Anexo 3. - Departamento de Tecnología Electrónica

Sistemas de Multiprocesamiento
EVOLUCION DE LOS MICROPROCESADORES
Parte 1.- TEORÍA DEL PARALELISMO
Tema 3.- MONOPROCESADORES Y MULTIPROGRAMACION
Anexo 3.- EVOLUCION DE LOS MICROPROCESADORES
INDICE
Capitulo 3.1.- Desarrollo histórico y modelos comerciales de microprocesadores: .............................................................. 2
1ª Fase: Microprocesadores de 4 bits (1971-1974)............................................................................................................ 3
2 Fase: Microprocesadores de 8 bits (1974-1976)............................................................................................................. 3
3ª Fase: Microprocesadores de 8 bits mejorados (1976-1978) .......................................................................................... 3
El microprocesador 8085 ................................................................................................................................................... 3
La brillante historia de un descubridor .......................................................................................................................... 3
Arquitectura interna del 8085. ....................................................................................................................................... 5
Diagrama de patitas........................................................................................................................................................ 7
4ª Fase: Microprocesadores de 16 bits (1978- 1980)............................................................................................................. 8
El microprocesador 8086 ................................................................................................................................................... 8
El pelotazo de Intel ........................................................................................................................................................ 8
Arquitectura interna del 8086. ..................................................................................................................................... 10
Diagrama de conexionado............................................................................................................................................ 13
La gran familia x86.......................................................................................................................................................... 15
Una corta aventura. ...................................................................................................................................................... 15
Una terrible maldición que da mucho dinero............................................................................................................... 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. .................................................................................................................................................... 23
Diagrama de conexionado............................................................................................................................................ 24
El microprocesador 80486 ............................................................................................................................................... 26
Mejorando el 386 ......................................................................................................................................................... 26
Arquitectura interna. .................................................................................................................................................... 27
La unidad de memoria caché ....................................................................................................................................... 28
6ª Fase: Microprocesadores de 64 bits (1989 hasta nuestros días) ...................................................................................... 30
Los microprocesador Pentium ......................................................................................................................................... 30
El primer Pentium ........................................................................................................................................................ 31
El Pentium Pro ............................................................................................................................................................. 33
El Pentium MMX......................................................................................................................................................... 35
Pentium II .................................................................................................................................................................... 36
Pentium III ................................................................................................................................................................... 37
Pentium 4 ..................................................................................................................................................................... 38
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EVOLUCION DE LOS MICROPROCESADORES
Este capítulo está dedicado a presentar las características más relevantes que se aplican a las arquitecturas de
los microprocesadores actuales.
En él se describe el equipo físico y el sistema lógico del microprocesador 80286, que puede considerarse como el
precursor de los modernos 80386, 80486 y otros.
En menos de un cuarto de siglo, en que se han desarrollado los microprocesadores, ya se pueden distinguir 5
fases o etapas, claramente diferenciadas.
Capitulo 3.1.- Desarrollo histórico y modelos comerciales de microprocesadores:
Se describen, someramente, las fases de desarrollo de los microprocesadores:
1ª Fase.- Microprocesadores de 4 bits (1971-1974).
2ª Fase.- Microprocesadores de 8 bits (1974-1976).
Æ Se adopta este componente como estándar en la industria y da origen a los microcomputadores personales.
3ª Fase.- Microprocesadores de 8 bits mejorados (1976-1978).
Æ Se produce la masificación en la aplicación de los microprocesadores en la industria y en los computadores
personales.
4ª Fase.- Microprocesadores de 16 bits (1978-7980).
Æ En esta época surgen los microcomputadores profesionales y nuevas aplicaciones en campos como la
Robótica y la Visión Artificial.
5ª Fase.- Microprocesadores de 32 bits (1981-1987).
Æ Aparecen en el mercado los micro-minis, que, siendo microcomputadores basados en microprocesadores de
32 bits, asemejan sus prestaciones a los minicomputadores convencionales.
Los campos de aplicación de estas máquinas alcanzan a la Inteligencia Artificial, el CAD/CAM y otros.
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1ª Fase: Microprocesadores de 4 bits (1971-1974)
En esta etapa de introducción de los microprocesadores tienen una estructura interna muy sencilla, estos
elementos trabajaban con una palabra de trabajo 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 2,300 TRT's y tecnología LSI, es uno de los más representativos de esta
etapa inicial.
2 Fase: Microprocesadores de 8 bits (1974-1976)
Manteniendo la filosofía de los microprocesadores de 4 bits, se aumenta el tamaño de la palabra de trabajo a 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, diseñado en un principio como controlador de TRC.
El éxito que obtuvo animó al mismo fabricante a introducir una nueva versión, denominada 8080, y que pronto se
convirtió en un estándar.
Como el 8080 de Intel con 5,000 TRT's, el 6800 de Motorola con 6,000 TRT's, o el Z80 de Zilog.
Æ Se adopta este componente como estándar en la industria y da origen a los microcomputadores personales.
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.
4. También se aumenta la velocidad de funcionamiento.
A esta etapa pertenecen los microprocesadores:
¾ 8085 de Intel,
¾ 6800 de Motorola,
¾ 6502 de Mos Technology y
¾ Z-80 de Zilog.
Æ Se produce la masificación en la aplicación de los microprocesadores en la industria y en los computadores
personales.
El microprocesador 8085
La brillante historia de un descubridor
La empresa americana INTEL es considerada como la descubridora del microprocesador.
Surgió en 1971 y tras más de 30 años sigue manteniendo su liderato mundial y acaparando los mayores éxitos.
La "casualidad" fue el origen del microprocesador, pues el primero, que se llamaba 4004, surgió como
consecuencia de un pedido de un fabricante japonés de máquinas de cálculo.
Al incorporar esta novedad en los catálogos comerciales, la programabilidad del invento cautivó a todos los
técnicos. Había comenzado una revolución que mezclaba el hardware y el software.
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El 4004 era un sencillo microprocesador que trabajaba a muy baja frecuencia con palabras de 4 bits.
Animado por las aplicaciones de los diseñadores y sus nuevas exigencias, INTEL diseñó un modelo mejorado, el
4040, también de 4bits.
En 1973 se decidió a dar un salto al fabricar el modelo 8008 que manejaba palabras de 8 bits.
Lo mejoró con la versión 8080 y, finalmente, en 1976 presentó el 8085, que se ha considerado un estándar de la
industria durante mucho tiempo.
Tenía 20.000 transistores, funcionaba a 1 MHz y estaba encapsulado con 40 patitas.
INTEL ha mantenido hasta nuestros días una vertiginosa carrera de mejora de los microprocesadores.
En 1978 sacó a la luz el primer microprocesador de 16 bits, el 8086.
Después en 1985 sacó el primer microprocesador de 32 bits el 80386, con cuyos descendientes, los Pentium, aún
seguimos trabajando en nuestros días, como se refleja en la tabla de la figura.
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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.
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La unidad de control recibe el código de la instrucción, que se almacena en el registro de instrucciones, antes de
ser interpretada.
Se convierte en microinstrucciones, que son operaciones elementales que se realizan conforme a las señales del
bloque temporizador y de control.
La ALU se alimenta de dos operandos, uno desde el registro acumulador y el otro desde un registro temporal.
El resultado de la operación se carga en el acumulador.
El banco de registros se compone de 6 registros de 8 bits, que pueden trabajar en parejas como si fuesen de 16
bits.
Además contiene el contador de programa que apunta la dirección de la siguiente instrucción y el puntero de la
pila, que apunta la cima de la pila donde se guardan las direcciones de retorno al programa principal cuando hay
llamadas a subrutinas o interrupciones.
El 8085 dispone de un colosal juego de interrupciones externas formado por las patitas: INTR, RST5.5, RST6.5,
RST7.5 y TRAP.
Finalmente, 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.
Esto significa que durante un periodo de tiempo estas patitas realizan una misión y luego realizan otra.
En la figura se muestra el diagrama de conexionado del 8085.
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.
El correcto funcionamiento de este microprocesador exige que tanto los voltajes de alimentación, como la
temperatura de trabajo y los rangos de las corrientes y voltajes en todas sus patitas, se hallen dentro de los límites
que establece el fabricante.
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4ª Fase: Microprocesadores de 16 bits (1978- 1980)
Se modifica progresivamente la arquitectura de von Neumann con objeto de disponer de un repertorios de
instrucciones y unos recursos físicos adecuados que se adapten mejor a:
¾ los sistemas operativos avanzados,
¾ los lenguajes de alto nivel,
¾ la productividad en el desarrollo de programas y
¾ reducir los costes de las aplicaciones.
Con esta orientación aparece:
¾ el 8086 con 29,000 TRT's y el 80286 de Intel,
¾ el 68000 de Motorola
¾ el Z8000 de Zilog y
¾ 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.
Æ En esta época surgen los microcomputadores profesionales y nuevas aplicaciones en campos como la
Robótica y la Visión Artificial.
El microprocesador 8086
El pelotazo de Intel
En 1978 INTEL presentó al mundo el primer microprocesador de 16 bits.
Se trataba del modelo 8086, un descendiente directo del 8080, pero con registros de 16 bits, un bus de datos de
16 bits y direccionamiento de 20 bits, y permite controlar más de un megabyte de memoria
Contenía 29.000 transistores y funcionaba a partir de una frecuencia de 4,77, 8 y 10 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.
Los modelos 25 y 30 de los equipos PS/2 de IBM, disponen de un 8086 a 8 MHz.
A partir de ese momento las ventas de microprocesadores se dispararon, porque los PC han ido creciendo y
masificándose a la sombra de los nuevos modelos de microprocesadores de INTEL.
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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.
2ª. Registros punteros de dirección.
3ª. Registros especiales: Puntero de Instrucciones (IP) y Registro de Estado (FLAGS).
4ª. Registros de segmento.
Los registros generales son 4 de 16 bits cada uno, pudiendo trabajar con 8 bits (AX, BX, CX y DX).
Los registros punteros y los de segmento sirven para direccionar la memoria.
El registro especial IP apunta la memoria de instrucciones, concretamente la dirección de la siguiente instrucción a
ejecutar.
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.
P: Paridad.
AC: Acarreo intermedio en el 4 bit.
Z: Señalizador de resultado cero.
S: Señalizador de signo.
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.
0: Señalizador de desbordamiento del resultado.
Para potenciar la programación estructurada, INTEL introdujo en el 8086 la memoria dividida en segmentos, que
son trozos de tamaño variable en los que se deposita información similar.
Así, hay segmentos de código que sólo contienen instrucciones, los hay de datos y de pila.
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El bus de direcciones del 8086 tiene 20 líneas, con las que se puede manejar una memoria de 1 Mbyte de
capacidad. Esa memoria se divide en segmentos a los cuales hay que direccionar.
Para ello la CPU dispone de unos registros de segmento de 16 bits.
El registro CS será el encargado de apuntar la base del segmento de código.
Pero como la dirección de memoria es de 20 bits hay que ampliar los 16 de CS, lo que se consigue añadiendo
cuatro ceros a la derecha, o lo que es lo mismo, multiplicando por 16 el valor binario contenido en dicho registro.
Una vez que se apunta la base del segmento a dicha dirección se añade un valor de 16 bits que se llama
"desplazamiento", para dejar definida la dirección a la que se va a acceder.
En la figura se muestra la manera de obtener la dirección de la memoria basándose en el registro segmento (RS)
y el desplazamiento.
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El valor del desplazamiento en el segmento de código viene dado por IP, en el segmento de pila por SP y en los
dos posibles segmentos de datos (DS y ES) por el valor que incorpora la dirección del operando de la instrucción
que se utiliza.
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".
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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.
En este modo se usa un dispositivo especial denominado "controlador de bus" (8288) que genera todas las
señales de control sobre la base de S0, S1 y S2, como se refleja en la figura.
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La gran familia x86
Una corta aventura.
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 la década de los 80 del siglo pasado, 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 presentado en 1982 e incluido desde 1984 en el equipo PC/AT de IBM y compatibles, que se
considera un miembro de la familia x86, que es la que utilizamos en la actualidad en nuestros PCs, con las
versiones de Pentium.
El 80286 dispone de registros de 16 bits, transfiere información a través del bus de datos a 16 bits simultáneos y
utiliza 24 bits para direccionar la memoria.
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.
En la figura se muestra un gráfico que presenta el desarrollo de los primeros modelos de la familia x86.
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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.
Por eso, cada vez que sale al mercado un nuevo modelo se puede migrar a él, siendo válido todo el software
desarrollado para modelos precedentes.
Esta política permite a los clientes de INTEL mantener todos los programas que utilizaban cuando adquieren una
nueva máquina con un microprocesador reciente.
El 80286 había mejorado algunas cosas del 8086:
¾
Aumentó la capacidad de la memoria, ya que de 20 líneas en el bus de direcciones se pasó a 24,
¾
Introdujo el concepto de memoria virtual, que permitía manejar una memoria de hasta 1 GB,
¾
Estableció niveles de privilegio a los objetos ubicados en la memoria para permitir la multitarea,
¾
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:
ƒ
que es compatible con MS-DOS y
ƒ que funcionase exactamente igual y con los límites de los chips 8086 y 8088.
o
el protegido, en el que se utilizaba toda la potencia y la funcionalidad del microprocesador).
El modo real limita a 1 megabyte la cantidad de memoria que el microprocesador puede
direccionar.
Por otro lado, en el modo protegido, el 80286 puede acceder directamente a 16 megabytes de
memoria. Además, un 80286 en modo protegido protege al sistema operativo de aplicaciones que
provocan fallos. Esta protección no existe en procesadores 8088 y 8086, ni está presente en el
80286 cuando funciona en modo real.
La segmentación a la que ahora nos referimos no tiene nada que ver con la segmentación de la memoria.
Esta técnica de segmentación, también llamada tubular o "pipe-line", es la que se utiliza en muchos procesos
de producción, como en la de automóviles, para mejorar la productividad.
En lugar de usar todos los recursos para completar un vehículo y dar entrada al siguiente, se divide el trabajo de
montaje en etapas o tareas independientes y sucesivas.
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Así cada una puede atender a un coche diferente y en un momento dado puede estar montando varios coches a
la vez.
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
Es un mecanismo que incorporan los microprocesadores avanzados de la familia x86, por el cual la CPU tiene la
impresión de manejar toda la memoria secundarla de masa, aunque en realidad sólo puede acceder a la memoria
principal, que es la basada en circuitos integrados, como por ejemplo tipo DRAM.
Para dar esa impresión se dispone de una unidad llamada MMU que es la encargada de trasladar a la memoria
principal todos los objetos que necesite la CPU.
Cuando se desea acceder a una dirección que no está en la memoria principal y sólo se halla en la secundaria
(disco), la MMU hace la transferencia para que el procesador la pueda encontrar correctamente.
En realidad la MMU maneja una tabla donde tiene apuntado todo lo que hay en la memoria principal, si se solicita
algo que no contiene provoca una excepción al Sistema Operativo que se encarga de transferirlo desde la
memoria virtual a la principal, actualizando la tabla para poder realizar el acceso.
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), como
se representa en la figura.
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La dirección virtual se descompone en dos campos de 16 bits cada uno.
El primero carga los 14 bits de más peso en un selector de segmento que apunta la base del segmento a acceder.
Los otros dos bits indican el nivel de privilegio del segmento.
En los 16 bits restantes se obtiene el desplazamiento que hay que sumar a la base para determinar la dirección
concreta.
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 (multiprogramación y multiusuario.).
Su velocidad de procesamiento de instrucciones es muy elevada, estando controlada por relojes cuya frecuencia
supera los 20 MHz.
Como el 80286 con 134,000 TRT's, el 80386 con 275,000 TRT's de Intel, o el 68020 y el 68030 de Motorola.
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, tratamiento en coma
flotante, capacidad de memoria, circuitos auxiliares para gestión de la 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.
Los campos de aplicación de estas máquinas alcanzan a la Inteligencia Artificial, el CAD/CAM y otros.
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. MULTITAREA Æ La UCP distribuye su tiempo entre diversas tareas independientes, que se hallan
convenientemente protegidas, para evitar ingerencias externas.
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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.
El microprocesador 80386
La barrera de los 32 bits
El 80386 fue el primer microprocesador de 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.
La arquitectura del 386 mantiene la compatibilidad con los microprocesadores 8086 y 80286 para perpetuar la
política comercial de INTEL que tanto éxito le ha proporcionado.
El 386SX fue introducido en 1988 como un producto de bajo costo alternativo al 80386DX. El 80386SX es
básicamente un procesador 80386DX limitado por un bus de datos de 16 bits.
El diseño basado en 16 bits permite configurar los sistemas 80386SX con componentes menos costosos del tipo
AT, reduciendo considerablemente el precio total del sistema.
El 80386SX proporciona además prestaciones superiores al 80286 y compatibilidad con todo el software diseñado
para el 80386DX.
Incorpora también características del 80386DX, como la multitarea y el modo 8086 virtua
En la figura se muestran los modelos que fueron configurando esta familia hasta el comienzo de nuestro siglo.
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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, como se refleja en la figura.
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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 en 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, de forma que la ejecución de
las instrucciones se efectuase en varias fases.
El cauce de un procesador puede dividirse en cuatro etapas clásicas:
Búsqueda de la Instrucción (BI).
Decodificación (D).
Búsqueda de Operandos (B0).
Ejecución (E).
Como puede apreciarse en la figura, las instrucciones se ejecutan en serie al ritmo de los impulsos del reloj
interno.
Con el primer impulso entra en el cauce la primera instrucción y ocupa la etapa BI, en la que se accede a la
memoria y se recoge el código de la instrucción a ejecutar.
En el segundo impulso dicha instrucción pasa a la unidad de Decodificación (D) y al dejar libre la etapa BI la utiliza
la siguiente instrucción I2.
En el tercer impulso I1 pasa a la etapa BO, la I2 a la etapa D y entra en la etapa BI la instrucción I3.
Así se van ejecutando, en cadena, el flujo de instrucciones, estando trabajando en cada momento sobre cuatro
instrucciones diferentes.
La arquitectura del 386 se organiza en 6 bloques divididos en tres secciones.
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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, 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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Microprocesador 80387, denominado también 387, se trata de un coprocesador matemático de coma flotante,
diseñado por Intel para la familia de procesadores 80386.
Está disponible a velocidades de 16, 20, 25 y 33 MHz.
El coprocesador 80387 puede aumentar de forma considerable el rendimiento del sistema, siempre que el
software de aplicación haga uso de él, ya que pone a disposición de la aplicación instrucciones aritméticas,
trigonométricas, exponenciales y logarítmicas con las que no cuenta el 80386.
El 80387 también incorpora operaciones fundamentales para el cálculo de senos, cosenos, tangentes,
arcotangentes y logaritmos. Si se utilizan estas instrucciones adicionales, las operaciones son realizadas por el
80387, permitiendo al 80386 dedicarse a otras tareas.
El 80387 puede procesar enteros de 32 y 64 bits, números en coma flotante de 32, 64 y 80 bits y operandos BCD
(decimales codificados en binario) de 18 dígitos; cumple la norma ANSI/IEEE 754-1985 sobre aritmética en coma
flotante binaria.
El 80387 opera con independencia del modo en que se encuentre el 80386 y funciona correctamente cuando éste
trabaja en modo real, protegido o en 8086 virtual.
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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 unidad de memoria caché
Cuando se opera con procesadores que trabajan cerca de los 100 Mhz y tienen un periodo de reloj próximo a los
10 ns, no puede acoplárseles memorias cuyo tiempo de acceso esté cercano a los 100 ns.
Existe un tremendo desequilibrio y cuando se ejecuta una instrucción hay etapas que realizan la operación en el
interior del procesador a su velocidad, pero hay otras que al tener que ir a buscar las instrucciones o los
operandos deben salir al exterior y acceder a las memorias, lo que significa que deben de trabajar a su velocidad.
Para intentar eliminar este grave inconveniente los ingenieros del 486 optaron por incorporar dentro del chip una
pequeña memoria ultrarrápida, tipo caché. Con esta decisión se ayudaba a los fabricantes de equipos OEM a
reducir costes y volúmenes.
La memoria caché del 486 es muy pequeña, pues sólo tiene una capacidad de 8 KB.
Dentro de ella se pueden almacenar instrucciones y datos.
Su estructura es de tipo asociativo de 4 vías, con líneas de 16 bytes cada una, o sea, cuatro palabras de 32 bits
por línea. La línea es un elemento fundamental en una caché, porque determina el tamaño con las que se realizan
las transferencias entre la memoria principal y la caché.
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.
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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.
La caché está dividida en cuatro vías cada una de 2 KB.
Cada vía está formada por 128 líneas de 16 bytes cada una.
En la figura se muestra la organización de la memoria caché del 486 y la forma con la que se procede para
conocer si una dirección se halla contenida en la misma.
Los 21 bits de la dirección a localizar (A31-A11) se comparan con las 128 etiquetas de cada una de las 4 vías.
En realidad la posición de la caché en vez de responder a una dirección responde a una etiqueta, que es como
una clave. Si coincide la clave es que corresponde a la dirección buscada, y entonces el dato que la acompaña es
válido. Si no coincide la etiqueta se produce la llamada "ausencia" o fallo y entonces el Sistema Operativo busca
en la memoria principal dicha dirección y las adyacentes, cargando una línea completa de la caché con el
contenido de la misma y actualizando posteriormente el valor de la etiqueta.
Para cada sector de la caché existen 7 bits de estado que informan del tipo de información que se guarda.
La caché almacena los datos según sus direcciones físicas y no virtuales.
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)
Los microprocesador Pentium
Hay muchos criterios para clasificar las diversas generaciones o etapas por las que se ha desarrollado la familia
x86, pero la más lógica es la que se reparte en cinco y utiliza el número que corresponde a la "x" para ordenarlas,
como se indica a continuación:
1ª GENERACION: 8086
2ª GENERACION: 80286
3ª GENERACION: 80386
4ª GENERACION: 80486
5ª GENERACION: Pentium
Tal como se iban produciendo las generaciones, la quinta debería haberse llamado 80586, pero INTEL rompió en
este punto la secuencia por motivos de mercadotecnia. Hasta ese momento sus competidores más directos
fabricaban microprocesadores similares y, además, se les asignaba números similares, lo que inducía a confusión
a los clientes.
Los números no se pueden registrar y por tanto se pueden copiar.
Por eso bautizó a la quinta generación con "Pentium", nombre que registró.
Los modelos y subfamilias de Pentium han aparecido en el mercado a tal velocidad, que se ha dado el caso de
que en el mismo año se han comercializado dos diferentes.
Además, cada modelo ofrece multitud de versiones a distintas frecuencias.
Lo cierto es que la mayoría de los PC profesionales y domésticos de principios del siglo XXI tienen un Pentium en
su interior.
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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.
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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.
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.
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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
E1 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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El repertorio de instrucciones del MMX
La característica diferenciadora de este Pentium respecto a los precedentes residía en el conjunto de 57 nuevas
instrucciones especiales que se habían añadido al repertorio convencional de la familia x86.
Las instrucciones MMX manejaban 8 registros de
trabajo de 64 bits cada uno, que se denominaban
NM0-NM7.
Dichos registros, al no estar incorporados a su
arquitectura eran los que utilizaba el coprocesador
matemático para sus operaciones en coma flotante y
se llamaban R0-R7, disponiendo de 80 bits.
Las instrucciones MMX, como manejaban datos de
64 bits no empleaban los 16 bits de más peso de los
registros del coprocesador, como se muestra
gráficamente en la figura.
La novedad que incorporan las instrucciones MMX es que realizan la misma operación sobre los diferentes
operandos que conforman su palabra de trabajo.
Como se ha indicado manejan palabras de 64 bits, las cuales pueden descomponerse en 8 operandos de tamaño
byte (8 B), en
4 operandos de tamaño palabra (4 W), en 2 de tamaño doble palabra (2 D) o en uno sólo de tamaño cuádruple
palabra (Q).
Así, una de las instrucciones MMX puede ser la suma, y si se ejecuta sobre operandos de tamaño byte, al
ejecutarse es como si se realizasen 8 sumas con los 8 operandos de tamaño byte.
La característica de realizar una operación sobre diversos datos a la vez es muy útil en las aplicaciones
multimedia y con ellas se obtiene un elevado rendimiento.
Se debe tener en cuenta que las instrucciones MMX no se pueden utilizar a la vez que las de coma flotante, por la
colisión que existiría entre los registros comunes.
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.
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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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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, lo que permite direccionar una memoria principal de hasta
64 GB.
Finalmente se presenta una tabla que recoge las características más representativas de los modelos de Pentium
que se han descrito.
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