El Microprocesador y sus aplicaciones
INTRODUCCIÓN:
Ninguna otra invención en la historia se ha diseminado tan aprisa por todo el mundo o ha tocado tan profundamente tantos aspectos de la existencia humana. Hoy existen casi 15,000 millones de microchips de alguna clase en uso.
De cara a esa realidad, quién puede dudar que el microprocesador no sólo esté transformando los productos que usamos, sino también nuestra forma de vivir y, por último, la forma en que percibimos la realidad.
No obstante que reconocemos la penetración del microprocesador en nuestras vidas, ya estamos creciendo indiferentes a la presencia de esos miles de máquinas diminutas que nos encontramos sin saberlo todos los días. Así que, antes de que se integre de manera demasiado imperceptible en nuestra diaria existencia, es el momento de celebrar al microprocesador y la revolución que ha originado, para apreciar el milagro que es en realidad cada uno de esos chips de silicio diminutos y meditar acerca de su significado para nuestras vidas y las de nuestros descendientes.
Definición microprocesador:
El microprocesador es la parte de la computadora diseñada para llevar acabo o ejecutar los programas. Este viene siendo el cerebro de la computadora, el motor, el corazón de esta máquina. Este ejecuta instrucciones que se le dan a la computadora a muy bajo nivel haciendo operaciones lógicas simples, como sumar, restar, multiplicar y dividir. El microprocesador, o simplemente el micro, es el cerebro del ordenador. Es un chip, 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 tiene una arquitectura parecida a la computadora digital. En otras palabras, el microprocesador es como la computadora digital porque ambos realizan cálculos bajo un programa de control. Consiguientemente, la historia de la computadora digital nos ayudará a entender el microprocesador.
Partes del microprocesador:
- El encapsulado: es lo que rodea a la oblea de silicio en si, para darle consistencia, impedir su deterioro (por ejemplo, por oxidación por el aire) y permitir el enlace con los conectores externos que lo acoplaran a su zócalo a su placa base.
- La memoria cache: es una memoria ultrarrápida que emplea el micro para tener a mano ciertos datos que predeciblemente serán utilizados en las siguientes operaciones sin tener que acudir a la memoria RAM reduciendo el tiempo de espera. Por ejemplo: en una biblioteca, en lugar de estar buscando cierto libro a través de un banco de ficheros de papel se utiliza las computadora, y gracias a la memoria cache, obtiene de manera rápida la información. Todos los micros compatibles con PC poseen la llamada cache interna de primer nivel o L1; es decir, la que está más cerca del micro, tanto que está encapsulada junto a él. Los micros más modernos (Pentium III Coppermine, Athlon Thunderbird, etc.) incluyen también en su interior otro nivel de caché, más grande aunque algo menos rápida, la caché de segundo nivel o L2.
- Coprocesador Matemático: o correctamente la FPU (Unidad de coma flotante). Que es la parte del micro especializada en esa clase de cálculos matemáticos, antiguamente estaba en el exterior del micro en otro chip. Esta parte esta considerada como una parte "lógica" junto con los registros, la unidad de control, memoria y bus de datos.
- Los registros: son básicamente un tipo de memoria pequeña con fines especiales que el micro tiene disponible para algunos usos particulares. Hay varios grupos de registros en cada procesador. Un grupo de registros esta diseñado para control del programador y hay otros que no son diseñados para ser controlados por el procesador pero que CPU los utiliza en algunas operaciones en total son treinta y dos registros.
- La memoria: es el lugar donde el procesador encuentra sus instrucciones de programa y sus datos. Tanto los datos como las instrucciones están almacenados en memoria, y el procesador los toma de ahí. La memoria es una parte interna de la computadora y su función esencial es proporcionar un espacio de trabajo para el procesador.
- Puertos: es la manera en que el procesador se comunica con el mundo externo. Un puerto es parecido a una línea de teléfono. Cualquier parte de la circuitería de la computadora con la cual el procesador necesita comunicarse, tiene asignado un número de puerto que el procesador utiliza como un numero de teléfono para llamar al circuito o a partes especiales.
Los microprocesadores se clasifican:
Basándose en diversos factores. Estos factores son diseñados para evaluar la velocidad del procesador y la cantidad de información que puede transferir. Las clasificaciones de velocidad para los microprocesadores se miden en gigahertz o megahertz, mientras que la cantidad de información que pueden transferir se mide en kilobytes o megabytes.
Microprocesador de propósito general: como su nombre lo indica, esta clase de microprocesador se utiliza en la realización de variadas tareas en referencia al tratamiento de la información. Es empleado principalmente en la confección de computadoras cuyo propósito también es de carácter general.
Microprocesador de propósito determinado: esta clase de microprocesador fue creado con el fin de realizar una tarea concreta, específica. Por este motivo, una vez programados ejecutan el mismo programa, el cual es almacenado en ROM.
. Velocidad: La velocidad de un procesador está clasificada en función del número de ciclos de procesamiento por segundo que genera. Estos ciclos se clasifican comúnmente en gigahertz y megahertz. 1 gigahertz equivale 1000 millones de ciclos de procesamiento por segundo, mientras que 1 megahertz equivale a 1 millón de ciclos por segundo.
Tamaño del caché: Los microprocesadores modernos contienen cachés de datos que están diseñados para almacenar
información que está siendo transmitida hacia y desde el procesador. Un caché de mayor tamaño permite un acceso más rápido a las datos de uso frecuente, lo que brinda mejores velocidades de procesamiento. Los cachés se designan como caché L1, L2 o L3 y generalmente van desde 64 kilobytes hasta 1 megabyte en tamaño.
Velocidad de bus: Los procesadores también se clasifican en función de la rapidez con la cual transfieren datos entre el procesador y la placa madre. Esta clasificación es distinta a la velocidad del procesador, aunque también se mide en megahertz o gigahertz. Comúnmente conocido como el FSB (bus frontal, por sus siglas en inglés) o SB (bus de sistema, por sus siglas en inglés), esta clasificación tiene un fuerte impacto sobre la potencia global de un procesador.
Historia de los microprocesadores
Los inicios: Sin embargo, para que esto llegue, la historia de los procesadores ha pasado por diferentes situaciones, siguiendo la lógica evolución de este mundo. Desde aquel primer procesador 4004 del año 1971 hasta el actual Pentium II del presente año ha llovido mucho en el campo de los procesadores. Tanto, que no estamos seguros si las cifras que se barajan en Intel se pueden, incluso, quedar cortas. Aquel primer procesador 4004, presentado en el mercado el día 15 de noviembre de 1971, poseía unas características únicas para su tiempo.
Para empezar, la velocidad de reloj sobrepasaba por poco los 100 KHz (sí, habéis leído bien, kilohertzios), disponía de un ancho de bus de 4 bits y podía manejar un máximo de 640 bytes de memoria. Realmente una auténtica joya que para entonces podía realizar gran cantidad de tareas, pero que por desgracia no tiene punto de comparación con los actuales micros. Entre sus aplicaciones, podemos destacar su presencia en la calculadora Busicom, así como dotar de los primeros tintes de inteligencia a objetos inanimados.
Poco tiempo después, sin embargo, el 1 de abril de 1972, Intel anunciaba una versión mejorada de su procesador. Se trataba del 8008, que contaba como principal novedad con un bus de 8 bits, y la memoria direccionable se ampliaba a los 16 Kb. Además, llegaba a la cifra de los 3500 transistores, casi el doble que su predecesor, y se le puede considerar como el antecedente del procesador que serviría de corazón al primer ordenador personal.
Justo dos años después, Intel anunciaba ese tan esperado primer ordenador personal, de nombre Altair, cuyo nombre proviene de un destino de la nave Enterprise en uno de los capítulos de la popular serie de televisión Star Trek la semana en la que se creó el ordenador. Este ordenador tenía un coste de entorno a los 400 dólares de la época, y el procesador suponía multiplicar por 10 el rendimiento del anterior, gracias a sus 2 MHz de velocidad (por primera vez se utiliza esta medida), con una memoria de 64 Kb. En unos meses, logró vender decenas de miles de unidades, en lo que suponía la aparición del primer ordenador que la gente podía comprar, y no ya simplemente utilizar.
La introducción de IBM
Sin embargo, como todos sabemos, el ordenador personal no pasó a ser tal hasta la aparición de IBM, el gigante azul, en el mercado. Algo que sucedió en dos ocasiones en los meses de junio de 1978 y de 1979. Fechas en las que respectivamente, hacían su aparición los microprocesadores 8086 y 8088, que pasaron a formar el denominado IBM PC, que vendió millones de unidades de ordenadores de sobremesa a lo largo y ancho del mundo. El éxito fue tal, que Intel fue nombrada por la revista "Fortune" como uno de los mejores negocios de los años setenta. De los dos procesadores, el más potente era el 8086, con un bus de 16 bits (por fin), velocidades de reloj de 5, 8 y 10 MHz, 29000 transistores usando la tecnología de 3 micras y hasta un máximo de 1 Mega de memoria direccionable.
El rendimiento se había vuelto a multiplicar por 10 con respecto a su antecesor, lo que suponía un auténtico avance en lo que al mundo de la informática se refiere. En cuanto al procesador 8088, era exactamente igual a éste, salvo la diferencia de que poseía un bus de 8 bits en lugar de uno de 16, siendo más barato y obteniendo mejor respaldo en el mercado.
En el año 1982, concretamente el 1 de febrero, Intel daba un nuevo vuelco a la industria con la aparición de los primeros 80286. Como principal novedad, cabe destacar el hecho de que por fin se podía utilizar la denominada memoria virtual, que en el caso del 286 podía llegar hasta 1 Giga. También hay que contar con el hecho de que el tiempo pasado había permitido a los ingenieros de Intel investigar más a fondo en este campo, movidos sin duda por el gran éxito de ventas de los anteriores micros.
Ello se tradujo en un bus de 16 bits, 134000 transistores usando una tecnología de 1.5 micras, un máximo de memoria direccionable de 16 Megas y unas velocidades de reloj de 8, 10 y 12 MHz. En términos de rendimiento, podíamos decir que se había multiplicado entre tres y seis veces la capacidad del 8086, y suponía el primer ordenador que no fabricaba IBM en exclusiva, sino que otras muchas compañías, alentadas por los éxitos del pasado, se decidieron a crear sus propias máquinas. Como dato curioso, baste mencionar el hecho de que en torno a los seis años que se le concede de vida útil, hay una estimación que apunta a que se colocaron en torno a los 15 millones de ordenadores en todo el mundo.
El año de 1985 es clave en la historia de los procesadores. El 17 de octubre Intel anunciaba la aparición del procesador 80386DX, el primero en poseer una arquitectura de 32 bits, lo que suponía una velocidad a la hora de procesar las instrucciones realmente importante con respecto a su antecesor.
Dicho procesador contenía en su interior en torno a los 275000 transistores, más de 100 veces los que tenía el primer 4004 después de tan sólo 14 años. El reloj llegaba ya hasta un máximo de 33 MHz, y era capaz de direccionar 4 Gigas de memoria, tamaño que todavía no se ha superado por otro procesador de Intel dedicado al mercado doméstico. En 1988, Intel desarrollaba un poco tarde un sistema sencillo de actualizar los antiguos 286 gracias a la aparición del 80386SX, que sacrificaba el bus de datos para dejarlo en uno de 16 bits, pero a menor coste.
Estos procesadores irrumpieron con la explosión del entorno gráfico Windows, desarrollado por Microsoft unos años antes, pero que no había tenido la suficiente aceptación por parte de los usuarios. También había habido algunos entornos que no habían funcionado mal del todo, como por ejemplo el Gem 3, pero no es hasta este momento cuando este tipo de entornos de trabajo se popularizan, facilitando la tarea de enfrentarse a un ordenador, que por aquel entonces sólo conocíamos unos pocos. Windows vino a ser un soplo de aire fresco para la industria, pues permitió que personas de cualquier condición pudiera manejar un ordenador con unos requerimientos mínimos de informática.
Llega el Pentium
Sin embargo, Intel no se quedó contemplando la gran obra que había creado, y rápidamente anunció que en breve estaría en la calle una nueva gama de procesadores que multiplicaría de forma general por cinco los rendimientos medios de los 80486. Se trataba de los Pentium, conocidos por P5 en el mundillo de la informática mientras se estaban desarrollando, y de los que la prensa de medio mundo auguraba un gran futuro, tal y como así ha sido.
Estos procesadores pasarán a la historia por ser los primeros a los que Intel no los bautizó con un número, y sí con una palabra. Esto era debido a que otras compañías dedicadas a la producción de procesadores estaban utilizando los mismos nombres puesto que no se podía registrar una cadena de ellos como marca, y por lo tanto, eran de dominio público.
De modo que a Intel no le quedó más remedio que ponerle una palabra a su familia de procesadores, que además, con el paso del tiempo, se popularizó en los Estados Unidos de tal forma, que era identificada con velocidad y potencia en numerosos cómics y programas de televisión. Estos procesadores que partían de una velocidad inicial de 60 MHz, han llegado hasta los 200 MHz, algo que nadie había sido capaz de augurar unos años antes.
Pentium Pro y Pentium II
La aparición, el 27 de marzo de 1995, del procesador Pentium Pro supuso para los servidores de red y las estaciones de trabajo un aire nuevo, tal y como ocurriera con el Pentium en el ámbito doméstico. La potencia de este nuevo procesador no tenía comparación hasta entonces, gracias a la arquitectura de 64 bits y el empleo de una tecnología revolucionaria como es la de .32 micras, lo que permitía la inclusión de cinco millones y medio de transistores en su interior.
El procesador contaba con un segundo chip en el mismo encapsulado, que se encargaba de mejorar la velocidad de la memoria caché, lo que resultaba en un incremento del rendimiento sustancioso. Las frecuencias de reloj se mantenían como límite por arriba en 200 MHz, partiendo de un mínimo de 150 MHz. Un procesador que en principio no tiene muchos visos de saltar al mercado doméstico, puesto que los procesadores Pentium MMX parecen cubrir de momento todas las necesidades en este campo. No podemos asegurar que en un futuro cercano esto no acabe ocurriendo, pues en el mundo de la informática han sucedido las cosas más extrañas, y nunca se sabe por dónde puede tirar un mercado en constante evolución.
Una evolución que demostró Intel hace muy poco con un nuevo procesador, denominado Pentium II, que viene a ser simplemente un nuevo ingenio que suma las tecnologías del Pentium Pro con el MMX. Como resultado, el Pentium II es el procesador más rápido de cuantos ha comercializado Intel. Por el momento únicamente se dispone de las versiones a 233 y 266 MHz, pero después de este verano podremos disfrutar de la versión de 300 MHz, que supondrá un nuevo récord de velocidad de reloj. El Pentium II, cuyas características fueron tratadas con detalle en el artículo de portada del pasado mes de la revista, es hoy (por poco tiempo) el extremo de la cadena evolutiva de Intel.
El futuro de los microprocesadores
La evolución que están sufriendo los procesadores es algo que no parece escapar a la atención de millones de personas, cuyo trabajo depende de hasta dónde sean capaces de llegar los ingenieros de Intel a la hora de desarrollar nuevos chips. El último paso conocido ha sido la implementación de la nueva arquitectura de 0.25 micras, que viene a sustituir de forma rotunda la empleada hasta el momento, de 0.35 micras en los últimos modelos de procesador. Esto va a significar varias cosas en un futuro no muy lejano.
Para empezar, la velocidad se incrementará una media del 33 por ciento con respecto a la generación de anterior. Es decir, el mismo procesador usando esta nueva tecnología puede ir un 33 por ciento más rápido que el anterior. Para que os podáis hacer una idea del tamaño de esta tecnología, deciros que el valor de 0.25 micras es unas 400 veces más pequeño que un pelo de cualquier persona. Y este tamaño es el que tienen los transistores que componen el procesador. El transistor, como muchos sabréis, permite el paso de la corriente eléctrica, de modo que en función de en qué transistores haya corriente, el ordenador realiza las cosas (esto es una simplificación de la realidad, pero se ajusta a ella más o menos). Dicha corriente eléctrica circula entre dos puntos, de modo que cuanto menor sea esta distancia, más cantidad de veces podrá pasar pues el tiempo de paso es menor. Aunque estamos hablando de millonésimas de segundo, tened en cuenta que un procesador está trabajando continuamente, de modo que ese tiempo que parece insignificante cuando es sumado a lo largo de las miles de millones de instrucciones que realizar, nos puede dar una cantidad de tiempo bastante importante.
La tecnología MMX
Aunque no podamos considerar la tecnología MMX como un procesador en sí mismo, sería injusto no hablar de ella en un informe como éste. Es uno de los mayores pasos que ha dado Intel en la presente década, y según ellos mismos, todos los procesadores que fabriquen a partir de mediados del próximo año llevarán incorporada esta arquitectura. Para su desarrollo se analizaron un amplio rango de programas para determinar el funcionamiento de diferentes tareas: algoritmos de descompresión de vídeo, audio o gráficos, formas de reconocimiento del habla o proceso de imágenes, etc.
El análisis dio como resultado que numerosos algoritmos usaban ciclos repetitivos que ocupaban menos del 10% del código del programa, pero que en la práctica suponían el 90% del tiempo de ejecución. De modo que nació la tecnología MMX, compuesta por 57 instrucciones y 4 tipos de datos nuevos, que se encargan de realizar esos trabajos cíclicos consumiendo mucho menos tiempo de ejecución. Antes, para manipular 8 bytes de datos gráficos requería 8 repeticiones de la misma instrucción; ahora, con la nueva tecnología, se puede utilizar una única instrucción aplicada a los 8 bytes simultáneamente, obteniendo de este modo un incremento del rendimiento de 8x.
Capacidades indispensables del microprocesador
Los microprocesadores deben cumplir con ciertas capacidades, la primera leer y escribir información en la memoria de la computadora. Esto es decisivo ya que en las instrucciones del programa que ejecuta el microprocesador y los datos sobre los cuales trabaja están almacenados temporalmente en esa memoria. La otra capacidad es reconocer y ejecutar una serie de comandos o instrucciones proporcionados por los programas. La tercera capacidad es decirle a otras partes de la computadora lo que deben de hacer, para que el micro pueda dirigir la operación a la computadora. En pocas palabras los circuitos de control de la MPU o microprocesador tienen la función de decodificar y ejecutar el programa (un conjunto de instrucciones para el procesamiento de los datos)
VENTAJAS Y DESVENTAJAS
La ventaja de un microprocesador es que fue diseñado para aplicaciones mas pesadas y como tal puede direccionar grandes cantidades de memoria (RAM y ROM) los hay de tipo CICS y RICS.
Permite un gran ahorro de instrucciones ya que el resultado de cualquier instrucción que opere con la memoria, ya sea simple o doble operando, puede dejarse en la misma posición de memoria do de registro w. según se seleccione con un bit de la misma instrucción.
• Actualizable por software
• cada actualización mejora el desempeño
• Mejor diseño y depuración
La desventajas del Microprocesador es que esto no posee nada es un chip solo y por consiguiente tienes que ponerle las interfaces nesesarias para trabajar (ROM; RAM; puertos, oscilador, etc.
Aplicación a los campos de instrumentación y control:
La revolución de los componentes. Creando micro y pequeños componentes, especialmente en el área digital, teniendo mayor funcionabilidad a los instrumentos con un significante incremento al costo.
• La revolución del procesador. La mayor parte de los instrumentos inteligentes son basados en microprocesadores, surgiendo una plataforma que desarrollo todo el software realzando la funcionabilidad
• La velocidad de los componentes. La alta velocidad de operación permite realizar aplicaciones en tiempo real agregando mayor funcionabilidad al instrumento.
• Los componentes de la red. Pueden recibir comandos para realizar acciones en forma remota desde el equipo de control o enviar los resultados de los análisis hacia la visualización en computadoras, pantallas o paneles de control usando una red de datos de campo.
• Todos estos conceptos resaltan la funcionabilidad del instrumento y del sistema de control distribuido.
La incorporación de instrumentos inteligentes y de la comunicación digital en el nivel de campo ha mostrado un incremento en el interés en el desarrollo de alta confiabilidad, tolerante a fallas, diseños arquitectónicos. Los diseñadores deben ahora desarrollar sistemas de alta confiabilidad, de autodiagnóstico para prevenir y repararse y en algunos casos la habilidad para funcionar correctamente.
Conclusión:
El diseño de microprocesadores se estudiaba en las universidades de ingeniería con miras a mejorar los diseños existentes. Hoy en día se prefiere enseñar microprocesadores y arquitectura de computadoras desde el punto de vista económico o cuantitativo, desde el punto de rendimiento-costo.
La Introducción de los instrumentos basados en microprocesadores ha hecho posible la creación de nuevas oportunidades en el campo de medición y control. Este desarrollo se ha visto reflejado en la realización de instrumentos de mayor capacidad y su interface con el equipo de control a través de la comunicación digital a nivel de campo.
Aunque las tecnologías mencionadas son comerciales, hay una falta de conocimiento y dudas respecto a la futura estandarización de la automatización industrial. Los resultados obtenidos de alguna manera servirán para evaluar experimentalmente a una planta industrial con el afán de resolver problemas en tiempo real tales como ruido, interferencias, factores ambientales, etc.
Sumando los nuevos desarrollos e investigaciones aplicadas, los instrumentos y control inteligentes continuarán su ascenso en la optimización local y en red para el mejoramiento productivo.
REFERENCIAS
• Microprocesador; (https://es.wikipedia.org/wiki/Microprocesador
• https://www.definicionabc.com/tecnologia/microprocesador.php
• https://www.ecured.cu/Microprocesador
• www.profesorbot.com/curiosidad/nobel-de-fisica-grafeno/
Excelente artículo @borcast Muy detallado e interesante! Desde luego ¿Qué sería de nuestra vida sin los microprocesadores? Como bien dices, ninguna otra invención en la historia ha tenido tanto impacto en nuestras vidas como los procesadores y toda la electrónica en general.
¡Un saludo y enhorabuena por el post!
Muchas gracias por el comentario, igualmente Saludos!
Excelente post querido amigo.. Saludos
Excelente informacion, muy util
Hola @borcast te recomiendo leer el siguiente post: https://steemit.com/stem-espanol/@carloserp-2000/directrices-sobre-normas-de-derechos-de-autor-en-steemstem-stem-espanol
Muy buena información, excelente gracias por compartirla