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MONOPROCESADORES Y MULTIPROGRAMACION

Parte 1.- TEORÍA DEL PARALELISMO Tema 3.- MONOPROCESADORES Y MULTIPROGRAMACION.

INDICE Parte 1.- TEORÍA DEL PARALELISMO..................................................................................................................................... 1 Tema 3.- MONOPROCESADORES Y MULTIPROGRAMACION. ...................................................................................... 1 Capitulo 3.1.- GESTION DE LA MULTIPROGRAMACION............................................................................................. 2 Multiprogramación sin interrupción de programa ......................................................................................................... 2 Multiprogramación con interrupción de programa ........................................................................................................ 2 Multiprogramación en tiempo compartido (Multiusuario) ............................................................................................ 2 Gestión de la memoria central. .......................................................................................................................................... 4 Implantación en memoria central................................................................................................................................... 4 Protección de los programas y de los datos ....................................................................................................................... 5 Protección de las informaciones en memoria central..................................................................................................... 5 Protección de los ficheros en memorias auxiliares ........................................................................................................ 5 Protección del funcionamiento de la máquina ................................................................................................................... 6 Cambio de contexto en los cambios de programa.............................................................................................................. 6 Preservación del estado del programa............................................................................................................................ 6 Capitulo 3.2.- Máquinas de pilas y lenguajes de alto nivel.................................................................................................... 7 Otras máquinas digitales .................................................................................................................................................... 7 Capitulo 3.3.- MICROPROCESADORES ............................................................................................................................ 8 1ª Fase: Microprocesadores de 4 bits (1971-1974)............................................................................................................ 8 2 Fase: Microprocesadores de 8 bits (1974-1976)............................................................................................................. 8 3ª Fase: Microprocesadores de 8 bits mejorados (1976-1978) .......................................................................................... 9 El microprocesador 8085 ............................................................................................................................................. 10 4ª Fase: Microprocesadores de 16 bits (1978- 1980)....................................................................................................... 12 El microprocesador 8086 ............................................................................................................................................. 12 La gran familia x86...................................................................................................................................................... 16 Memoria Virtual........................................................................................................................................................... 18 5ª Fase: Microprocesadores de 32 bits (1987-1988)........................................................................................................ 19 El microprocesador 80386 ............................................................................................................................................... 20 La barrera de los 32 bits............................................................................................................................................... 20 Arquitectura interna. .................................................................................................................................................... 22 Diagrama de conexionado............................................................................................................................................ 22 El microprocesador 80486 ............................................................................................................................................... 24 Mejorando el 386 ......................................................................................................................................................... 24 Arquitectura interna. .................................................................................................................................................... 25 6ª Fase: Microprocesadores de 64 bits (1989 hasta nuestros días) ...................................................................................... 27 El primer Pentium ........................................................................................................................................................ 27 El Pentium Pro ............................................................................................................................................................. 29 El Pentium MMX......................................................................................................................................................... 30 Pentium II .................................................................................................................................................................... 31 Pentium III ................................................................................................................................................................... 31 Pentium 4 ..................................................................................................................................................................... 32 ORIENTACION DE LOS MICROPROCESADORES DE 64 BITS ............................................................................. 32 Trabajar sobre 64 bits .................................................................................................................................................. 33 Microsoft Windows sobre 64 bits ................................................................................................................................ 33 Anexo 1.- MAQUINAS DE PILAS .................................................................................................................................... 35 Anexo 2.- GESTION MULTIPROGRAMACION ............................................................................................................. 35 Anexo 3.- EVOLUCION DE LOS MICROPROCESADORES ......................................................................................... 35 Anexo 4.- MICROPROCESADORES 32 Bits .................................................................................................................... 35 Anexo 5.- MICROPROCESADORES 64 Bits .................................................................................................................... 35

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Capitulo 3.1.- GESTION DE LA MULTIPROGRAMACION. Este estudio va a girar en torno a un problema fundamental en los sistemas de la tercera generación, a saber, la gestión de la multiprogramación. El compromiso entre las técnicas de direccionamiento, de fraccionamiento y protección de la memoria tienen repercusiones muy importantes sobre las posibilidades de empleo de la máquina (sobre todo, en tiempo real o en tiempo compartido) y sobre los métodos de concepción y de realización del sistema operativo. Recordemos que la multiprogramación consiste en hacer residir simultáneamente varios programas en memoria central, sabiendo que serán ejecutados de manera temporalmente imbricada por una misma unidad central. Es preciso no confundir multiprogramación y multiprocesamiento: en multiprocesamiento, varios programas pueden ser ejecutados simultáneamente en unidades diferentes. Es posible concebir tres políticas diferentes para la multiprogramación. Multiprogramación sin interrupción de programa Cuando un programa posee el control, lo conserva hasta que éste se termina o hasta que se ve obligado a esperar un final de operación de entrada-salida. En cualquiera de las dos eventualidades, el sistema de explotación recupera el control, que lo cede al programa de mayor prioridad que, en ese momento, no se encuentre a la espera de un final de operación de entrada-salida. El mayor inconveniente de esta solución es que un programa de baja prioridad puede conservar el control tanto tiempo como lo desee. Tal tipo de multiprogramación no se emplea más que en sistemas muy particulares. Multiprogramación con interrupción de programa La diferencia respecto de la solución anterior es que, aquí el sistema operativo recupera el control a través del mecanismo de interrupciones, sobre todo cada vez que finaliza una operación de entrada-salida; en ese momento busca el programa de mayor prioridad, entre los que no esperan un resultado de entrada-salida, para cederle el control. Este es el sistema habitualmente adoptado. Multiprogramación en tiempo compartido (Multiusuario) Aquí no existen programas prioritarios. Por el contrario, lo que se pretende es compartir equitativamente el tiempo de la unidad central entre varios usuarios. A las interrupciones de entrada-salida se superponen interrupciones de reloj, que permiten fraccionar el tiempo en porciones iguales cíclicamente atribuibles a los diversos usuarios. Se utiliza esta técnica esencialmente en sistemas conversacionales. La duración de los intervalos se calcula de tal forma que cada usuario, instalado ante su terminal tiene la impresión de que el computador trabaja exclusivamente para él.

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La multiprogramación plantea problemas de varios niveles, de los cuales fijaremos nuestra atención en tres, que frecuentemente necesitan dispositivos de hardware para su solución. Son: (1) los problemas de asignación de memoria central; (2) los problemas de protección de los programas y de los datos; (3) los problemas de preservación del estado de la máquina en los cambios de programa.

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Gestión de la memoria central. La gestión de la memoria central en multiprogramación la asume siempre el sistema operativo, que asigna la zona necesaria a los diferentes programas. Sin embargo, esta zona es limitada, y ello impone restricciones, tanto acerca del número de programas en memoria central, como acerca de la dimensión de estos programas. La primera de las restricciones puede obviarse por medio de intercambios de programas entre disco y memoria central, viniéndose a reemplazar unos a otros según las necesidades de la multiprogramación. Este proceso es conocido bajo los nombres, en inglés, de swapping o roll-in roll-out. Los programas demasiado voluminosos pueden evitarse mediante la segmentación, Memoria virtual: el se divide programa en segmentos de los que, en un determinado momento de la ejecución del programa, sólo uno o un reducido número de ellos debe imperativamente estar implantado en memoria.

Implantación en memoria central A lo largo del desarrollo de la multiprogramación, diferentes segmentos de programa se ven cargados en memoria central o devueltos a la memoria auxiliar. Después de un cierto número de intercambios, la memoria central puede parecerse bastante a un queso de gruyére y asignar lugar suficiente a un nuevo segmento se convierte en tarea crecientemente difícil. Se proponen tres clases de soluciones: (1) la primera, consiste en amoldarse a esta situación, conocida bajo el nombre de fraccionamiento o desmigajamiento. (2) la segunda solución, que llamaremos apilamiento o "compactación" (consiste en apilar los programas sobre la parte inferior de la memoria, con vistas a dejar libre un espacio único tan amplio como sea posible para los nuevos programas. (3) la tercera, consiste en buscar métodos que posibiliten no tener que cargar en memoria central los segmentos o los conjuntos de datos bajo la forma de un solo bloque. A este enfoque responden las técnicas de paginación.

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Protección de los programas y de los datos En un sistema operando en multiprogramación, es preciso prever todas las protecciones pertinentes para que un usuario no pueda, voluntaria o involuntariamente: (1) destruir informaciones en el sistema operativo o en los programas y datos de los otros usuarios; (2) perturbar el funcionamiento de la máquina, como pudiera ser inhibir las interrupciones de reloj en un sistema de tiempo compartido para conservar a su única y entera disposición la máquina. A esta clase de protección, indispensable al buen funcionamiento de la multiprogramación, se añaden a veces problemas de conservación del secreto: un usuario no debe tener acceso a las informaciones confidenciales de otros usuarios. Protección de las informaciones en memoria central Consiste en prohibir a las diferentes instrucciones de un programa en curso de ejecución, bien únicamente las operaciones de almacenamiento, bien cualquier referencia a memoria dentro de las zonas no autorizadas de la memoria central. El tiempo exigido para el caso de un procedimiento lógico vía programación lo hace inaceptable. Por consiguiente, la protección de memoria se realizará la mayoría de las veces por un dispositivo cableado, de cuya gestión se ocupará aquella parte del sistema de explotación encargada de asignar memoria a los diversos programas. Dígito de protección. Podrá asociarse con la palabra de memoria (que tendrá entonces 1 dígito binario suplementario) o también con un bloque de memoria. Llave y cerradura de protección. A cada bloque de memoria se le asocia una cerradura de protección y a cada programa una llave de protección (clave). La protección actúa si la llave asociada con el programa no coincide con la cerradura asociada con el bloque de referencia. Una clave especial asignada al sistema de explotación hace las veces de "llave maestra" y le autoriza a penetrar en cualquier bloque, mientras que una cerradura siempre abierta permite comunicar los bloques correspondientes. Un indicador asociado a la cerradura de protección puede indicar si ésta afecta a la lectura y a la escritura o solamente a esta última. Registros límites. En la puesta en servicio de un programa almacenado sin dejar huecos, se cargan dos registros llamados registros límites, respectivamente con la primera y la última dirección del programa. Cualquier referencia a memoria deberá estar comprendida entre estas dos direcciones. Barrera contra escritura. Un caso particular de los registros límites es la barrera contra escritura, empleada con frecuencia en los calculadores de guía de procesos. Permite dividir la memoria en dos partes, una, protegida respecto de la escritura, para los programas que aseguran el control y la seguridad del proceso, otra, no protegida, para el procesamiento por lotes y también para el ensayo de nuevos programas. Protección de los ficheros en memorias auxiliares Es al sistema operativo a quien incumbe la tarea de proteger los ficheros. Ello presupone que toda operación de entrada-salida sea controlada por el sistema operativo, que decide acerca de su validez. Parece evidente que esta solución no es viable más que en la medida en que los usuarios se vean constreñidos a pasar por el sistema operativo para ejecutar las entradas-salidas. Una solución consiste, en no poner las instrucciones correspondientes al alcance de los usuarios, quienes, por tanto, tienen que remitirse al sistema operativo.

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Protección del funcionamiento de la máquina Acabamos de ver que las instrucciones de entrada-salida debían reservarse a los sistemas de explotación. Igualmente sucede con todas las instrucciones para modificar el estado general de la máquina, como por ejemplo: activación, desactivación, inhibición y autorización de interrupciones; modificación del registro de traslación; gestión de la protección de memoria .(carga de los registros límites, modificación de las llaves y cerraduras), etc. A fin de que estas instrucciones, llamadas instrucciones privilegiadas o instrucciones reservadas, no sean utilizables más que por el sistema operativo, se definen generalmente dos modos de funcionamiento del calculador: (1) un modo maestro (o modo supervisor) en el que todas las instrucciones están permitidas y toda la memoria es direccionable. Es el modo del sistema operativo; (2) un modo esclavo (o modo programa) en el que las instrucciones privilegiadas están prohibidas y las protecciones de memoria son efectivas. Es el modo de los programas usuarios. El sistema de explotación posiciona al ordenador en modo esclavo, cuando cede el control a un programa usuario. El ordenador retornará al modo maestro en cada interrupción (siendo tratadas las interrupciones al nivel del sistema de explotación). Así, un programa devolverá el control al sistema operativo creando una interrupción, bien involuntariamente frente a casos de violación de la protección de memoria, de intento de utilización de instrucciones privilegiadas, etc., bien voluntariamente para pedirle un servicio, tal como la ejecución de una entrada-salida.

Cambio de contexto en los cambios de programa Hemos visto que cuando se producía una interrupción, un cierto mecanismo se ocupaba de preservar el antiguo estado de la máquina, a fin de poder reanudar posteriormente el programa interrumpido e instaurar un nuevo estado correspondiente al nuevo programa. La preservación afecta a dos clases de informaciones: aquellas que describen el estado de la unidad central, a las que el programador no tiene normalmente acceso, y las informaciones contenidas en los registros direccionables. Las primeras que llamamos informaciones de estado del programa han de ser preservadas y restauradas por hardware. Las segundas, direccionables por programa, son más frecuentemente preservadas y restauradas por software. Preservación del estado del programa El estado del programa agrupa un cierto número de informaciones generalmente distribuidas entre diversos registros de la unidad central. (1) el contenido del contador ordinal, es decir, la dirección de la próxima instrucción del programa; (2) el código de condición, que agrupa los diferentes indicadores de la unidad aritmética-lógica; (3) eventualmente, informaciones de protección de memoria asociadas con el programa (contenido del registro límite o llave de protección); (4) eventualmente, máscaras para inhibir determinadas interrupciones; (5) en las máquinas de pilas, una información para poder re-inicializar los registros de gestión de la pila. Tal preservación puede llevarse a cabo, bien en memoria central, bien en una memoria local especializada.

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Capitulo 3.2.- Máquinas de pilas y lenguajes de alto nivel Hasta aquí, hemos estudiado máquinas del tipo de Von Neumann, también denominadas máquinas de registros. Estas máquinas se caracterizan por el uso de un lenguaje de máquina, con instrucciones que direccionan explícita o implícitamente a los registros de la unidad central y la memoria. El empleo de lenguajes evolucionados exige un traductor de lenguaje, generalmente un compilador. Inversamente se habría podido concebir, al menos sobre el papel, máquinas operando directamente en lenguaje de alto nivel. Es evidente que son los lenguajes más formalizados/estructurados como el ALGOL o el LISP están en mejor situación que lenguajes de programación del tipo del FORTRAN, COBOL. Sin llegar al último extremo, en que la máquina absorbería directamente el lenguaje evolucionado, algunos constructores y algunas universidades han proyectado o realizado máquinas que simplifican la compilación o la ejecución de programas en tal tipo de lenguaje, sobre todo en ALGOL. Las máquinas de pilas se diferencian de las máquinas de Von Neumann por: o

Utilización de una pila cableada en la unidad central en lugar de los registros,

o

Posibilidad de gestionar automáticamente pilas en memoria,

resuelven especialmente bien algunos de estos problemas, en particular: o

Cálculo de las expresiones aritméticas en notación polaca,

o

Asignación dinámica de memorias a las variables en saltos de subrutinas, incluso recursivas,

o

Transmisión de argumentos por nombre

Los modelos comerciales con más éxito han sido: Burroughs B6500 y B7500

Otras máquinas digitales De lo dicho no debe deducirse que toda máquina digital tenga que estar calcada del modelo de la máquina de registros o de la máquina de pilas. Existen otros tipos de máquinas digitales, en general muy especializadas, citemos las máquinas orientadas al lenguaje de listas, al reconocimiento de formas, las máquinas incrementales, que simulan el funcionamiento de las máquinas analógicas, gracias a unos analizadores diferenciales digitales, etc.

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Capitulo 3.3.- MICROPROCESADORES La empresa americana INTEL es considerada como la descubridora del microprocesador, desde el 4004, al incorporar la programabilidad del invento cautivó a todos los técnicos. Había comenzado una revolución que mezclaba el hardware y el software.

En menos de un cuarto de siglo se pueden distinguir 5 fases o etapas claramente diferenciadas en el desarrollado los microprocesadores.

1ª Fase: Microprocesadores de 4 bits (1971-1974) Con una estructura interna muy sencilla, estos elementos trabajaban con una palabra de 4 bits y estaban implementados por unos pocos miles de transistores. Su juego de instrucciones era reducido y poco potente. El modelo 4004, fabricado por INTEL con tecnología LSI, es uno de los más representativos de esta etapa inicial.

2 Fase: Microprocesadores de 8 bits (1974-1976) La palabra de trabajo se amplió hasta 8 bits, lo que supuso un incremento en la velocidad, la potencia de cálculo y en el repertorio de instrucciones. Con estas prestaciones, Intel comercializó el modelo 8008. El éxito que obtuvo animó al mismo fabricante a introducir una nueva versión “8080” que pronto se convirtió en un estándar. Æ Fue en esta época cuando aparecieron los primeros microcomputadores personales.

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3ª Fase: Microprocesadores de 8 bits mejorados (1976-1978) Aumenta considerablemente la velocidad de procesamiento, debido a las siguientes causas: 1. Por la implementación de nuevos recursos físicos, gracias a la integración de un mayor número de transistores en el chip. 2. Por la ampliación del número de modos de direccionamiento. 3. Por la potenciación del juego de instrucciones. A esta etapa pertenecen los microprocesadores: ¾

8085 de Intel,

¾

6800 de Motorola,

¾

6502 de Mos Technology

¾

Z-80 de Zilog.

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El microprocesador 8085 Arquitectura interna del 8085. Aún en nuestros días se pueden ver muchos diseños con este viejo modelo de 8 bits. Durante muchos años ha sido el preferido en las aplicaciones industriales y el predecesor de todos los demás. En la figura se muestra un esquema por bloques del 8085, en el que destacan los siguientes: 1º. Unidad de control que genera las señales de control. 2º. Unidad lógico-aritmética que realiza las operaciones que conllevan las instrucciones. 3º. Banco de registros. 4º. Control de interrupciones. 5º. E/S serie.

El banco de registros se compone de 6 registros de 8 bits, que pueden trabajar en parejas dando 16 bits. El 8085 dispone de un colosal juego de interrupciones. Dispone de las patitas SID y SOD, por las que se puede introducir o sacar información en serie, bit a bit.

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Diagrama de patitas Dadas las enormes prestaciones y recursos del 8085, las 40 patitas de su cápsula no son suficientes para soportar todas las señales de control. Por eso, muchas de ellas llevan multiplexadas en el tiempo dos funciones diferentes.

Las patitas del 8085 pueden agruparse en conjuntos, que realizan la misma función, de la siguiente forma: a. Bus de direcciones: patitas A0-A15. b. Bus de datos: patitas D0-D7. c. Bus de control. d. Patitas para la alimentación. e. Patitas para la frecuencia de funcionamiento. f. Patitas para la atención de interrupciones.

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4ª Fase: Microprocesadores de 16 bits (1978- 1980) Con objeto de disponer de unas instrucciones y unos recursos físicos adecuados a los lenguajes de alto nivel, en un intento por mejorar la productividad en el desarrollo de programas y reducir los costes de las aplicaciones, se introducen mejoras a la arquitectura de von Neumann. Con esta orientación aparece: ¾ ¾ ¾

el 8086 y el 80286 de Intel, el 68000 de Motorola y el 16000 de National Semiconductor.

En resumen, las mejoras técnicas sustanciales que aportaron los micros de 16 bits fueron: 1. Aumento considerable en la velocidad de funcionamiento. Se hizo frecuente el uso de 5 y 10 MHz. 2 Aumento de la capacidad de memoria, puesto que el bus de direcciones típico de estas UCP sobrepasaba las 20 líneas. El microprocesador 8086 En 1978 INTEL presentó al mundo el primer microprocesador de 16 bits. Se trataba del modelo 8086 que contenía 29.000 transistores y funcionaba a partir de una frecuencia de 5 Mhz, con un consumo de 350 mA a 5 VDC. En el diseño del 8086 surgieron ciertas limitaciones por el interés del fabricante en mantener la compatibilidad con el software desarrollado para el 8085. Por eso también fabricó la versión 8088, que se diferenciaba de la anterior en que el bus de datos externo era de 8 líneas, con lo cual se podían conectar directamente todos los módulos y dispositivos que trabajaban con ese tamaño de palabra, que eran prácticamente todos los de la época. A INTEL le tocó la lotería cuando el más importante fabricante de computadores del mundo, IBM, eligió el 8088 para construir el computador personal o PC, idea que inundó de máquinas la faz de la tierra. Arquitectura interna del 8086. Internamente el 8086 está compuesto por dos procesadores, cada uno con sus propios registros y su propia ALU, trabajando asincrónicamente para conseguir el máximo rendimiento. Uno de dichos procesadores es la "Unidad de Interfaz con el Bus" y se encarga de generar las direcciones de memoria y transferir datos e instrucciones, mientras que el otro, llamado "Unidad de Ejecución", tiene la misión de recibir los códigos de las instrucciones, decodificarlas y ejecutarlas.

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El banco de registros es muy completo y se divide en cuatro secciones: 1ª. Registros generales son 4 de 16 bits cada uno, pudiendo trabajar con 8 bits (AX, BX, CX y DX). 2ª. Registros punteros de dirección. 3ª. Registros de segmento. Los registros punteros y los de segmento sirven para direccionar la memoria. 4ª. Registros especiales: Puntero de Instrucciones (IP) y Registro de Estado (FLAGS).

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El registro especial FLAGS contiene 16 bits, de los cuales sólo 9 son significativos, y actúan como señalizadores o banderas de situaciones anómalas. Su misión se expresa a continuación, reproduciéndose su distribución en la figura. C: Acarreo o llevada en el bit de más peso. AC: Acarreo intermedio en el 4 bit. Z: Señalizador de resultado cero. T: Trap. Cuando T = 1 los programas se ejecutan "instrucción a instrucción". I: Señalizador de la máscara de interrupciones mascarables. D: Dirección de la exploración de las cadenas de caracteres.

Para potenciar la programación estructurada, INTEL introdujo en el 8086 la memoria dividida en segmentos.

El bus de direcciones del 8086 tiene 20 líneas, con las que se puede manejar una memoria de 1 Mbyte. Para ello la CPU dispone de unos registros de segmento de 16 bits Æ 64 kbytes.

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Diagrama de conexionado El 8086 está encapsulado con 40 patitas en su versión DIP, para lo cual tiene muchas señales multiplexadas en sus patitas y otras cambian de función según se trabaje en "modo mínimo" o en "modo máximo".

Si se conecta al positivo la patita MN/MX# hace que el 8086 trabaje en modo mínimo y si se conecta a tierra en modo máximo. El modo mínimo está diseñado para sistemas sencillos en los que sólo se precisa un procesador. Por el contrario, el modo máximo es capaz de soportar muchos recursos y varios procesadores.

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La gran familia x86 Desde que en 1981 IBM eligió un microprocesador tipo 8086 para fabricar el PC, se desató una feroz lucha entre los principales fabricantes de microprocesadores para producir modelos con mayor rendimiento. Hubo otros fabricantes, como APPLE, que eligieron diferentes microprocesadores para construir sus computadores personales. En los 80, el poderoso MOTOROLA rompió moldes y diseñó el microprocesador 68000, un paradigma de perfección en hardware y software. INTEL, acuciado por las continuas peticiones de mayor rendimiento por parte de sus clientes y por los avances de sus competidores tardó sólo 4 años en presentar su gran estrella, que volvía a limpiar su imagen y satisfacía plenamente todas las expectativas. Se trataba del 80286, que se considera el primer miembro de la familia x86, que es la que utilizamos en la actualidad en nuestros PCs, con las versiones de Pentium. El 80286 surgió como una solución momentánea a las carencias que dejaba patentes el 8086. Sin embargo, la dicha duró poco, porque MOTOROLA comercializó a continuación el 68000, obligando a INTEL a buscar una arquitectura más sólida y consistente. En 1985 nació el verdadero padre y valedor de la familia x86, el 80386.

Una terrible maldición que da mucho dinero. El pilar fundamental en el que se basa la estrategia comercial de INTEL consiste en mantener la compatibilidad descendente de todos los modelos de la familia x86.

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El 80286 había mejorado algunas cosas del 8086: ¾ ¾ ¾ ¾

Aumentó la capacidad de la memoria, de 20 líneas en el bus de direcciones se pasó a 24 (16 MB), Introdujo el concepto de memoria virtual, que permitía manejar una memoria de hasta 1 GB, Estableció niveles de privilegio a los objetos ubicados en la memoria para permitir la multitarea, Además de, y esto ha sido la tónica de todos los procesadores x86, mantener la plena compatibilidad con el 8086, admitiendo dos modos de trabajo: o el modo real, que hacía que funcionase exactamente igual que un 8086, y o el protegido, en el que se utilizaba toda la potencia.

La segmentación a la que ahora nos referimos no tiene nada que ver con la segmentación de la memoria. Esta técnica de segmentación de procesamiento, también llamada tubular o "pipe-line". En el caso del procesador se aplica la técnica de la segmentación para aumentar la productividad de la ejecución de instrucciones, para lo cual el proceso se divide en varias etapas. En la primera etapa se busca el código de la instrucción en la memoria, en la segunda se decodifica el código, en la tercera se buscan los operandos, en la cuarta se ejecutan y en la quinta se escribe el resultado en la memoria.

El tiempo que se tarda en ejecutar una instrucción con segmentación es el mismo que sin segmentación, pero al tratar varias en paralelo sale una instrucción acabada cada menos tiempo. Al trabajar en paralelo los recursos del procesador se mejora la productividad. Este paralelismo, que se llama implícito, eleva el rendimiento sin afectar al coste, por eso esta técnica se ha ido aplicando cada vez en mayor grado en la familia x86.

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Memoria Virtual El 80286 dispone de 24 líneas en el bus de direcciones, por lo que con ellas sólo puede acceder a una memoria electrónica principal de un máximo de 16 MB, sin embargo tiene la impresión de manejar una memoria mucho más grande, de 1 GB, porque las direcciones que manejan los programas tienen 30 bits (dirección virtual).

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5ª Fase: Microprocesadores de 32 bits (1987-1988) Están construidos para poder soportar con facilidad los lenguajes de alto nivel y los sistemas operativos que admiten la multitarea. El campo de aplicación de los microprocesadores se ha visto ampliado enormemente con estos nuevos componentes, ya que características tan importantes como la velocidad de procesamiento, capacidad de memoria y niveles de protección, han permitido que las prestaciones de los sistemas que los contienen se aproxime, e incluso sobrepase, las de los minicomputadores. Así, por ejemplo, la velocidad de procesamiento de instrucciones está controlada por relojes cuya frecuencia supera los 20 MHz. Dos nuevos conceptos informáticos adoptan estos microprocesadores: 1. MEMORIA VIRTUAL Æ Que pone a disposición del programador de una gran memoria, aunque la memoria principal "realmente implementada" es mucho mas pequeña. 2. MULTIPROGRAMACION (MULTITAREA – MULTIUSUARIO) Æ La UCP distribuye su tiempo entre diversas tareas independientes, que se hallan convenientemente protegidas, para evitar ingerencias externas. Desde su aparición; los microprocesadores se han venido utilizando en aplicaciones indirectamente ligadas a la Informática, en las que actuaba como un componente electrónico más que simplificaba la circuitería lógica. Se usaba, con frecuencia, el lenguaje máquina. El coste creciente del diseño del sistema lógico favoreció la construcción de microprocesadores capaces de soportar fácilmente los lenguajes de alto nivel. Por otra parte, la diversificación de las aplicaciones en las que se usa el microprocesador, exige, en muchas ocasiones, la disponibilidad de sistemas multiusuario con una gran capacidad de memoria. La evolución que han seguido los microprocesadores en las 5 fases descritas, ha estado motivada por diversas circunstancias, entre las que destacan: a) El incesante aumento de la densidad de integración debido al progreso de la tecnología VLSI, que ha permitido disponer de pastillas de circuito integrado capaces de realizar funciones similares a las de un minicomputador. b) La incorporación de un completo juego de instrucciones (CISC) con vistas al empleo de lenguajes de alto nivel. También existen versiones RISC, de juego de instrucciones reducido. c) Ampliación gigantesca del campo de aplicación del microprocesador, que en algunas áreas hace preciso la posibilidad de contar con grandes espacios de memoria y disponer de varios niveles de protección para soportar diversas tareas.

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El microprocesador 80386 La barrera de los 32 bits Fue presentado en 1985 y estaba construido con 275.000 transistores. Está considerado como el verdadero creador de la familia x86 de INTEL. En la figura se muestran los modelos que fueron configurando esta familia hasta el comienzo de nuestro siglo.

En el 386 destaca la extraordinaria potencia en la gestión de la memoria. Puede direccionar hasta 4 GB de memoria principal y hasta 64 TB (Tetrabytes) de memoria virtual. Esta posibilidad mejora las prestaciones de los sistemas, al reducir el número de veces que se accede a los subsistemas de memoria para leer los datos y las instrucciones. La década de los 90 produjo un despegue de las aplicaciones de redes de computadores. Cada vez se trabaja más en equipo accediendo a grandes bases de datos, intercambiando mensajes y optimizando el uso de los recursos.

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Este microprocesador lo construyó INTEL usando tecnología CHMOS III de 1,6 micras, cuyas características más relevantes son las siguientes: 1ª. Todos los registros internos tienen una longitud de 32 bits. 2ª. El bus de datos y el de direcciones son de 32 bits cada uno. 3ª. Existen versiones del 386 desde 16 a 40 Mhz. 4ª. Admite el cambio dinámico del bus de datos de una longitud de 32 bits a 16. 5ª. Puede manejar una memoria principal de hasta 4 GB y una virtual de hasta 64 TB. 6ª. Es compatible con todo el software desarrollado para sus predecesores el 8086 y el 80286. 7ª. Puede trabajar en: Modo real emulando al 8086 y Modo protegido con toda la potencia de sus avanzados recursos. 8ª. En modo protegido divide el espacio de memoria en zonas que admiten 4 niveles de privilegio, para soportar la multitarea. 9ª. En modo protegido admite tres organizaciones de la memoria: Segmentación, en la que divide la memoria principal y virtual en segmentos. Paginación, que es optativa y divide la memoria en trozos del mismo tamaño, llamados páginas. Plano: utiliza un espacio lineal de la memoria, como si hubiese un solo segmento dividido en páginas. 10ª. Dispone de diversos Sistemas Operativos como el MS-DOS, el UNIX SYSTEM, el V/386, el OS/2, Windows, etc. También existen muchos compiladores de C, PL/M, FORTRAN, COBOL, etc. En la figura se presenta un gráfico que pone de manifiesto el enorme tirón que tuvo el 386 desde su comercialización.

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Arquitectura interna. Su estructura se diseñó para soportar un cauce dividido en etapas o segmentado, Pipe-line. La arquitectura del 386 se organiza en 6 bloques divididos en tres secciones.

La sección de la Unidad de Interfaz con el Bus (BIU) se encarga de soportar todas las transferencias con el exterior, es decir, con la memoria y las E/S. La sección CPU consta de tres bloques, el primero es la unidad de prebúsqueda de lnstrucciones, que recibe los códigos de las instrucciones y los almacena temporalmente en una cola para su posterior ejecución. De dicha cola las instrucciones van pasando a la unidad de Decodificación, que las traduce a señales de microoperaciones y las guarda en otra cola, de la cual pasan a la etapa de Ejecución donde son realizadas. Finalmente las unidades de Segmentación y Paginación conforman la MMU (Unidad de Manejo de la Memoria) encargada de la traducción de las direcciones utilizadas en los programas en las correspondientes de la memoria principal. Diagrama de conexionado La enorme potencia del 386 y sus innumerables recursos exigen un encapsulado PGA con 132 patitas. El patillaje se agrupa en forma de rejilla matricial dispuesta en tres hileras, que recorre todo el perímetro de la cápsula, como se representa en la figura. Cada patita se designa por una letra que corresponde a la columna y un número que corresponde a cada fila. Así la patita B-10 es la W/R#.

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El microprocesador 80486 Mejorando el 386 El 386 ha sido el verdadero creador de la familia x86, y sus sucesores han tenido como principal misión ir mejorando sus prestaciones y añadiendo nuevos recursos para elevar el rendimiento. El 486 también es un miembro de la familia que añadió a la arquitectura del 386 importantes novedades arquitectónicas. A veces se considera que el 486 se ha construido alrededor de un 386 mejorado, al que se le han añadido en el mismo chip los siguientes elementos físicos y lógicos: 1.- Un coprocesador matemático 387 mejorado. 2.- Un controlador de caché y una memoria caché. 3.- Posibilidad de acceso a las bases de datos de IBM y MOTOROLA. 4.- Soporte multiprocesador. 5.- Bus con funcionamiento rápido a ráfagas.

Como ya sucedió con el 386, el 486 dispone de tres versiones que se diferencian por las siglas SX, DX y DX2, cuyas principales características se ofrecen en la tabla de la figura.

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Las versiones DX2 funcionan internamente al doble de la frecuencia con la que se trabaja externamente, lo que supone una aceleración en las operaciones de proceso, manteniendo la velocidad de transferencia con el exterior. Para contener todos los elementos de la arquitectura el 486 se construyó con 1.200.000 transistores, utilizando tecnología CHMOS IV, igual e inferior a la micra. Funcionando a una frecuencia de 33 Mhz proporcionaba un rendimiento de 27 VAX-MIPS y a 50 Mhz llegaba a superar los 40 VAX-MIPS. Una interesante aportación del 486 fue la integración en el mismo chip del coprocesador matemático, que reduce una media de cuatro veces el número de ciclos de reloj necesarios para ejecutar instrucciones complejas con relación al coprocesador externo 387, que utilizaba el 386. La otra gran novedad fue la incorporación dentro del chip de una zona de memoria ultrarrápida tipo caché, con su correspondiente controlador.

Arquitectura interna. En lugar de las seis unidades funcionales que disponía el 386, este microprocesador tiene nueve, que se presentan gráficamente en la figura y que son las siguientes: Unidad de interconexión con el bus externo. Unidad de prebúsqueda. Unidad de memoria caché. Unidad de decodificación. Unidad de control. Unidad aritmética para números enteros. Unidad aritmética para números en coma flotante. Unidad de segmentación. Unidad de paginación.

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La memoria caché del 486 es muy pequeña, pues sólo tiene una capacidad de 8 KB. Esta caché se llama de primer nivel L1 y está situada entre la CPU y la memoria principal, de forma que cuando la CPU precisa un dato o una instrucción, inicialmente va a buscarla a la caché. Si está allí se obtiene en muy poco tiempo. Si la posición deseada no está en la caché, el Sistema Operativo busca dicha posición y otras adyacentes hasta formar una línea de 16 bytes en la memoria principal y carga en un ciclo (ráfaga) toda esa información en la caché. La eficiencia de una caché depende de que se encuentre en ella la mayoría de las peticiones de la CPU, por eso cuando se trae información de la memoria principal no sólo se trae la concreta que se necesita en ese momento, sino también la cercana que previsiblemente se va a necesitar después. Cuando se desactiva la caché, la memoria SRAM que está compuesta puede utilizarse como una pequeña parte de la memoria principal para guardar datos o códigos.

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6ª Fase: Microprocesadores de 64 bits (1989 hasta nuestros días) El primer Pentium La primera versión de esta nueva generación de la familia x86 apareció en 1993. Se la llamó Pentium a secas y en los años siguientes, hasta completar el milenio, surgieron seis versiones diferentes:

El primer Pentium contenía 3.100.000 transistores, fabricados con tecnología BiCMOS de 0,8 micras. Las primeras versiones de este microprocesador funcionaban a 60 y 66 Mhz, proporcionando un rendimiento de 100 y 112 VAX-MIPS, respectivamente. Luego se comercializaron versiones a 90, 100, 133 y 150 Mhz. Hay tres segmentos del mercado que aconsejan utilizar el Pentium: 1. Computadores de sobremesa de altas prestaciones. 2. Servidores de redes de área local. 3. Sistemas multiprocesador. Sobre el Pentium funcionan los principales Sistemas Operativos como el UNIX, Windows NT, Windows, OS/2, Solaris, Linux, etc... Aunque las prestaciones y el rendimiento del Pentium superan ampliamente a sus predecesores el 386 y el 486, su estructura fundamental se mantiene, y sigue siendo un microprocesador de 32 bits con un direccionamiento máximo de la memoria principal de 4 GB y de la memoria virtual de 64 TB. En el esquema de la figura se muestra un diagrama por bloques simplificado del Pentium dividido en siete unidades funcionales que incorporan interesantes innovaciones: - Unidad de enteros superescalar. - Unidad de memoria caché avanzada. - Unidad de interconexión con el bus. - Monitor de prestaciones. - Unidad de redundancia funcional. - Unidad de predicción de bifurcaciones. - Unidad de coma flotante.

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Una de las novedades de este micro procesador es su arquitectura superescalar, que consiste en disponer de dos cauces paralelos para el procesamiento de instrucciones con números enteros. Además, tiene un tercer cauce independiente para el tratamiento de las instrucciones en coma flotante. El Pentium se presenta en una cápsula PGA (patitas en forma de rejilla matricial) de 273 patitas distribuidas en 21 filas y 2l columnas. La caché está dividida en dos secciones independientes de 8 KB cada una, dedicadas a guardar datos e instrucciones respectivamente. Esta doble caché permite accesos simultáneos a datos e instrucciones.

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El Pentium Pro Se comercializó en 1995 y se presentaba en una enorme cápsula cerámica de 387 patitas y aun precio cercano a los 1.000 $ para grandes cantidades. Dentro de la cápsula existían dos chips, uno contenía el procesador y estaba construido con 5,5 millones de transistores y el otro con 15,5 millones de transistores implementaba una memoria caché. Se alimentaba con 2,9 V y consumía 20 vatios a 150 Mhz. En 1996, usando tecnología de 0,35 micras se fabricó una versión a 200 Mhz con un elevado rendimiento. Las características más destacadas del Pentium Pro son las siguientes: 1. Dentro de la cápsula se halla integrada una caché de segundo nivel (L2). De esta forma el Pentium Pro dispone de una caché de primer nivel (L1) de dos secciones de 8 KB para datos e instrucciones y una caché de segundo nivel de 256 KB, con la que la CPU se comunica con un bus especial "trasero" a la misma frecuencia que funciona el procesador, consiguiendo una velocidad altísima en las transferencias.

2. Ejecución dinámica de instrucciones, lo que significa que pueden ejecutarse variando el orden del flujo del programa. 3. Potenciación de la arquitectura superescalar. 4. Apertura a las instrucciones RISC mediante la decodificación de las instrucciones CISC a microoperaciones RISC. 5. Incremento de la supersegmentación que eleva el número de etapas del cauce a 14.

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El Pentium MMX El año 1997 fue muy fructífero para INTEL. En él comercializó dos potentísimos modelos de Pentium: ¾ el Pentium MMX en Enero de dicho año, y ¾ el Pentium II en Mayo. El objetivo del Pentium MMX era mejorar el rendimiento de los Pentium en las aplicaciones multimedia, para lo cual introdujo tres innovaciones en su arquitectura: 1. Aumentó la caché de primer nivel L1 al doble que los modelos precedentes. Por tanto, estaba formada por una sección destinada a contener datos de 16 KB y otra independiente, de la misma capacidad, para contener instrucciones. 2. Mejoró notablemente la Unidad de Predicción de Saltos, con objeto de reducir los conflictos que se originaban en el cauce segmentado con las instrucciones de salto condicional. 3. Incluyó en el repertorio 57 nuevas instrucciones, conjunto al que se denominó MMX. El Pentium MMX está fabricado sobre una cápsula PGA de 296 patitas y 4,5 millones de transistores fabricados con tecnología de 0,35 micras. Las primeras versiones funcionaban a 133, 166, 200 y 233 Mhz. El precio de salida era de 407 $ ó 550 $, según el encapsulado fuese cerámico o de plástico. Para disminuir el consumo del núcleo del procesador se alimentaba con 2,8 V, mientras que la circuitería externa precisaba 3,3 V.

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Pentium II Fabricado con 7,5 millones de transistores de tecnología de 0, 3 5 micras y con una memoria caché de primer nivel con 16 KB para contener datos y otro tanto para contener instrucciones, el Pentium II, además, incluye una caché de segundo nivel L2 con 512 KB, que funciona a la mitad de la frecuencia que la CPU. Es decir, un poco más lenta que la del Pentium Pro que funcionaba a la misma frecuencia que el procesador. Este microprocesador es un Pentium Pro al que se han incorporado el conjunto de instrucciones MMX. La gran novedad que incluyó INTEL en este microprocesador se debía también a factores de mercadotecnia. En las placas principales de los PC el encapsulado PGA normalizado que hasta entonces utilizaban los Pentium era aprovechado por los competidores para ofrecer microprocesadores análogos aunque con nombre diferente. Esto suponía cierta compatibilidad de placas y zócalos en los PC. El Pentium II se presentó encapsulado en el nuevo formato registrado tipo SECC (Single Edge Contact Cartridge); se trataba de un cartucho que se introduce por una ranura de 242 contactos llamada SLOT ONE.

Dentro del cartucho existe una PCB que contiene al Pentium II, la caché L2 y la circuitería auxiliar.

Pentium III Las primeras versiones de este microprocesador aparecieron en Febrero de 1999 y estaban construidas con 9,5 millones de transistores con tecnología de 0,25 micras, funcionando a una frecuencia de 650 Mhz. Más adelante se realizaron versiones con tecnología de 0,18 micras que lograron superarla barrera de los 1.000 Mhz, o sea, 1 Ghz. También se alcanzaron frecuencias muy interesantes en la comunicación del procesador con el bus del sistema que alcanzan los 100 y 133 Mhz. En cuanto a la capacidad y velocidad de las cachés se mantuvieron los criterios de los Pentium anteriores, así, la caché L1 era de 16 KB + 16 KB y la caché L2 de 512 KB funcionando a la mitad de la frecuencia que la CPU. Incorpora 70 nuevas instrucciones MMX2 que optimizaban las operaciones en coma flotante, las aplicaciones en Internet, la edición de video, el reconocimiento de voz y los juegos en 3D. Otra aportación del Pentium III fue la inclusión del “Identificador ID”, que proporciona el número de serie del producto o CPU siempre que transfiere información a través de Internet. Se pensó que serviría para aumentar la seguridad en las transacciones por Internet, pero tuvo bastante controversia porque eliminaba la privacidad del usuario. De ser una propiedad intrínseca al dispositivo pasó a ser opcional.

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MICROPROCESADORES Y MULTIPROGRAMACION

Pentium 4 Apareció en Noviembre de 2000 y estaba fabricado con 42 millones de transistores de tecnología de 0,18 micras. Funcionaba a una frecuencia de 1,5 Ghz. Se modernizaron las memorias cachés y así la memoria L1 se configuró en dos partes asimétricas, una de 8 KB destinada a contener sólo datos y otra de 12 KB para microinstrucciones de alta velocidad. Las primeras versiones contenían una caché L2 de 256 KB, pero podían cachear hasta 4 GB. El bus de direcciones de la CPU se eleva a 36 líneas Æ una memoria principal de hasta 64 GB.

ORIENTACION DE LOS MICROPROCESADORES DE 64 BITS Los procesadores de 64 bits prometen elevar la tecnología de los PC’s hasta cotas desconocidas en el ámbito empresarial.

Los gigabytes y terabytes de información con los que trabajan las grandes organizaciones ya se encuentran limitaciones de espacio sobre las actuales plataformas informáticas. La tecnología se queda pequeña, por eso el futuro se escribe sobre 64 bits. Las estaciones de trabajo para diseño gráfico y los grandes sistemas de bases de datos de gama alta, como Microsoft SQL Server, serán los que se beneficiarán de una forma más directa de los nuevos procesadores. Las cada vez más numerosas aplicaciones de datawarehousing, soluciones ERP, CRM y de apoyo a la toma de decisiones, junto a la proliferación de tiendas virtuales, obtendrán mayor rendimiento de los aumentos de direccionabilidad de memoria del nuevo procesador. En cuanto a la parte servidor, los 64 bits están dirigidos a soportar aplicaciones para servidores Web, servicios de archivo e impresión conjuntos, inteligencia de negocio, ingeniería y ciencias.

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Trabajar sobre 64 bits Estas son alguna de las prestaciones que ofrecen los 64 bits frente a los sistemas de 32: ¾

Mayor potencia en el acceso a grandes bases de datos complejas.

¾

Mayor velocidad en la ejecución de instrucciones complicadas.

¾

Mayor rendimiento en aplicaciones que requieren velocidad, seguridad y exactitud.

¾

Capacidad para el desarrollo de aplicaciones concretas (bases de datos de grandes características, inteligencia empresarial y minería de datos, transacciones de seguridad, informática de alto rendimiento, diseño mecánico por ordenador, análisis de ingeniería)

Microsoft Windows sobre 64 bits ¾

¾

¾

Rendimiento y escalabilidad adicionales o

Soporte de grandes volúmenes de memoria

o

Optimizado para la familia de procesadores Intel Itanium

o

Aprovechamiento del rendimiento de punto flotante,

o

Multiprocesamiento.

Una única interfaz para aplicaciones técnicas y de negocios o

Interoperabilidad

o

Herramientas de administración comunes

Tecnología para la próxima generación de aplicaciones o

Modelo de programación común

o

Sólidas herramientas de desarrollo

o

Preparado para Microsoft.NET

La estrecha relación que mantienen Microsoft e Intel (que empezó en 1997), de apoyo a la arquitectura y a su último procesador, Itanium 2, ha establecido un entorno óptimo para el desarrollo de la actual generación de aplicaciones y sistemas de 64 bits.

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MICROPROCESADORES Y MULTIPROGRAMACION

La supercompútadora Dawning 4000A que posiblemente será 3 o 4 mejor del mundo estará basada en el micro AMD, se planea que más de 2,000 procesadores AMD Opteron Serie 800 sean utilizados para impulsar el sistema. Su capacidad de memoria está prevista para llegar hasta 2.256 GB ó 2,256 Terabytes, con 10 trillones de operaciones por segundo o 10 Teraflops. Estará en china y de OS es Linux

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MICROPROCESADORES Y MULTIPROGRAMACION

Anexo 1.- MAQUINAS DE PILAS

Anexo 2.- GESTION MULTIPROGRAMACION

Anexo 3.- EVOLUCION DE LOS MICROPROCESADORES

Anexo 4.- MICROPROCESADORES 32 Bits

Anexo 5.- MICROPROCESADORES 64 Bits

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