Tema 4. microprocesadores

MICROPROCESADORES

• Historia generacional del microprocesador• Principales magnitudes que definen el

microprocesador de un PC• La Quinta Generación• La Sexta Generación• La Séptima Generación• La Octava Generación• El futuro

HISTORIA GENERACIONAL DEL MICROPROCESADOR

• Década de los 80: Intel frente a Motorola. Primera, Segunda y Tercera Generación

Intel: 1. Aliados empresariales más oportunos2. Mantiene la compatibilidad con modelos pasados

Motorola:1. Diseño arquitectural vanguardista y completo en

decremento de la velocidad2. Elegancia de su ensamblador, menos complicado que el

de Intel. Suerte de Intel que apareció de forma inmediata los lenguajes de alto nivel para PC, solventado Intel el problema de trabajar con su ensamblador.


PRIMERA GENERACIÓN (1978-1982)• Su principal representante es el 8086 en Intel (1978) y el

68000 en Motorola (1979)• 8086: Debido a las mejoras en la integración respecto a

sus antecesores permite incluir una ALU compleja y con ancho de datos de 16 bits en las unidades de procesamiento. Se habilita las instrucciones de producto y división de números enteros

• 68000: Diseño microprogramado de 16 bits aunque con registros internos de 32 bits. Rompió con la tendencia de la Unidad de Control cableado que imperaba. Fue utilizado por Macintosh de Apple, Hewlett-Packard y Sun.

HISTORIA GENERACIONAL DEL MICROPROCESADOR SEGUNDA GENERACIÓN (1982-1985)

• El protagonista es la memoria al demandar la capa software un mayor espacio de direcciones

• En cuanto al hardware, se aumenta el bus de direcciones y se implanta el concepto de memoria virtual, pudiendo ejecutar el procesador programas mayores que el espacio físico de memoria disponible.

HISTORIA GENERACIONAL DEL MICROPROCESADOR TERCERA GENERACIÓN (1985-1989)

• Mejora de la MMU para poder realizar el mapeo de direcciones virtuales a físicas

• Se implementa la MMU en el interior del procesador que realice el proceso anterior para optimizar el mapeo de direcciones y liberar la MMU externa

• Empiezan a aparecer el diseño dual, es decir, procesadores de gama baja y alta, concepto que se mantiene hasta hoy en día con la aparición del celeron (gama baja) y el xeon (gama alta) en la sexta generación


• La Década de los 90: la década de Intel. Cuarta, Quinta y Sexta Generación: Motorola saca su Power PC cambiando totalmente su filosofía

de mercado y ofreciéndose a un mercado, no sólo de informática doméstica sino también de servidores y estaciones de trabajo. Finalmente se centra más en el mercado de telefonía y comunicaciones que en el del PC. De esta forma queda Intel a partir de la Quinta Generación como líder en el mercado de microprocesadores para PC

En la Quinta Generación se impone Intel con su Pentium, como arquitectura estándar de referencia en microprocesadores de 32 bits

En la sexta generación empieza la rivalidad entre Intel y AMD


CUARTA GENERACIÓN (1989-1993)

• Se vuelve a centrar la arquitectura en la potencia de cálculo. En la primera generación es la computación de números enteros la protagonista, ahora lo será la computación de números reales en punto flotante

• Se introduce el coprocesador matemático (como unidad independiente del procesador central) dentro del mismo chip de procesador central, para ganar velocidad y reducir el precio del conjunto co/micro-procesador

• Se introduce la segmentación a nivel de instrucción de cinco y seis etapas• Se llega a niveles de integración por debajo de la micra permitiendo

incorporar nuevos bloque funcionales al procesador• Se introducen las primeras memorias caché dentro del micro• Se elimina el problema del espacio direccionable de la memoria pero se

sigue teniendo problemas en la velocidad de transferencia• Motorola separa el flujo de datos del de instrucciones proporcionando 4

Kbytes a cada uno de ellos en la cache de nivel 1 (interna); mientras que Intel mantiene la caché unificada de 8 Kbytes, mostrándose menos efectivo en el rendimiento. A partir de aquí Intel abandona la caché unificada


QUINTA GENERACIÓN (1993-1997)

• Aparece el multiplicador de reloj debido al desfase de velocidad entre el microprocesador y el bus del sistema, llegando hasta valores de 3

• La mejora de la tecnología, que ha permitido aumentos en la frecuencia de reloj, permite incorporar un par de millones de transistores más, que se van a emplear en dotar al microprocesador de un paralelismo a nivel de intrsucciones, con segmentaciones de más de cinco etapas y diseños superesclares

• Con estas premisas aparece el Pentium en Intel (su gran éxito comercial lo afianza en el primer puesto del mercado en cuanto a microprocesadores para PC) y el K5 de AMD para competir con el anterior, pero debido a su retraso en la puesta en marcha dentro del mercado hizo que supusiera un fracaso


SEXTA GENERACIÓN (1997-2000)

• Se dota al microprocesador de un carácter multiprocesador, para lo cual se incorpora la circuitería necesaria para la sincronización de los procesadores

• Aparece el concepto de SMP (Symmetric MultiProcessing). Se sube un peldaño respecto al paralelismos a nivel de instrucción, pero se está por debajo de lo que es el multiprocesador puro, ya que se comparte componentes de la placa base (buses, memoria principal y periféricos)

• El SMP por su elevado coste no cuaja en el mercado doméstico y por motivos de la inmadurez del software

• Como ejemplo de microprocesador SMP está el Pentium Pro de Intel• Surgen nuevos competidores de Intel después de la retirada de Motorola• Aparece la cache interna L2 y se reutilizan las técnicas de paralelismo a nivel de

instrucción: aparece la segmentación en la FPU, que consta de más de diez etapas; aparece también la superescalaridad

• Aparece el Pentium II que deriva del Pentium Pro, montándolo sobre un nuevo tipo de zócalo (Slot 1)

• AMD lanza el K6 para competir con el Pentium II• Hubo otras compañías como Cyrix, Rise e IDT que sacaron sus procesadores de

sexta generación y no tuvieron el mismo éxito que AMD, algunas hasta entraron en quiebra, como Cyrix


• Comparativa de las familias 80x86 de Intel y 680x0 de Motorola

HISTORIA GENERACIONAL DEL MICROPROCESADOR Modelos comerciales más representativos de las seis primeras generaciones

HISTORIA GENERACIO

NAL DEL MICROPROC

ESADORDiagrama de bloques de

un microproces

ador a lo largo de sus

diferentes generaciones

HISTORIA GENERACIONAL DEL MICROPROCESADORLas seis generaciones de microprocesadores para PC que se suceden en

las dos últimas décadas

PRINCIPALES MAGNITUDES QUE DEFINEN EL MICROPROCESADOR DE UN PC

• Las cinco magnitudes que definen el rendimiento del microprocesador en un PC (forma de acotar los parámetros que definen dicho rendimiento) son:

1. Frecuencia de reloj2. Tecnología de integración3. Paralelismo a nivel de instrucción4. Memoria caché integrada5. Conjunto de instrucciones

• Hay que tener en cuenta todos estos parámetros para definir el rendimiento del microprocesador

Secuencia de tratamiento de las principales magnitudes del procesador, y su interrelación y dependencia

Frecuencia de reloj

• Factor cuantitativo que indica la velocidad del reloj. Su origen reside en un cristal de cuarzo que oscila a una frecuencia armónica determinada por la forma y el tamaño del cristal

• Esta señal se filtra en un circuito que la convertirá en la secuencia de pulsos digitales, cuadrados, periódicos y síncronos cuya cadencia marcará el ritmo de trabajo de los distintos chips del computador

• El oscilador suele integrarse ya dentro del juego de chips de la placa base, por lo que hoy en día cada vez es más difícil localizarlo en la placa base

• También se monta en diferentes tipos de placas (tarjetas gráficas)• La magnitud inversa de la frecuencia es el período de reloj. Si la frecuencia se

expresa en Megahercios (millones de pulsos por segundo), el período lo hará en microsegundos. Si la frecuencia se expresa en Gigahercios, el período lo hará en nanosegundos.

• Las instrucciones máquinas se descomponen en una sucesión de operaciones; cada una de ellas se ejecuta en un ciclo de reloj, de esta forma, cuanto mayor se la velocidad del microprocesador menor es el tiempo en ejecutar una instrucción (compuesta de un conjunto de operaciones)

• Errores que nos introducen los vendedores al pensar que a mayor velocidad mejor rendimiento del microprocesador

Frecuencia de reloj

Tecnología de Integración

• Es un indicador más cualitativo que cuantitativo. Se define como la mínima resolución de la maquinaria responsable de integrar los circuitos mediante técnicas de litografía

• Esta magnitud es de la que más depende las otras cuatro.

Tecnología de Integración – Evolución y significado


• La tecnología CMOS es el responsable del 75% del volumen total del chip. Tan sólo el Pentium y el Pentium PRO no utilizan íntegramente esta tecnología, utilizan también la bipolar.

• El parámetro clave es la distancia de integración. Este parámetro antes estaba asociado a la anchura del canal con que se fabrican los transistores, pero a partir de la aparición de la tecnología de las 0,25 micras se asocia este parámetro con la anchura de la pista de metal que une los transistores.

• Los últimos modelos se fabrican con tecnología de 0,09 micras=90 nm y los Core Duo Processor a 65nm


• La tecnología de fabricación no avanza de forma continua debido al coste de las plantas de fabricación que deben ser amortizadas. Los plazos de amortización de las plantas es de dos años, aunque últimamente hemos visto que esos plazos se han reducido debido al alto grado de comercialización de los procesadores tanto en AMD como en INTEL

Tecnología de Integración – Efectos directos sobre otras variables

• Efectos benignos sobre las variables físicas ligadas a la constitución interna de un microprocesador:

– Aumenta de forma cuadrática el número de transistores que se pueden integrar en un mismo espacio físico. Esto conlleva un aumento del tamaño de la cache, incorporar nuevas unidades funcionales, etc.

– Aumenta la velocidad de operación del transistor y con ello la frecuencia del chip, debido a que conmuta más rápidamente entre el 0 y el 1 y viceversa. Al reducirse la distancia entre la fuente y el drenador, más rápidamente se realiza el paso o no de la corriente, de ahí el aumento sustancial de la frecuencia al mejora la tecnología de intregración.

– Disminuye el voltaje de alimentación que requiere el chip. Esto influye en un menor calentamiento del microprocesador, aunque esto no siempre es cierto debido a que también al mejorar la tecnología de integración, se puede incorporar más unidades funcionales, que repercute finalmente en un mayor potencia de calor a disipar.

– Disminuye el coste de fabricación, debido a que al acortarse las distancias entre transistores, se reduce el área de silicio y se puede introducir más chips por área de oblea.

Tecnología de Integración – Efectos directos sobre otras variables

Tecnología de Integración – Efectos laterales entre las variables afectadas

• Debido a la complejidad de este sistemas se producen los siguientes efectos laterales:

– Evolución de la distancia de integración respecto a la de la frecuencia. 1 micra -> 33 MHz ; 0,13 micras -> 3GHz . Reducción en un factor de 7,5 la distancia de integración, aumento en un factor de 100 veces la velocidad, influyendo también otros aspectos en este incremento de la velocidad que como vemos no es lineal.

– No es correcto decir que la reducción del precio del chip es cuadrática pues influyen también aspectos de mayores inversiones en infraestructura de litografía (técnica para reducir los mapas microelectrónicos). Tampoco se ha tenido en cuenta para evaluar el coste el que hay áreas que son mas costoss en fabricación que otras como la cache (debido a su mayor cantidad de metalización por la conexiones que se deben realizar).

– El voltaje y la frecuencia distan mucho de ser independientes entre sí. Si subimos la frecuencia debido a la mejora de la tecnología, provocará que se aumente los niveles de voltaje, contrarrestando las mejoras que la tecnología ponía a nuestro alcance para bajar los voltajes, y por tanto, bajar las temperaturas en los microprocesadores.

– El número de transistores y la frecuencia tampoco son independientes. Un aumento del número de transistores produce que aumentemos la cantidad de unidades funcionales del chip, lo cual provoca un aumento del número de elementos que debe atravesar su camino crítico (aquel que traviesa las señales eléctricas cuando el microprocesador ejecuta su operación más lenta), condicionando la longitud de éste la máxima frecuencia de funcionamiento.

Tecnología de Integración – Efectos laterales entre las variables afectadas

Tecnología de Integración – Curiosidades

Paralelismos a nivel de instrucción

• A la ALU y banco de registros internos del micro se les unieron nuevas unidades funcionales en búsqueda de mejora en el rendimiento.

• Una de esta mejora es el paralelismos a nivel de instrucción, rompiendo la ejecución secuencial de instrucciones para poder simultanear su ejecución.

• Las técnicas de explotar este paralelismo se puede englobar en tres métodos:– Segmentación– Superescalaridad– Supersegmentación

Paralelismos a nivel de instrucción - SEGMENTACIÓN

• Se divide el proceso de ejecución en N etapas de similar duración con el objetivo de procesador N instrucciones simultáneamente, encontrándose cada una en una etapa diferente de su ejecución

• En el mejor de los casos se consigue que N unidades funcionales del procesador trabajen a la vez, lo que redunda en un factor N de mejora en el rendimiento del procesador.

• Se conoce también como pipeline a nivel de instrucciones.• Ejemplos: Pentium 4 20 etapas de segmentación ; 80486 5

etapas de segmentación• En la etapa de ejecución de operación puede haber ramificaciones

(multimedia, punto flotante, etc.) pero esto no ocurre hasta que se concluya la etapa de decodificación de instrucción, por lo que las primeras etapas de segmentación son siempre comunes a todos los cauces del procesador

• Inconveniente: se complica la unidad de control conforme aumenta el número de etapas en la segmentación.

Paralelismos a nivel de instrucción - SUPERESCALARIDAD

• Un procesador superescalar de factor N es aquel que replica N veces la circuitería de alguna de sus unidades funcionales con el fin de poder ejecutar N instrucciones en sus respectivas etapas de computación.

• Las mejoras en la integración han permitido concentrar más y más componentes en un mismo chip logrando aumentar el factor de escalaridad con la consiguiente mejora de rendimiento.

• Esto provoca un incremento lineal de la complejidad en la unidad de control.

• Se diseñaron procesadores con un factor de escalaridad de hasta 6, pero lo normal es de 3 o 4.

Paralelismos a nivel de instrucción - SUPERESCALARIDAD

Paralelismos a nivel

de instrucción

- SUPERESCALARIDA

D

Paralelismos a nivel de instrucción - Curiosidades

Paralelismos a nivel de instrucción – Combinación de Segmentación y Superescalaridad

• Ambas formas de paralelismo con compatibles en su utilización conjunta, aunque existen ciertos conflictos:

– La segmentación descansa sobre la base de una elevada frecuencia, en el sentido de que sólo un período de reloj muy corto permitirá descomponer cada instrucción en un número de etapas elevado

– La superescalaridad necesita de un ingente número de transistores para poder ser llevada a la práctica, y esto sólo se consigue con mejoras en la tecnología de integración

• La segmentación le estorba la superescalaridad porque ésta acarrea un desdoble de la circuitería, con el consiguiente perjuicio sobre la frecuencia de reloj, y por lo tanto, no se puede lograr un elevado número de etapas de segmentación

• A la superescalaridad le estorba la segmentación, porque cuando las etapas son tan minúsculas, se hace difícil incrementar su complejidad replicando circuitería.

• Lo diseños fuertemente segmentados no utilizan un factor de superescalaridad elevado, y los que apuestan por las superescalaridad reducen el número de etapas de segmentación del diseño. Pentium IV 20 etapas y factor tres ; K714 etapas y factor cinco. Ambas tendencias alcanzan un grado de paralelismo inherente de 60-70 instrucciones simultáneas en el mejor de los casos

Paralelismos a nivel de instrucción – SUPERSEGMENTACIÓN

• Un procesador supersegmentado es aquel que aplica dos veces el concepto de segmentación: a nivel del diseño global y a nivel interno de su unidades funcionales de ejecución aritmética.

• Ejemplo: el Pentium es un segmentado de cinco etapas (búsqueda, decodificación, lectura, ejecución y escritura), podría aplicarse una nueva segmentación sobre cada una de las unidades funcionales que intervienen en cada ciclo: la caché de instrucciones, el decodificador de instrucción, la caché de datos, la ALU y el banco de registros. Supongamos que la etapa de acceso a la caché la subdividimos en dos de tal forma que permita simultanear la búsqueda de la instrucción y la localización de su celda asociada con la lectura en sí del código de la instrucción anterior y su volcado al bus de datos camino de procesador. Esto conlleva un desdoble de la señal de reloj al doble de la frecuencia.

• En general la supersegmentación conlleva asociada la subdivisión del ciclo de reloj en tantos ciclos como etapas se hayan establecido para el segundo nivel de segmentación.

• La supersegmentación no es un concepto independiente de la superescalaridad debido a que una implementación supersegmentada implica la ejecución fuera de orden para minimizar el efecto negativo que las dependencias de datos tienen sobre su rendimiento.

Paralelismos a nivel de instrucc

ión - Compar

ativa

Paralelismos a nivel de instrucción - Curiosidades

Paralelismos a nivel de instrucción – SUPERSEGMENTACIÓN

• Las enemigas del paralelismos a nivel de instrucción:– Dependencias de datos– Dependencias de control

• Soluciones:– Ejecución fuera de orden puede resolver las

dependencias de datos– Predicción de salto puede resolver las dependencias

de control

• Todos estos conceptos se estudiarán en segundo ciclo de Ingeniería de Informática

Memoria Caché Integrada

• Es un error pensar que toda la potencia de cómputo reside sólo en la velocidad de cómputo, cuando en el interior del procesador tiene lugar muchos más accesos a datos que operaciones en sí como se muestra en la siguiente figura.

Memoria Caché Integrada - Necesidad


• Se puede entender la caché desde dos puntos de vistas diferentes:– Como una memoria de mayor velocidad que la memoria

principal que está situada entre éste y el banco de registros internos del microprocesador

– O como una extensión del banco de registros dentro del microprocesador.

• En ambos casos su función está bien definida: es la de actuar como banco de contenidos tanto de datos como de instrucciones que se deben de suministrar al microprocesador a velocidades cercanas a las que las realiza los bancos de registros internos del microprocesador.

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