¿Cuáles son las funciones de un microprocesador?

Los microprocesadores son el primer intento exitoso de un “cerebro artificial”. La principal función del microprocesador es dar instrucciones o ejercer un control digital sobre otros dispositivos.

De hecho el microprocesador es básicamente el cerebro de una amplia variedad de dispositivos electrónicos, desde los más simples como sumadoras, relojes de mano, pasando por equipos celulares, juguetes; hasta autos, equipos automatizados especializados y grandes maquinarias.

El primer microprocesador o chip de uso múltiple fue lanzado al mercado por Intel en 1971, llamado Intel 4004. Operaba a 4 bits de datos por vez con una velocidad o frecuencia de reloj de 108 kilo Hertz (kHz).

Los microprocesadores de hoy operan a miles y millones de veces esa velocidad, de acuerdo con su uso se presentan en distintas formas, tamaños y niveles de sofisticación.

Un ensayo publicado en UKessays.com hace referencia al papel del microprocesador en la informatización del siglo XX y los cataloga como “herramienta de generación de sabiduría” para este siglo XXI.

Analicemos las principales funciones de un microprocesador y repasemos su definición, evolución e importancia.

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¿Qué es un microprocesador?

Un microprocesador o simplemente procesador es una unidad de procesamiento de uno o varios circuitos integrados (IC) que posee funciones de unidad de procesamiento.

Podemos considerar al microprocesador como un circuito integrado, digital y multipropósito que recibe datos binarios como entrada, los procesa de acuerdo a instrucciones almacenadas y ofrece datos como salida.

Techwalla.com define microprocesador como un circuito eléctrico integrado capaz de llevar a cabo instrucciones de un software o aplicación. Como circuito integrado recibe instrucciones de un programa, procesa o interpreta dichas instrucciones y ejecuta un conjunto de acciones como salida.

En síntesis un microprocesador o chip multipropósito es un circuito integral programable que guarda instrucciones en su memoria, ejecuta dichas instrucciones en procesos de datos digitales y ejerce control sobre otros terminales como el resto de componentes dentro de un ordenador y sus dispositivos de entrada y salida.

El microprocesador está programado para dar y recibir instrucciones de otros componentes del dispositivo, funcionando como un cerebro artificial. No en vano en términos coloquiales se le llama “cerebro” del computador.

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Características del microprocesador

Los microprocesadores trabajan con base en lógica digital. Los tres componentes que forman las características principales del microprocesador son una serie de instrucciones digitales, un cierto ancho de banda medido en ancho de palabra o “word size” y la velocidad o “frecuencia de reloj” que mide el número de instrucciones que un microprocesador puede ejecutar.

El microprocesador recibe una serie de instrucciones digitales de máquina. La unidad aritmética lógica (ALU por sus siglas en inglés) del procesador realiza una serie de cálculos basados en las instrucciones que recibió.

Adicionalmente, la unidad mueve información de una memoria a otra y tiene la capacidad de pasar de una serie de instrucciones a otra. La eficiencia con la que opera dependerá de las características antes referidas; valoremos un poco más de detalle.

¿Qué es el ancho de palabra de un procesador?

Los procesadores pueden elegirse con base en el ancho de palabra o “word size” podemos verlo como una medida de su complejidad de cómputo.

Recordemos que una palabra o word en el contexto de informática es una secuencia finita de bits, la gran mayoría de microprocesadores modernos tienen ancho de palabra de 16 a 64 bits.

La razón por la cual se representa en múltiplos de ocho es porque un byte contiene 8 bits continuos, de modo que la palabra es un conjunto de 16 bits agrupados en 2 bytes de alto y bajo orden (High Order Byte y Low Order Byte).

Una palabra de doble grupo es una de 32 bits, de manera que tamaños de palabra mayores permiten que el procesador realice más cómputos por cada “ciclo de reloj”.

A mayor ancho de palabra, mayor será la eficiencia del microprocesador al recibir, computar y devolver datos.

Décadas atrás el ancho de 64 bits estaba reservado para servidores y mainframes o computadores centrales. Hoy los sistemas de 64 bits están disponibles en cualquier ordenador.

¿Qué es la frecuencia de reloj en un procesador?

La velocidad o frecuencia de reloj para un microprocesador es la frecuencia a la cual los transistores que lo integran conmutan abriendo y cerrando los pasos de corriente. Se mide en Hertz y representa los ciclos o cantidad de oscilaciones por segundo.

El primer microprocesador famoso y disponible comercialmente es el Intel 4004 de 1971, contaba con una frecuencia de entre 108 KHz al máximo de 740 KHz, esto es de 108.000 a 740.000 veces por segundo.

El Intel Core i7-7920HQ lanzado en 2017, por poner un ejemplo, opera a 4.1 GHz o 4.100.000.000 ciclos por segundo.

No debe vincularse la frecuencia de reloj con la cantidad de operaciones que un microprocesador pueda ejecutar por segundo. Puesto que una instrucción u operación puede implicar una cantidad finita de operaciones lógicas que conlleva a una mayor cantidad de conmutaciones que los transistores deben ejecutar.

La frecuencia de reloj como una medida de rendimiento del procesador ha entrado en cuestionamiento en los últimos años, pues si bien la frecuencia se ha mantenido por más de una década entre los 1.5 y los 4.3 GHz siendo que los equipos con fecha de fabricación más reciente tienen rendimientos mayores que los primeros que lograron ese alcance.

La respuesta tal vez este en la práctica de incorporar más “cores” o núcleos dentro de una misma cápsula, (Dual-Core o Muti-Core) una arquitectura en paralelo que mejora la eficiencia.

Sin embargo, no deja de ser un hecho que mientras mayor sea la frecuencia de reloj mayor será la prestación del equipo.

Memoria del procesador

El microprocesador funciona a través de dos memorias. La memoria de solo lectura, o ROM (siglas en inglés), es un programa con una serie de instrucciones fijas y es programada por una serie de bytes fijos.

La otra es la memoria RAM, o memoria de acceso aleatorio (siglas en inglés). El número de bytes en esta memoria es variable y tienen un corto tiempo de duración. Si la electricidad se apaga, la RAM se limpia.

La ROM tiene un pequeño programa interno llamado BIOS (siglas en inglés de Sistema Básico de Entrada Salida). El BIOS prueba el hardware de la máquina cuando se inicia. Luego, busca otro programa en la ROM llamado sector de inicio.

El sector de inicio ejecuta series de instrucciones que ayudan a utilizar la computadora efectivamente.

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Un poco de historia de los microprocesadores

En los años previos y comienzos de los 70 los componentes que integraban al microprocesador operaban por separado, era mandatorio disponer de tres chips para configurar a una unidad de procesamiento central:

Uno la unidad lógica aritmética o ALU (Arithmetical Logic Unit) otro separado la unidad de control (CU Control Unit) y junto a ellos la memoria de banco de registro (Register Bank).

Tres compañías trabajaban en el reto de consolidar los tres componentes en un solo circuito electrónico: Intel, Texas Instruments y Garrett Air Research. No obstante, la carrera la ganó Intel quien en 1971 presenta al mercado el microprocesador Intel 4004.

Por convencionalismo el 4004 de Intel suele ser aceptado como el primero. El producto fue dado a conocer por la compañía en noviembre de 1971. Contenía 2.600 transistores que otorgaban un máximo de 740 KHz. Con un word size de apenas 4 bits.

Los primeros microprocesadores

Los procesadores lanzados al mercado entre 1971 y 1972 presentaron esas características y se consideraron la primera generación de microprocesadores.

En 1972 aparece la tecnología de 8 bits con el Intel 8008 y en 1973 en Intel 8080.

1978 marca la entrada de los microprocesadores con word size de 16 bits, con el Intel 8086 y 8088 contenían unos 29.000 transistores.

El Intel 80286 aparece en 1982, con él se habla de una velocidad de reloj de 16 Mega Hertz, con unos 130.000 transistores aún a 16 bits. Se dice que se vendieron unos 15 millones para computadoras en todo el mundo.

El Intel 80386 aparece como el primer procesador de 32 bits, en 1985. Ya se hablaba de 285.000 transistores.

Intel Pentium aparece en 1993 y fue el primer procesador con 64 bits de word size, 3.1 millones de transistores en su composición, alcanzó los 300 MHz de frecuencia. Descontinuado hacia 1999.

Procesadores modernos

El salto a los Giga Hertz de frecuencia de reloj se da con el Pentium III en 1999 con 9.1 millones de transistores.

Inter Core Duo sale al mercado en 2006 con la novedad de 2 núcleos de ejecución para una mayor eficiencia. Alcanzó los 2.5 GHz con 151 millones de transistores en su interior. Se descontinua dos años después.

La familia Intel Core i7 sale en 2008 con cuatro núcleos de la arquitectura x86-64 bits. Algunos de sus integrantes hoy aún están vigentes como el Intel Core i7-7920HQ un moderno procesador que alcanza los 4.1 GHz de velocidad de reloj.

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Funciones del microprocesador

La principal función del microprocesador es recibir datos y ejecutar instrucciones.

Los usuarios de computadoras usamos el mouse y el ratón como dispositivos de entrada básicos, conscientes de ello o no, estamos ingresando datos o instrucciones.

El procesador recibe esas instrucciones, conmuta operaciones lógicas y ejecuta órdenes a otros dispositivos como los de salida, de almacenamiento y produciendo además datos procesados de cara al usuario.

De acuerdo con Engadget.com el microprocesador de un ordenador facilita el desarrollo de miles de cálculos de forma instantánea y es una de las razones por la cual las computadoras siempre irán un paso más allá del alcance humano.

El microprocesador recibe de primera fuente la instrucción de la memoria principal, la decodifica y determina el tipo de acción a realizar. A su vez, supervisará los dispositivos de entrada y salida en la ejecución.

Las computadoras no son meramente procesadores de información. Los microprocesadores son capaces de ejecutar instrucciones en formatos de información, audio y video.

Un microprocesador moderno soporta un rango de efectos multimedia. Un procesador de 32-bit es esencial para soportar software multimedia.

Con la ventaja de Internet, los microprocesadores evolucionaron para soportar memoria virtual y física. Los primeros trabajaron como procesadores de señal digital (DSP por sus siglas en inglés) para manejar formatos de reproducción, audio y video transferidos en tiempo real. Los microprocesadores más rápidos y modernos no requieren un DSP.

El procesador o chip multifuncional no solo es cosa de las computadoras. En esta era digital, existen muy pocos aparatos electrónicos que no contengan un microprocesador.

Los avances en medicina, el pronóstico del tiempo, los automóviles, las comunicaciones, el diseño y los experimentos científicos fueron los resultados del desarrollo de los aparatos tecnológicos con microprocesadores.

La automatización de trabajos manuales difíciles es posible debido al microprocesador, operaciones nano-métricas que no admiten margen de error se ejecutan con su apoyo.

La lógica digital de los microprocesadores ha llevado a una gran eficiencia y velocidad en todos los aspectos de la vida. El potencial de su uso del microprocesador es por lo tanto inmenso.