): la ISA del microprocesador define el conjunto de instrucciones que puede ejecutar el procesador. Los ISA, como las arquitecturas Reduced Instruction Set Computer (RISC) y Complex Instruction Set Computer (CISC), proporcionan diversos métodos para el proceso de datos, ofreciendo distintos niveles de rendimiento, fiabilidad y velocidad adecuados para diferentes tipos de aplicaciones.
- Ruta de datos: la ruta de datos de un microprocesador dicta el orden en que los datos se mueven a través de los componentes del microprocesador (buses, ALU, registros), influyendo en el rendimiento general.
- Ruta de control: similar a la ruta de datos, el elemento de ruta de control de la arquitectura de un microprocesador ordena la secuencia de operaciones y gestiona la transmisión de datos dentro de la CPU.
- Jerarquía de memoria: la jerarquía de memoria es un componente crítico de la arquitectura del procesador, ya que proporciona una estructura para los diferentes niveles de memoria (caché, registros, RAM) para optimizar el acceso eficiente a los datos y la velocidad de recuperación.
Los microprocesadores varían en potencia, rendimiento, metodologías de arquitectura, tamaño, consumo de energía y muchas otras variables, y están diseñados para todo tipo de aplicaciones. Los microprocesadores de uso general son habituales en ordenadores personales y dispositivos móviles, mientras que las unidades especializadas de alto rendimiento, como los procesadores digitales de señales (DSP), se diseñan para tareas exigentes como el procesamiento de audio, voz, vídeo e imágenes.
A continuación se enumeran algunos de los principales tipos de microprocesadores.
Estos versátiles microprocesadores se encuentran en una amplia gama de aplicaciones y dispositivos comunes, como ordenadores portátiles y servidores.
Aunque es más exacto decir que los microcontroladores contienen microprocesadores, este tipo de chips también cuentan con todos los componentes adicionales necesarios para un ordenador funcional, a saber, la memoria integrada. Los microcontroladores funcionan como microordenadores y son los preferidos para controlar elementos específicos dentro de sistemas informáticos integrados. Los microcontroladores pequeños y de bajo consumo no necesitan sistemas operativos complejos para funcionar y se utilizan habitualmente en la industria del automóvil para optimizar las unidades de control del motor (ECU), los sistemas avanzados de asistencia al conductor (ADAS) y las unidades de infoentretenimiento, así como una amplia gama de dispositivos electrónicos de consumo e incluso de automatización industrial.
Los DSP están especializados en cálculos numéricos de alta velocidad y suelen utilizarse para tareas exigentes como el procesamiento de audio, las telecomunicaciones y el tratamiento de imágenes. También pueden encontrarse en aplicaciones que requieren la interpretación de señales analógicas a digitales, como los sensores meteorológicos. Los DSP se utilizan habitualmente en aplicaciones militares como drones de vigilancia y otras aeronaves autónomas.
Los microprocesadores ASIC se diseñan para tareas específicas y se personalizan para satisfacer las demandas concretas de diversas aplicaciones. Algunos ejemplos de microprocesadores ASIC son los chips personalizados para videoconsolas o la minería de criptomonedas. Los DSP, las GPU y otros tipos de microprocesadores especializados también son técnicamente ASIC.
Los microprocesadores GPU están especialmente diseñados para la exigente tarea de renderizar vídeo y gráficos digitales que requieren un rendimiento de alta potencia y procesamiento paralelo. Los potentes microprocesadores GPU, de importancia crítica para los juegos de gama alta, también se utilizan habitualmente en la minería de criptomonedas y son conocidos por su elevado consumo de energía.
Tipo de microprocesador ASIC optimizado específicamente para procesar paquetes de datos de red que se utiliza con mayor frecuencia en conmutadores de telecomunicaciones, enrutadores y dispositivos de seguridad de red.
Los coprocesadores, como las unidades de coma flotante (FPU), están diseñados para proporcionar un soporte auxiliar a la CPU principal de un sistema con el fin de aumentar el rendimiento durante determinadas tareas exigentes, como la realización de cálculos científicos avanzados o fórmulas matemáticas complicadas.
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Recursos
Una unidad central de procesamiento (CPU) es el componente funcional principal de un ordenador. La CPU está formada por un conjunto de circuitos electrónicos que ejecutan el sistema operativo y las aplicaciones de un ordenador y gestionan otras muchas operaciones informáticas.
El almacenamiento de datos se refiere a los soportes magnéticos, ópticos o mecánicos que registran y conservan la información digital para operaciones en curso o futuras.
Una unidad microcontroladora (MCU) es esencialmente un pequeño ordenador en un solo chip. Está diseñado para gestionar tareas específicas dentro de un sistema integrado sin necesidad de un sistema operativo complejo.
Una matriz de puertas programables en campo (FPGA) es un tipo versátil de circuito integrado diseñado para ser programable a nivel de hardware y adaptarse a distintos fines, como la informática de alto rendimiento (HPC) y la creación de prototipos.
Las matrices de puertas programables en campo (FPGA) y las unidades de microcontroladores (MCU) son dos tipos de circuitos integrados (CI) comúnmente comparados que suelen utilizarse en sistemas empotrados y diseño digital. Tanto las FPGA como los microcontroladores pueden considerarse "pequeños ordenadores" que pueden integrarse en dispositivos y sistemas más grandes.
Una unidad de procesamiento gráfico, también conocida como unidad de procesamiento gráfico o GPU, es un circuito electrónico diseñado para acelerar el procesamiento de imágenes y gráficos informáticos en diversos dispositivos, como tarjetas de vídeo, placas de sistema, teléfonos móviles y ordenadores personales (PC).