Publicado: 10 de junio de 2024
Colaboradores: Josh Schneider, Ian Smalley
Un microprocesador es el tipo predominante de procesador de computadora moderno. Combina los componentes y la función de una unidad central de procesamiento (CPU) en un solo circuito integrado (IC) o unos pocos IC conectados.
Al igual que las CPU, los microprocesadores suelen considerarse el "cerebro" de la computadora. 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 multipropósito, controlado por un reloj y basado en registros.
Si bien los términos CPU y microprocesador a menudo se usan indistintamente, un microprocesador es esencialmente una CPU todo en uno en un solo chip. Este diseño de chip único reduce el número de conexiones eléctricas vulnerables, mejorando la confiabilidad al reducir los posibles puntos de falla. Como tal, los microprocesadores reemplazaron casi por completo a las CPU tradicionales de varios componentes.
Antes de los microprocesadores, las computadoras usaban racks de circuitos integrados para realizar las principales funciones informáticas de la computadora. En 1971, se produjo un cambio significativo en la tecnología informática con la introducción de Intel 4004, el primer microprocesador disponible comercialmente. Este innovador dispositivo, diseñado por Federico Faggin, no fue solo una respuesta a una solicitud de 12 microchips personalizados para una calculadora del fabricante japonés de electrónica Busicom. Fue un momento histórico que revolucionó la forma en que pensamos sobre la computación, 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 del procesamiento. Fabricados por proveedores líderes, como Intel y Pentium, y empleados por las principales compañías 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 están organizados en varios tipos de arquitectura informática única para realizar cálculos y ejecutar instrucciones. Las funciones de un microprocesador promedio se pueden dividir en cuatro pasos principales.
- Capturar: el microprocesador recupera (o "captura") instrucciones de la memoria de la computadora. El proceso de capturar puede iniciarse mediante entrada automática o manual.
- Decodificar: El microprocesador "decodifica" las instrucciones, esencialmente interpretando la entrada o comando en una solicitud e instigando un proceso o cálculo específico.
- Ejecutar: En pocas palabras, el microprocesador realiza la operación requerida o solicitada.
- Almacenar: el resultado de la ejecución se compromete en la memoria de la computadora.
Los microprocesadores pueden completar estos procesos combinando los componentes principales 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 CU interpreta las instrucciones e inicia su ejecución, dirigiendo las operaciones básicas del procesador.
- Registros: los registros proporcionan un almacenamiento de memoria pequeño y rápido empleado por una CPU para almacenar temporalmente datos e instrucciones durante los procesos computacionales.
- Memoria caché: los microprocesadores y las CPU emplean memoria caché, una forma de memoria de alta velocidad ubicada cerca de la CPU, para almacenar datos a los que se accede con frecuencia para acelerar 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 y las interfaces conectan físicamente diferentes componentes internos, lo que permite y facilita la comunicación dentro de la CPU y otros periféricos, como unidades de entrada/salida (E/S).
- Transistores: uno de los principales componentes básicos 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 común de la potencia del microprocesador.
- Núcleos del procesador: Las unidades de procesamiento individuales dentro de los microprocesadores se conocen como núcleos. Los procesadores modernos frecuentemente incorporan múltiples núcleos (doble núcleo, cuádruple núcleo), lo que permite el procesamiento paralelo al posibilitar la realización de múltiples tareas simultáneamente.
- Reloj: aunque no todos los microprocesadores contienen un reloj interno, todos están controlados por un reloj. Algunos dependen de chips de reloj externos, que son conocidos por mejorar la precisión. Ya sea interno o externo, el ciclo del reloj de un microprocesador determina la frecuencia con la que ejecutará los comandos. Las velocidades de reloj modernas se miden en megahercios (MHz) y gigahercios (GHz).
La arquitectura de un microprocesador se refiere a diversas metodologías de diseño y organización de los diversos 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 el procesador puede realizar. Las ISA, como las arquitecturas de computadora de conjunto de instrucciones reducidas (RISC) y computadora de conjunto de instrucciones complejas (CISC), proporcionan varios métodos para el procesamiento de datos, ofreciendo diferentes niveles de rendimiento, confiabilidad 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 o registros), lo que influye 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 instruye la secuencia de operaciones y administra 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 ofrece una estructura para diferentes niveles de memoria (caché, registros y 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 computadoras 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, video e imágenes.
Los siguientes son algunos de los principales tipos de microprocesadores.
Estos microprocesadores versátiles se encuentran en una amplia gama de aplicaciones y dispositivos comunes, como computadoras 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 una computadora funcional, es decir, memoria incorporada. Los microcontroladores funcionan como microcomputadoras y son los preferidos para controlar elementos específicos dentro de los sistemas informáticos integrados. Los microcontroladores pequeños y de baja potencia no requieren sistemas operativos complejos para funcionar y se emplean 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 la automatización industrial.
Los DSP están especializados en cálculos numéricos de alta velocidad y suelen emplearse 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 emplean habitualmente en aplicaciones militares como drones de vigilancia y otras aeronaves autónomas.
Los microprocesadores ASIC están diseñados para tareas específicas y están personalizados para satisfacer las demandas específicas de diversas aplicaciones. Algunos ejemplos de microprocesadores ASIC incluyen chips personalizados para consolas de juegos o minería de criptomonedas. Los DSP, las GPU y otros tipos de microprocesadores especializados también son técnicamente ASIC.
Los microprocesadores de GPU están especialmente diseñados para la exigente tarea de reproducir videos digitales y gráficos que requieren un rendimiento de alta potencia y procesamiento paralelo. De importancia crítica para los juegos de gama alta, los potentes microprocesadores GPU también se utilizan comúnmente en la minería de criptomonedas y son conocidos por su alto consumo de energía.
Un tipo de microprocesador ASIC específicamente optimizado para procesar paquetes de datos de red que se emplean con mayor frecuencia en conmutadores de telecomunicaciones, enrutadores y dispositivos de seguridad de red.
Los coprocesadores, como las unidades de punto flotante (FPU), están diseñados para proporcionar soporte auxiliar a la CPU principal de un sistema para aumentar el rendimiento durante ciertas tareas exigentes, como realizar cálculos científicos avanzados o fórmulas matemáticas complicadas.
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Una unidad central de procesamiento (CPU) es el componente funcional principal de una computadora. La CPU es un ensamblaje de circuitos electrónicos que ejecutan el sistema operativo y las aplicaciones de una computadora y gestionan una variedad de 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 de microcontrolador (MCU) es esencialmente una pequeña computadora 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 para adaptarse a diferentes propósitos, como la computación de alto rendimiento (HPC) y la creación de prototipos.
Las matrices de puertas programables en campo (FPGA) y las unidades de microcontrolador (MCU) son dos tipos de circuitos integrados (CI) comúnmente comparados que se utilizan típicamente en sistemas integrados y diseño digital. Tanto los FPGA como los microcontroladores pueden considerarse como “computadoras pequeñas” que pueden integrarse en dispositivos y sistemas más grandes.
Una unidad de procesamiento gráfico, también conocida como unidad de procesamiento de gráficos o GPU, es un circuito electrónico diseñado para acelerar el procesamiento de gráficos y de imágenes en una variedad de dispositivos, incluidas las tarjetas de video, las placas del sistema, teléfonos móviles y computadoras personales (PCs).