Unitat Central de Procés
De Viquipèdia
Una Unitat Central de Procés (UCP/CPU) anomenada col·loquialment com a processador és un component digital capaç d'interpretar instruccions de forma ordenada i de processar dades. Així la CPU ens permet dotar a un ordinador de la seva capacitat més fonamental, la capacitat de programar-lo, i és un dels components absolutament necessaris per a montar qualsevol ordinador juntament amb els ports d'entrada i sortida. Una UCP pot estar integrada en un sistema com va ser el cas dels primers computadors o en un sol xip (SoC) i si és així l'anomenem microprocessador. Al principi dels anys 70 els microprocessadors cada cop van ser més complexos i mica en mica van substituir la resta de dissenys que usaven diversos xips fent que avui en dia el terme processador o CPU s'usin habitualment per a referir-nos a qualsevol microprocessador.
La forma i el disseny de les CPU han anat variant dràsticament al llarg dels anys però les característiques bàsiques del funcionament en realitat no han variat tant al llarg dels anys. Les antigues UCP eren montades en computadors d'un sol propòsit (per exemple una màquina expenedora de begudes) això feia que calgues dissenyar una UCP específica per a cada tipus de tasca encarint molt el cost, més endavant però s'aconseguiria fabricar UCPs preparades per a executar més d'un programa sent el primer pas per a arribar al que avui coneixem com a Computador Personal (PC). Amb l'expansió dels transistors CMOS i l'ús dels circuits integrats va arribar la estandarització en la fabricació de les UCP.Així,el circuit integrat ha permés anar augmentant la complexitat dels microprocessadors continuament (seguint la Llei de Moore) fins aconseguir dissenyar-los en petits espais de només uns milimetres.La miniturització i estandarització de les CPU ha incrementat la presència de dispositius digitals en la vida moderna lluny de les limitades aplicacions de les primeres UCP. Els microprocessadors moderns apareixen en gairebé qualsevol dispositiu, des de automòbils a ordinadors passant per telèfons mòbils,reproductors de música portàtils o joguines per als nens per exemple.
Taula de continguts |
[edita] Història
- Article principal: Història del maquinari
Abans de la construcció de màquines similars a les CPU actuals, computadors com l'ENIAC tenien que ser físicament recablejats per a poder realitzar diferents tasques. Sovint anomenavem aquestes màquines com "computadors de programa fix" ja que necessitaven d'aquesta reconfiguració física per a usar diferents programes. Com que el terme "CPU" generalment defineix un dispositiu d'execució de programari (software) els primers dispositius que podien ser correctament anomenats CPU van apareixer amb els computadors de programa emmagatzemat.
La idea d'un computador amb programa emmagatzemat ja estava present durant el disseny del ENIAC, però va ser omesa per a que la màquina es pogués acabar més aviat. El 30 de juny de 1945, abans que l'ENIAC fos acabat el matemàtic John von Neumann va distribuir un text titulat com "Primer Borrador de un Reporte sobre el EDVAC". Aquest paper era un esboç del disseny d'un computador de programa emmagatzemat que seria acabat el agost de 1949 . El EDVAC va ser dissenyat per a efectuar un nombre determinat d'instruccions (o operacions) de diferents tipus. Aquestes instruccions podien combinar-se per a crear programes útils per a ser executats per l'EDVAC. Significativament, els programes escrits per al EDVAC foren emmagatzemats en memòria de computador d'alta velocitat en lloc de ser especificats per un cablejat físic. Això va fer que puguessim reconfigurar-lo més ràpidament superant una de les limitacions del ENIAC.Amb el disseny de Von Neumann el programari que l'EDVAC executava podia ser substituit simplement canviant la memòria del computador. [1].
Von Neumann sol ser acreditat com el dissenyador del primer computador de programa emmagatzemat però cal notar que altres abans que ell com Konrad Zuse havien sugerit idees similars. A més la anomenada arquitectura Harvard del Harvard Mark I va ser acabada abans del EDVAC i també utilitzava programes emmagatzemats usant cinta perforada en comptes de memòria electrònica. La diferència clau entre les arquitectures de von Neumann i de Harvard és que aquesta última separa l'emmagatzemament i el tractament de les instruccions i dades de la CPU mentre que la primera usa el mateix espai de memòria per a les dues tasques. La majòria de CPUs modernes funcionen amb dissenys pròxims al de Von Neumann però reaprofitant alguns conceptes de l'arquitectura de Harvard.
Les CPUs són dispositius digitals amb estats discrets i per tant necessiten elements capaços de diferenciar i canviar els estats del sistema. Abans de l'acceptació comercial del transistor els relés i les vàlvules termoióniques eren usades de forma comuna com elements de commutació.Tot i que els relés tenien avantatges de velocitat no eren fiables degut a diverses raons: en primer lloc al fer circuits de lògica seqüencial de corrent directa requeria de hardware adicional per a fer front al problema del rebot de contacte. D'altra banda, els tubs de buit necessiten calentar-se per a ser completament operacionals i eventualment fallen i deixen de funcionar completament. [2]. Generalment, quan un tub falla la CPU hauria de diagnosticar quin component falla per a poder substituir-lo però això no era possible. Així,les computadores electròniques basades en tubs de buit solien ser més ràpides però menys fiables que les computadores electromecàniques basades en relés. Les computadores de tub, com el EDVAC, tendien a tenir un promig de 8 hores entre errors mentre que les computadores de relés com el Harvard Mark I gairebé no fallaven. . Al final, les CPU basades en tubs arribaren a dominar l'àmbit gràcies a les seves ventatges de velocitat. La major part d'aquestes antigues CPU síncrones funcionaven a freqüencies de rellotge molt baixces en comparació amb els dissenys moderns microelectrònics i així per exemple en aquella época les freqüencies de rellotge anaven del rang de 100 kHz a 4 Mhz. Aquesta velocitat de rellotge limitada en gran part es devia als dispositius de commutació amb els que es construien.
[edita] CPU de transistors i de circuits integrats discrets
[edita] Microprocessadors
La introducció del microprocessador durant els anys 70 va afectar significativament el disseny i la implementació de les CPU. Des de la introducció del primer microprocessador,l'Intel 4004 del 1970, i del primer microprocessador ampliament usat,l'Intel 8080 del 1974. Aquesta classe de CPUs ha desplaçat gairebé totalment la resta de mètodes d'implementació de la Unitat Central de Procés. Els fabricants de minicomputadors d'aquell temps llançaren programes de desenvoloupament de ICs propietaris per actualitzar les seves velles arquitectures de computador i eventualment produien microprocessadors amb un conjunt d'instruccions que eren compatibles amb els seus maquinaris i programaris anteriors. La combinació de les sinergies de la indústria i el gran èxit del computador personal (PC) el terme "CPU" actualment s'aplica gairebé exclusivament als microprocessadors.
Les generacions prèvies de CPUs van ser implementades amb components discrets i nombrosos circuits de petita escala d'integració en una o més tarjetes de circuits. D'altra banda, els microprocessadors son CPUs fabricades amb un nombre molt petit d'ICs (usualment només una). El tamany més petit de la CPU com resultat d'implementar-lo en una sola pastilla implica que els temps de commutació siguin molt més ràpids gràcies al decreixement de la capacitància paràsita de les portes lògiques.
Això ha permés que els microprocessadors síncrons tinguin freqüencies de rellotge majors (rangs de detzenes de Mhz a Gigahertz). A més, com s'ha augmentat la capacitat de construir transistors en un circuit integrat (IC) seguint la Llei de Moore la complexitat de la CPU i les seves capacitats de commutació han augmentat dràsticament.
Així és destacable que en aquests 60 anys d'història els materials la complexitat i la construcció de la CPU han variat dràsticament i en canvi el seu funcionament bàsic no ha canviat gaire poden ser descrites formalment com màquines de programa emmagatzemat de Von Neumann.
Tot i així actualment s'han trobat uns certs límits a la tecnologia dels transistors en circuits integrats posant en perill que continui la evolució de la complexitat dels processadors segons la Llei de Moore. El motiu és la miniturització extrema de les portes electròniques que esta causant que incrementin fenomèns com la electromigració i el corrent subumbral de perdua a més d'altres factors no tan coneguts. Com a solució els investigadors estan estudiant nous mètodes de computació com la computadora quantica i l'ampliació del |paral·lelisme i d'altres mètodes que estan extenent la utilitat del model de von Neumann.
[edita] CPU al PC modern
Els microprocessadors moderns estan integrats per milions de transistors i altres components empaquetats en una càpsula de grandària variable segons les necessitats de l'aplicació de la CPU i que van actualment des de la grandària d'un gra de llentia fins al de quasi una galeta. Les parts lògiques que componen un microprocessador són, entre altres: unitat aritmeticològica, registres d'emmagatzemament, unitat de control, unitat d'execució, memòria cau i busos de dades de control i adreça.
Paràmetres significatius d'un processador són l'ample de banda del seu bus, mesurat habitualment en bits, la freqüència del cicle de rellotge, mesurada en hertzs i la grandària de la memòria cau mesurada en kilobytes.
Hi ha diversos fabricants de microprocessadors (alguns d'ells són [IBM]], Intel, Zilog, Motorola, Cyrix, AMD). Com hem vist,al llarg de la història i des de la seva primera implementació els microprocessadors han millorat enormement la seua capacitat passant dels antics models Intel 8080, Zilog Z80, Motorola 6809 fins als recents Intel Itanium, Transmeta Efficeon o Cell. Actualment els nous micros poden tractar instruccions de fins a 256 bits, havent passat anteriorment pels de 128, 64, 32, 16,etc.
Des dels anys 60, quan comença el desenvolupament d'aquesta tecnologia, l'evolució dels processadors segueix aproximadament l'anomenada llei de Moore, que en resum afirma que cada 18 mesos el nombre de transistors que es poden integrar en un microprocessador es duplica.
[edita] Funcionament d'un processador
Totes les dades procedents de qualsevol perifèric o unitat d'emmagatzematge del PC arriben a la memòria RAM. El microprocessador llavors es capaç de llegir la informació continguda en aquestes direccions de memoria en un ordre determinat habitualment per el sistema operatiu.
De la RAM a la CPU es troba l'anomenat bus de sistema que funciona a velocitats molt elevades (actualment entre 400-1066Mhz).
La CPU simplement processa les dades i les torna a guardar a la RAM i el destí gràcies a la seva conexió física amb el processador serà capaç de llegir de nou del bus de dades la posició de memoria desitjada.
Segons la velocitat del bus de sistema i un factor multiplicatiu s'obté la freqüència a la que treballa el processador (ex: 200Mhz×4=800Mhz).
CPU (Control Process Unit) Unitat de control de procès.
Característiques:
- La freqüència de treball del processador sol mesurar-se en GHz o MHz, (es el que els usuaris sovint i equivocadament anomenen velocitat del sistema)
- La quantitat de memòria cau (Caché) interna de què disposa
- Conjunts de instruccions suportades (3dNow, EM64T, ...)
'Tipus de conexió de la CPU:'
- Socket: Aquesta conexió és la que utilitzen la majoria dels ordinadors, acostuma a ser quadrada i esta plena de contactes menys en un dels seus extrems, allà n'hi falta un perquè així el processador només pugi encaixar d'una manera. També es sol incorporar un dissipador enganxat amb pega tèrmica i un ventilador al damunt. No tots els processadors encaixen en tots els Sockets,per exemple els processadors AMD Athlon Socket 939 no encaixen en un Socket LGA 775 (Socket únicament aplicable a una CPU Intel), mentre que els processadors Intel no són compatibles a un Socket 939.
Slot:
- 1 (Intel)
- A (AMD)
Els slots van sortir al final dels anys 90. Utilitzaven com a CPU una espècie de cartuig que necessitava una ranura especial per ficar-hi la CPU i eren diferents entre Intel i AMD.
- La CPU utilitza registres.
- La CPU és molt cara tot i que gràcies a La Llei de Moore baixa ràpidament de preu. Els preus de la CPU venen marcats sobretot per la generació a la que pertany el processador, després un segon factor decisiu serà la velocitat del rellotge.
L'arquitectura de la CPU pot ser:
Overcloking: Es pot incrementar a la força la velocitat de rellotge de la CPU. Tot i que els fabricants no ho aconsellen així es pot aconseguir un major rendiment de l'ordinador ja que cal tenir en compte que és el ritme dels cicles de rellotge el que marca el ritme en que l'ordinador processa les instruccions. El principal efecte negatiu de l'overclocking és que redueix substancialment el temps de vida del processador.
CPU Mobile: Sol ser usada pels ordinadors portàtils i és interessant perquè desactiva les parts de la CPU que no utilitzen aconseguint així conservar més energia a la bateria.
[edita] Doble nucli vs Hyper-Threading
Un processador single-threaded pot executar només una seqüència d’instruccions (thread) al mateix temps de forma successiva. Així aquest tipus de processadors són poc apropiats per a entorns multitasca tot i que degut a la dificultat per a serialitzar el disseny dels processadors HyperThreading van ser usats gairebé fins l'actualitat.
Un processador amb tecnologia HyperThreading pot executar en un sol bus de direccions almenys dues seqüències de forma paral·lela aconseguint aprofitar millor els recursos.
En l'actualitat els processador amb tecnologia de nucli doble (Dual Core) contenen 2 nuclis d’execució. Per tant s’aconsegueix l’execució paral·lela real de les dues seqüències. Al executar 2 seqüències, cadascuna farà servir un nucli d’execució independent, concepte diferent al HyperThreading.Així per exemple un processador amb nucli doble i tecnologia HyperThreading de 2 branques permet executar 4 seqüències gairebé en paral·lel obtenint així un major rendiment.
