informática-microprocesadores de la pc -lic. prof. edgardo faletti

Arquitectura de la PC Procesadores Página 1

µProcesadores de la PC Recapitulando, los contenidos desarrollados anteriormente, se plantea el siguiente diagrama conceptual:

figura 1. Diagrama en donde se centra la importancia del µProcesador El microprocesador es un circuito digital generalmente bastante complejo que realiza procesamiento de datos, las operaciones que se llevan a cabo durante procesamiento son controladas por lo que se denomina un programa, este último, es el que le indica al microprocesador exactamente qué es lo que tiene que hacer, por ejemplo, leer un dato de un teclado y mandarlo al monitor o pantalla o tomar dos valores de la memoria, sumarlos y poner este resultado en la misma.

El microprocesador se conecta en un un zócalo (socket) específico de la motherboard de la

computadora; para que funcione sin fallas se le incorpora un sistema de refrigeración, que

consta de un disipador de calor fabricado en algún material de alta conductividad térmica

(normalmente es de aluminio o cobre) y de uno o más ventiladores(coolers) que eliminan el

exceso del calor absorbido por el disipador. Entre el ventilador y la cápsula del

microprocesador suele colocarse pasta térmica ( grasa siliconada) para mejorar la

conductividad térmica.

compilador: Lic. Edgardo Faletti Tecnología Educativa

(2012)

a)

b)

figura 2.Disipador a-Vista de contacto para el microprocesador. b- Vista de las aletas para la disipación de calor


figura 6. Socket ZIF

Para determinar el rendimiento de un µprocesador no es una tarea sencilla, dado que existen

diferentes tipos de "cargas" o tareas que pueden ser procesadas con diferente efectividad por

procesadores de la misma gama. Una forma de medición es mediante métrica la frecuencia de

reloj que permite comparar procesadores con núcleos de la misma familia, siendo este un

indicador muy limitado dada la gran variedad de diseños con los cuales se comercializan los

procesadores de una misma marca y referencia. Se puede implementar un sistema de alto

rendimiento utilizando varios microprocesadores trabajando en paralelo, y un

microprocesador puede, a su vez, estar constituido por varios núcleos físicos o lógicos.

Hoy se habla de los núcleos de los microprocesadores y cuanto más tenga representa mayor

velocidad en el proceso. Cuando se habla de núcleo se refiere a una porción interna del

microprocesador que es cuasi-independiente que realiza todas las actividades de una CPU

solitaria, un núcleo lógico es la simulación de un núcleo físico a fin de repartir de manera más

eficiente el procesamiento. Existe una tendencia de integrar el mayor número de elementos

dentro del propio procesador, aumentando así la eficiencia energética y la miniaturización.

a)

b)

figura 3. Conjunto. a- Armado Cooler-Disipador. b- Conjunto sobre el microprocesador en la motherboard.

figura 4. Pasta térmica (grasa siliconada)

figura 5. Se aplica la pasta térmica sobre el microprocesador y luego se coloca el conjunto cooler - disipador.


Rendimiento

Como fue expresado anteriormente, la frecuencia del reloj (Clock) era considerada como la

velocidad de proceso, pero se lo ha aumentado sin modificarla.

Durante los últimos años esa frecuencia se ha mantenido en el rango de los 1,5 GHz a 4 GHz,

dando como resultado procesadores con capacidades de proceso mayores comparados con los

primeros que alcanzaron esos valores. La tendencia es a incorporar mayor cantidad de núcleos

para aumentar el rendimiento por medio de un procesamiento en paralelo, de manera que la

velocidad del clock es un indicador poco confiable. En realidad la medición del rendimiento se

obtiene por la cantidad de instrucciones por ciclo .

Medir el rendimiento con la frecuencia es válido únicamente entre procesadores con

arquitecturas muy similares o iguales, de manera que su funcionamiento interno sea el mismo:

en ese caso la frecuencia es un índice de comparación válido. Dentro de una familia de

procesadores es común encontrar distintas opciones en cuanto a frecuencias de reloj, debido a

que no todos los chip de silicio tienen los mismos límites de funcionamiento: son probados a

distintas frecuencias, hasta que muestran signos de inestabilidad, entonces se clasifican de

acuerdo al resultado de las pruebas.

Esto se podría reducir en que los procesadores son fabricados por lotes con diferentes

estructuras internas atendiendo a gamas y extras como podría ser una memoria caché de

diferente tamaño, aunque no siempre es así y las gamas altas difieren muchísimo más de las

bajas que simplemente de su memoria caché. Después de obtener los lotes según su gama, se

someten a procesos en un banco de pruebas, y según su soporte a las temperaturas o que vaya

mostrando signos de inestabilidad, se le adjudica una frecuencia, con la que vendrá

programado de serie, pero con prácticas se le puede incrementar mediante el overclocking.

La capacidad de un procesador depende fuertemente de los componentes restantes del

sistema, sobre todo del chipset, de la memoria RAM y del software. Pero obviando esas

características puede tenerse una medida aproximada del rendimiento de un procesador por

medio de indicadores como la cantidad de operaciones de coma flotante por unidad de

tiempo FLOPS1, o la cantidad de instrucciones por unidad de tiempo MIPS2. Una medida exacta

del rendimiento de un procesador o de un sistema, es muy complicada debido a los múltiples

factores involucrados en la computación de un problema, por lo general las pruebas no son

concluyentes entre sistemas de la misma generación.

Arquitectura: Características de un sistema que son visibles por el programador e influyen de manera directa en la forma en la que se ejecuta un programa. Organización: Las unidades funcionales y las interconexiones que existen entre ellos para realizar una arquitectura. Tipos de Organizaciones para la Arquitectura Existen hoy en día varios tipos de organizaciones, las más conocidas son Harvard y Von Neumann. Si bien las dos arquitecturas son populares, la más tradicional es la Von Neumann por lo que esta es la que se desarrolla en la presente guía.

1 FLOP: floating point operations per second/ 2 MIPS: siglas de Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages)

http://es.wikipedia.org/wiki/GHz

http://es.wikipedia.org/wiki/GHz


Arquitectura de Von Neumann

Consiste de 5 componentes básicos:

1. Unidad de memoria. 2. Unidad de Entrada. 3. Unidad de Salida. 4. Unidad aritmético – lógica.(ALU) 5. Unidad de control.(CU)

figura 7. Organización de Von Neumann

Se fundamenta en:

1. Concepto de programa almacenado. 2. Programa y datos en la misma memoria. 3. Los Programas se manejan como datos ( dando lugar a la aparición de los

compiladores y los sistemas operativos).

Microprocesadores -Generalidades-

En un microprocesador se puede diferenciar diversas partes:

Encapsulado (package) : es lo que rodea a la oblea de silicio en sí, para darle consistencia,

impedir su deterioro (por ejemplo, por oxidación por el aire) y permitir el enlace con los

conectores externos que lo acoplaran a su zócalo a su placa base.

Memoria caché: es una memoria ultrarrápida que emplea el procesador para tener

alcance directo a ciertos datos que «predeciblemente» serán utilizados en las siguientes

operaciones, sin tener que acudir a la memoria RAM, reduciendo así el tiempo de espera

para adquisición de datos. Todos los micros compatibles con la PC poseen la llamada caché

interna de primer nivel o L1; es decir, la que está dentro del micro, encapsulada junto a él.

Los micros más modernos (Core i3,Core i5 ,core i7,etc) incluyen también en su interior


otro nivel de caché, más grande, aunque algo menos rápida, es la caché de segundo nivel

o L2 e incluso los hay con memoria caché de nivel 3, o L3.

Coprocesador matemático: unidad de coma flotante. Es la parte del micro especializada

en esa clase de cálculos matemáticos, antiguamente estaba en el exterior del procesador

en otro chip. Esta parte está considerada como una parte «lógica» junto con los registros,

la unidad de control, memoria y bus de datos.

Registros: son básicamente un tipo de memoria pequeña con fines especiales que el micro

tiene disponible para algunos usos particulares. Hay varios grupos de registros en cada

procesador. Un grupo de registros está diseñado para control del programador y hay otros

que no son diseñados para ser controlados por el procesador pero que la CPU los utiliza en

algunas operaciones, en total son treinta y dos registros.

Diferentes tipos de Socket Los sockets (zócalos) están íntimamente relacionados con la cantidad de pines de los microprocesadores, es decir que ha una relación directa entre ambos componentes. Repasando, el Socket actualmente viene con un mecanismo ZIF (Zero Insertion Force). En ellas el procesador se inserta y se retire sin necesidad de ejercer alguna presión sobre él. Al levantar un palanquita que hay al lado, se libera el microprocesador, siendo extremadamente sencilla su extracción. Estos zócalos aseguran la actualización del microprocesador. Antiguamente existía la variedad LIF (Low Insertion Force), que carecía de dicha palanca. En función de la cantidad de pines se ha desarrollado una clasificación de socket. Velocidades:

Características Las características más importantes de un microprocesador son: la velocidad, la

memoria, las características eléctricas y el tipo de zócalo. La velocidad La velocidad de un micro se mide en megahercios (MHz) o gigahercios (1 GHz = 1 000

MHz). Todos los micros modernos tienen dos velocidades: - Velocidad interna: aquella a la que funciona el micro internamente; por ejemplo:

550 MHz, 1 000 MHz ó 2 GHz. - Velocidad externa o del bus, también llamada velocidad FSB: aquella a la que el

micro se comunica con la placa base. Varía entre 100 y 400 MHz.

Hay que tener en cuenta que un ordenador con un micro a 600 MHz no es el doble de

rápido que otro con un micro a 300 MHz, ya que intervienen otros factores, como la capacidad

de los buses de la placa o la influencia de los demás componentes. Dado que la placa base

funciona a una velocidad y el micro a otra, este último dispone de un multiplicador que indica

la diferencia de velocidad entre la FSB y el propio micro. Por ejemplo:


Un Pentium III a 933 MHz utiliza un bus (FSB) de 133 MHz. El multiplicador será 7, ya que 133 x 7 es aproximadamente 933MHz. Estas características las podemos encontrar en los manuales de la placa base de la siguiente forma: «Pentium III 933MHz(133x7)».

¿Cuánto valdrá el multiplicador para un AMD Athlon a 750 MHz que utiliza un bus de 100 MHz? La respuesta es 7,5. En el manual de la placa base dirá: «AMD Athlon 750MHz(100x7,5)».

Overclocking Por Overclocking se conocen una serie de técnicas que permiten forzar a los componentes de un sistema informático (de cualquier tipo) para que trabajen a más velocidad de la original. Esto no es magia, es simplemente saber aprovechar ciertos recursos y aceptar el riesgo que ello conlleva. Generalmente se suelen aplicar al microprocesador, pero éste no es el único componente susceptible de ser forzado, todos aquellos dispositivos que lleven un reloj interno o marcador de frecuencia (oscilador de cuarzo) pueden llegar a mayores frecuencias de trabajo que la original. También se aplican estas técnicas a la memoria RAM, tarjeta gráfica, e incluso a tarjetas de sonido, módems, etc. El fundamento del Overclocking (OC en adelante) es mejorar algunos, o todos, los parámetros de que depende la frecuencia de trabajo para que ésta aumente; teniendo en cuenta que el rendimiento global no sólo depende de la frecuencia, sino de muchas otras cosas. De nada sirve tener un procesador rapidísimo si el resto de componentes son lentos o de baja calidad (el rendimiento de un sistema se basa en un todo). Estas operaciones conllevan riesgos, el más importante es el aumento de la temperatura y posible quema del procesador, y es algo que debe ser minuciosamente controlado siempre que se realice OC. ¿Por qué es posible aumentar la frecuencia? Este tema es algo complejo y muy relacionado con las estrategias empresariales de los fabricantes; a modo de resumen podríamos decir que el aumento de frecuencia es posible debido a que los microprocesadores se fabrican con una especie de margen de tolerancia en la frecuencia. Siendo así, y dependiendo de la fabricación, podremos forzar más o menos nuestro procesador.

Conceptos sobre la frecuencia

La velocidad de trabajo del procesador, o más formalmente llamada frecuencia, mide

en cierta medida cuán rápido puede procesar éste las instrucciones. La frecuencia se mide en hertzios (Hz), 1 hertzio es 1 ciclo de “proceso” por segundo, pero hoy en día se emplean múltiplos más elevados como los megahercios (MHz) y gigahercios (GHz) debido a las enormes frecuencias de trabajo que tienen los procesadores modernos.

Por ejemplo, un procesador que trabaje a 2.000MHz (2GHz) podrá realizar 2.000.000.000 ciclos / segundo. El procesador obtiene esa frecuencia mediante el producto de 2 factores, la frecuencia del bus frontal (FSB) y un valor multiplicador. El bus frontal es un conjunto de cables que interconectan los dispositivos con el procesador y sirven de “autopista” de la información interna. El multiplicador es un valor implícito que asigna el fabricante.

Frecuencia del procesador = FSB x Multiplicador.


Ejemplos de varios procesadores:

Multiplicador --> Frecuencia del FSB --> Frecuencia del procesador x6.5-->100MHz-->650MHz (Pentium III)

x6.5-->112MHz-->728MHz

x6.5-->133MHz-->864,5MHz

x20-->100MHz-->2000MHz (2GHz) (Pentium 4)

x18-->133MHz-->2394MHz (2,4GHz)

x18-->200MHz-->3600MHz (3,6GHz)

En los ejemplos anteriores se han ilustrado los valores de los factores decisivos en la frecuencia y su producto para obtener la frecuencia final del procesador. Podemos apreciar que, a un mismo multiplicador, y aumentando la frecuencia del FSB, obtenemos frecuencias mayores para un mismo procesador .

Técnicas para implementar las mejoras

Una vez vistos algunos conceptos importantes, vamos a pasar a describir cómo aumentar la frecuencia de trabajo. Existen dos maneras que pueden ser aplicadas de manera conjunta o independiente:

1.Aumentar la frecuencia del bus frontal (FSB)

2. Aumentar el valor del multiplicador.

3. Aumentar FSB y multiplicador.

Sólo podremos aplicar ambas técnicas a la vez en procesadores AMD (y no en todos los modelos), ya que los Intel Pentium, por ejemplo, tienen el multiplicador bloqueado de fábrica, y por tanto, únicamente permiten la modificación del FSB. La modificación de ambos parámetros se debe realizar desde la BIOS del sistema, para acceder a ella debemos presionar un botón (generalmente la tecla “Supr”) durante el arranque del ordenador.

Una vez dicho esto, queda patente que la calidad de la placa base es decisiva en esta etapa. Si disponemos de una buena placa base, podremos obtener un mayor rendimiento y más posibilidades en el OC.

Caso 1: Aumentar la frecuencia del bus frontal (FSB)

Este es el caso empleado por excelencia en los Intel, por tanto, vamos a ejemplificarlo en un Pentium 4. Hay que tener especial cuidado cuando se aumenta el valor del FSB ya que otros dispositivos y buses dependen de él. Al aumentar FSB también estamos forzando la frecuencia del bus PCI y AGP, si estos buses no pueden soportar el aumento que apliquemos al FSB tendremos problemas de estabilidad.


El proceso es relativamente simple:

1.1- Accedemos a BIOS en el arranque del ordenador.

1.2- Localizamos en el menú alguna opción bajo la cual se encuentren los parámetros del procesador o de frecuencias (podemos consultar el manual), según el tipo de BIOS esta opción puede variar, algunos ejemplos son: Advanced Chipset Features, Frequency/Voltage Control.

1.3- Una vez dentro, localizamos el parámetro que guarda la frecuencia del FSB, una vez más, dependiendo del tipo de BIOS, este parámetro puede tener varios nombres, algunos ejemplos son: CPU External Clock, CPU Host Frequency, FSB Bus Frequency, CPU FSB Clock (todos se refieren al mismo concepto).

1.4- Cuando lo encontremos, simplemente debemos fijarnos en su valor nominal e ir aumentándolo. Si no sabemos cómo, hay que consultar la ayuda de la BIOS o su manual. Hay versiones en que aparece una lista desplegable y hay que elegir, hay otras versiones que permiten introducir la frecuencia manualmente mediante el teclado numérico.

1.5- Guardamos cambios y reiniciamos el sistema. Si todo ha ido bien, el sistema arrancará mostrando la nueva frecuencia. Si hay problemas, ver sección más adelante.

Caso 2: Aumentar el valor del multiplicador. Esto sólo puede ser realizado en procesadores AMD (actualmente también están empezando a ser bloqueados), el proceso es muy similar al anterior, hay que seguir los mismos pasos como si fuéramos a modificar el FSB pero ahora buscaremos en la BIOS otro parámetro diferente, éste recibe diversos nombres según el tipo de BIOS, los más comunes son: Multiplier Factor, Adjust CPU Ratio, CPU Ratio, Clock Ratio.

Aumentaremos el valor a nuestro gusto, guardaremos los cambios y verificaremos en el arranque que el nuevo valor de la frecuencia es el correcto. A diferencia del FSB, el aumento del multiplicador no conlleva problemas con otros buses. Si el equipo no arranca o hay problemas, ver sección más adelante. En la siguiente imagen podemos ver otra modalidad de mostrar el valor del multiplicador, en la lista se aprecia el multiplicador seleccionado (x20) y cuál sería la frecuencia total del procesador teniendo en cuenta el FSB seleccionado (en ese caso de 200MHz, ya que 200MHz x20 = 4000MHz).

Caso 3: Aumentar FSB y multiplicador

Sólo podremos aplicar ambas técnicas en procesadores AMD, los pasos a seguir son los mismos que hemos comentado en las dos secciones anteriores teniendo en cuenta que debemos aplicar los cambios de manera secuencial, es decir, o bien aumentamos primero el FSB y luego el multiplicador, o bien al revés.

Comentarios adicionales y consejos Existe otro parámetro a tener en cuenta cuando se realiza OC, es el valor del voltaje del núcleo del procesador (Vcore). Es muy complejo dicha aplicación que se omite la explicación. Nunca se debe aumentar con grandes saltos ninguno de los parámetros comentados (FSB y multiplicador), siempre debemos probar con pequeños incrementos y verificar que todo funciona correctamente.


Precauciones a tener en cuenta Aumentar la frecuencia de un procesador es un riesgo importante si no se hace con sumo cuidado. Una de las consecuencias más fatales es que se estropee de por vida o se queme, aunque lo más normal suele ser que el sistema no arranque o se cuelgue con alta carga de trabajo (baja estabilidad). Además, aplicar OC anula la garantía de un procesador. Por tanto, debe quedar claro que:

La práctica del Overclocking conlleva riesgos y cualquier daño provocado al ordenador queda bajo tu responsabilidad. El aumento de temperatura en la aplicación del OC se produce por cambios físicos relacionados con la Ley de Joule, dicho aumento de temperatura es el causante de los daños en el procesador, por tanto, cuando apliquemos técnicas de OC debemos asegurarnos de que el sistema que vamos a forzar está bien refrigerado (tanto en procesadores como en otro tipo de dispositivos: memorias, tarjetas gráficas, etc.). Para ello es posible que necesitemos limpiar bien a fondo los ventiladores y disipadores que ya tengamos, o incluso añadir otros de mejor calidad. Comprobar que el flujo de aire en el interior de la torre es adecuado y que la refrigeración es correcta es fundamental en el éxito del OC, además de que mantener una temperatura baja otorga una mayor vida a los componentes y asegurar su estabilidad durante el funcionamiento. Como valor de referencia, no deberíamos dejar que la temperatura del procesador fuera superior a 60º una vez hecho el OC y con el sistema a plena carga (ejecutando muchos programas por ejemplo).

Problemas en el OC y solución

Cuando aumentamos FSB, multiplicador o ambas cosas, y reiniciamos el sistema pueden ocurrir varias cosas:

1. El sistema no arranca:

Seguramente nos hayamos pasado al aumentar algún valor. Debemos restaurar los valores originales, para ello es necesario resetear la BIOS; se pueden emplear 2 métodos: Mediante un Jumper o bien retirando durante unos momentos la pila de botón que alimenta a la placa base. Para esa operación es recomendable consultar el manual de la placa, y en general siempre que tengamos dudas.

2. El sistema emite pitidos al encenderlo:

En este caso debemos consultar el manual de la placa base para identificar la causa de dichos pitidos. No obstante, si esto se produce después de aplicar OC, es muy probable que la causa sea la misma que en el punto anterior. Debemos actuar de la misma manera.

3. El sistema arranca correctamente: Los cambios se han aceptado, pero no hemos terminado todavía. Ahora hay que comprobar que el sistema es estable, es decir, funciona correctamente sin calentarse de manera excesiva, sin colgarse ni mostrar errores. Para ello, se recomienda tener el equipo encendido el mayor tiempo posible y hacer que ejecute programas con gran carga de trabajo. Los juegos de última generación


son una de las mejores pruebas que podemos hacer. Si el sistema se “congela” al poco tiempo de encenderlo o al trabajar con alta carga, debemos reducir la frecuencia. Para ello seguiremos losmismos pasos que aplicamos para aumentarla pero en este caso reduciremos un poco el FSB y/o el multiplicador y volveremos a ejecutar la prueba. Si el sistema se comporta correctamente y no da muestras de inestabilidad, podemos dar por concluido el proceso de manera exitosa.

Ejemplo sencillo de aplicación del OC Si bien, el ejemplo no es de un microprocesador de última generación, no sirve para poder ejemplificar.

Tenemos : un procesador Intel Pentium® 4 (núcleo Prescott) a 3GHz (frecuencia original) con una placa base normal (ASUS P4P800) y unas memorias DDR400.

Se procede a intentar conseguir una frecuencia de 3,3GHz (300MHz más que el

valor original).

El Pentium 4 tiene el multiplicador bloqueado, sólo podremos jugar con el valor del FSB e ir aumentándolo. Nominalmente los valores son:

Frecuencia FSB: 200MHz Multiplicador: x15 Frecuencia del procesador: 200x15 = 3000 MHz (3GHz)

Se recomienda que los incrementos se realizan de a poco , empezando con +10MHz. Colocamos el valor de FSB en 210MHz y arrancamos. Ahora la velocidad que se muestra es 210x15 = 3150MHz (3,15GHz), comprobamos que el sistema es estable y la temperatura prácticamente no sufre aumento. Vamos allá con el segundo incremento, accedemos a BIOS y marcamos el valor de FSB en 220MHz, arrancamos y podemos apreciar que ahora la frecuencia del procesador es: 220x15 = 3300MHz (3,3GHz). Al hacer las pruebas pertinentes el sistema responde bien y únicamente notamos el aumento de algunos grados en la temperatura, pero como hemos tenido las precauciones de comprar un ventilador de buena calidad, esto no es un problema. ¿Podemos seguir aumentando? La posibilidad existe, con una buena refrigeración, unas buenas memorias y subiendo el voltaje, hemos llegado a poner este procesador en 3750MHz = 3,75GHz (FSB a 250 MHz), pero siempre hemos tomado las precauciones oportunas.

Similitudes y diferencias entre Pentium 4 y Celeron

Estamos comparando entre dos microprocesadores analizando algunas de sus características. El núcleo El chip de Celeron está basado en el núcleo del Pentium 4.

Caché


Los chips Celeron tiene menos memoria caché con los Pentium. Un Celeron puede tener 128 kilobytes de caché L2, también referida como caché externa, mientras que un Pentium 4 puede tener 4 veces esa cantidad. La cantidad de esta memoria caché L2 puede tener una importante efecto en el rendimiento.

Velocidad de reloj Intel fabrica los chips del Pentium 4 para que vayan a una mayor velocidad de los chips de Celeron. El Pentium 4 más potente puede ir un sesenta por ciento más rápido que el más rápido de los Celeron.

Velocidad del bus Hay diferencias entre las velocidades máximas del bus que están permitidas por el procesador. Los Pentium 4 suelen ser un treinta por ciento más rápidos que los Celeron. Cuando haces el cálculo de todas estas diferencias y haces una comparación de ambos chips, te das cuenta que un chip Celeron y un Pentium funcionando a la misma velocidad son dos cosas totalmente distintas. La menor capacidad en el tamaño de caché L2 y velocidad más baja de bus, pueden significar enormes diferencias dependiendo lo que quieras hacer con tu ordenador. Si lo que sueles hacer es revisar tu correo electrónico, navegar por Internet y poco más, El Celeron estará bien, y la diferencia de precio puede ser notable en tu bolsillo. Si quieres una máquina rápida y potente porque vas a realizar tareas que suponen un importante uso de la CPU, como pueden ser trabajar con aplicaciones que gastan muchos recursos, juegos que necesitan toda la potencia posible, etc. entonces un Pentium será lo más adecuado.

informática-microprocesadores de la pc -lic. prof. edgardo faletti

Documents