Microprocesador

Es el circuito integrado central y más complejo se un sistema se puede llamar por analogía el cerebro de la computadora. Es el encargado de ejecutar desde el sistema operativo hasta las aplicaciones Sólo ejecuta instrucciones a bajo nivel, es decir movimientos, operaciones aritméticas y lógicos simples.

Está compuesto por:

  • ALU: Unidad Aritmético-Lógica que hace cálculos con números y toma decisiones lógicas.
  • Registros: Zonas de memoria especiales para almacenar información temporalmente.
  • Unidad de Control: Descodifica los programas.
  • Bus: Transportan información digital (en bits) a través del chip y de la computadora.
  • Memoria Local: Utilizada para los cómputos efectuados en el mismo chip.
  • Memoria Cache: Memoria especializada que sirve para acelerar el acceso a los dispositivos externos de almacenamiento de datos.

Existen dos variantes fundamentales de arquitectura de procesadores: CISC (Complex Instruction Set Computer) y RISC (Reduced Instruction Set Computer).

CISC

Tienen un conjunto de instrucciones que se caracteriza por ser muy amplio y permitir operaciones complejas entre operandos situados en la memoria o en los registros internos. Este tipo de arquitectura dificulta el paralelismo entre instrucciones, por lo que, en la actualidad, la mayoría de los sistemas CISC de alto rendimiento implementan un sistema que convierte dichas instrucciones complejas en varias instrucciones simples del tipo RISC, llamadas generalmente microinstrucciones.

El nombre CISC apareció por contraposición a RISC cuando apareció esta nueva arquitectura de diseño (finales 1980).

RISC

Es una filosofía de diseño de CPU para computadora que está a favor de conjuntos de instrucciones pequeños y simples que se ejecutan más rápidamente y acceden a registros internos. Esta filosofía proviene del hecho de que muchas de las características de los diseños de las CPU estaban siendo ignoradas por los programas que eran ejecutados en ellas, principalmente por una simplificación de los compiladores que tienden a utilizar siempre las mismas instrucciones. Además, la velocidad del procesador en relación con la memoria de la computadora que accedía era cada vez más alta, por lo que se decidió reducir los accesos a memoria. Esto llevó a la aparición de RISC que utiliza diversas técnicas para reducir el procesamiento dentro del CPU, así como de reducir el número total de accesos a memoria.

Arquitectura Von Neumann

Tradicionalmente los sistemas con microprocesadores se basan en esta arquitectura, en la cual la unidad central de proceso (CPU), está conectada a una memoria principal única (casi siempre sólo RAM) donde se guardan las instrucciones del programa y los datos. A dicha memoria se accede a través de un sistema de buses único (control, direcciones y datos)

En un sistema con arquitectura Von Neumann el tamaño de la unidad de datos o instrucciones está fijado por el ancho del bus que comunica la memoria con la CPU. Así un microprocesador de 8 bits con un bus de 8 bits, tendrá que manejar datos e instrucciones de una o más unidades de 8 bits (bytes) de longitud. Si tiene que acceder a una instrucción o dato de más de un byte de longitud, tendrá que realizar más de un acceso a la memoria.

El tener un único bus hace que el microprocesador sea más lento en su respuesta, ya que no puede buscar en memoria una nueva instrucción mientras no finalicen las transferencias de datos de la instrucción anterior.

Las principales limitaciones que nos encontramos con la arquitectura Von Neumann son:

  • La limitación de la longitud de las instrucciones por el bus de datos, que hace que el microprocesador tenga que realizar varios accesos a memoria para buscar instrucciones complejas.
  • La limitación de la velocidad de operación a causa del bus único para datos e instrucciones que no deja acceder simultáneamente a unos y otras, lo cual impide superponer ambos tiempos de acceso.

Arquitectura Harvard

Este modelo, que utilizan los microcontroladores PIC, tiene la unidad central de proceso (CPU) conectada a dos memorias (una con las instrucciones y otra con los datos) por medio de dos buses diferentes.

Una de las memorias contiene solamente las instrucciones del programa (Memoria de Programa), y la otra sólo almacena datos (Memoria de Datos). Ambos buses son totalmente independientes lo que permite que la CPU pueda acceder de forma independiente y simultánea a la memoria de datos y a la de instrucciones. Como los buses son independientes éstos pueden tener distintos contenidos en la misma dirección y también distinta longitud. También la longitud de los datos y las instrucciones puede ser distinta, lo que optimiza el uso de la memoria en general.

Para un procesador de Set de Instrucciones Reducido, o RISC (Reduced Instruction Set Computer), el set de instrucciones y el bus de memoria de programa pueden diseñarse de tal manera que todas las instrucciones tengan una sola posición de memoria de programa de longitud.

Además, al ser los buses independientes, la CPU puede acceder a los datos para completar la ejecución de una instrucción, y al mismo tiempo leer la siguiente instrucción a ejecutar. Ventajas de esta arquitectura:

  • El tamaño de las instrucciones no está relacionado con el de los datos, y por lo tanto puede ser optimizado para que cualquier instrucción ocupe una sola posición de memoria de programa, logrando así mayor velocidad y menor longitud de programa.
  • El tiempo de acceso a las instrucciones puede superponerse con el de los datos, logrando una mayor velocidad en cada operación.

Partes de un Procesador

 Unidad de Control

Genera todas señales necesarias para controlar el circuito a través microinstrucciones así como las constantes en el sistema. Es decir va a tener un decodificador universal llamado memoria.

ROM de Programa

Es de solo lectura es decir solo se puede leer en tiempo de ejecución y se puede escribir cuando se está programando.

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