HISTORIA DE LOS PROCESADORES

Transcripción

1 UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE ADMINISTRACION Y ECONOMIA DEPARTAMENTO DE ADMINISTRACION INGENIERIA COMERCIAL APLICACIONES COMPUTACIONALES I HISTORIA DE LOS PROCESADORES NOMBRES: FELIPE SÁEZ JOCELYN ACEVEDO CRISTÓBAL CERPA PROFESOR: LUIS RIOS FECHA ENTREGA: 16 DE ABRIL DEL

2 1

3 Introducción 2

4 Qué es un procesador? 3

5 La historia de los microprocesadores El origen de los microprocesadores se debe a la fusión de las ramas predecesoras de la computación y de la tecnología de los semiconductores, esta fusión alrededor de los años setenta, dio origen de los que ahora se conocen como microprocesadores o procesadores. Estos son algunos de los más importantes microprocesadores que marcaron la historia de los microprocesadores a lo largo del tiempo: Intel 4004 El primer procesador, el Intel 4004, fue presentado el 15 de noviembre de 1971, pero ya en 1969 uno de los diseñadores del Intel 4004, Ted Hoff, había presentado la propuesta arquitectónica del microprocesador. Solo en 1970, con la llegada de Federico Faggin a Intel (procedente de Fairchild Semiconductor), el proyecto y diseño del Intel 4004 comenzó. Al llegar a Intel, Faggin creo una nueva metodología de random logic design con Silicom Gate, que no existía previamente, y que la utilizo para encajar al microprocesador en un único chip. El Intel 4004 fue originalmente creado para la compañía japonesa Busicom para ser usado en su línea de calculadoras, por lo que Masatoshi Shima de Busicom asistió a Faggin durante el desarrollo de el Intel 4004, y posteriormente desarrollo el software para la calculadora Busicom. Para su tiempo, el Intel 4004, poseía características únicas. Para empezar, la velocidad de reloj sobrepasaba por poco los 100 KHz, disponía de un ancho de bus de 4 bits y podía manejar un máximo de 640 bytes de memoria. Realmente una auténtica joya que para entonces podía realizar gran cantidad de tareas, pero que por desgracia no tiene punto de comparación con los actuales microprocesadores. 4

6 Intel 8008 Fue originalmente pedido por Computer Terminal Corporation para usarlo en su terminal programable Datapoint 2200, pero Intel no cumplió con los tiempos y el microprocesador no cumplía con las expectativas de Computer Terminal Corporation, no fue usado en el Datapoint Posteriormente Intel y Computer Terminal Corporation acordaron que el Intel 8008 podría ser vendido a otros clientes, para así ser lanzado al mercado en abril de El primero de abril de 1972 se lanzó este microprocesador al mercado con un conjunto de chips de soporte, como una familia de productos llamado MCS-8. Estos chips de soporte eran integrados existentes con los nombres cambiados. El interés del mercado por el MCS-8 fue muy alto, sin embargo las ventas fueron bajas. Para solucionar este inconveniente, se diseñaron herramientas de hardware y software, entrenamiento y sistemas de desarrollo. Estos últimos son computadoras especializadas para desarrollar y depurar programas (quitarles los errores) para el microprocesador específico. Un año después, Intel recibía más dinero de los sistemas de desarrollo que de los microprocesadores y chips de soporte. A título informativo cabe destacar que este microprocesador de ocho bits poseía alrededor de 3500 transistores, direccionaba 16 KBytes y la frecuencia máxima de reloj (clock) era de 108 KHz. Los diseñadores del 8008 son: Victor Poor (CTC) Harry Pyle (CTC) Marcian Ted Hoff (Intel) Stan Mazor (Intel) Larry Potter (científico en jede de IBM) Federico Faggin (Intel) Hal Feeney (Intel) 5

7 Intel 8080 En abril de 1974, fue lanzado el Intel 8080, y fue el primer microprocesador en ser usado en una computador personal, el Altair 8800 de MITS. Durante el verano de 1971 Federico Faggin, fue a realizar a europa una gran cantidad de seminarios sobre MCS-4 y el 8008 y para visitar clientes. Recibió una gran cantidad de críticas sobre el funcionamiento y la arquitectura de los microprocesadores. Al llegar a casa, se le ocurrió la idea de como crear un microprocesador de 8 bits mejor que el 8008, incorporando muchas características de lo que la gente pedía, sobre todo, más velocidad y facilidad de implemento en el circuito. Decidió utilizar el nuevo proceso NMOS (que utiliza transistores MOS de canal N) que se utilizaba en las últimas memorias RAM dinámicas de 4 kilobits, además le agregó una mejor estructura de interrupciones, mayor direccionamiento de memoria (16 KB en el 8008 contra 64 KB en el 8080) e instrucciones adicionales La primera fabricación del 8080 se realizó en diciembre de Los miembros del grupo que hacían el desarrollo encontraron un pequeño error y el primero de abril de 1974 se pudo lanzar al mercado el microprocesador. El 8080 realmente creó el verdadero mercado de los microprocesadores. El 4004 y el 8008 lo sugirieron, pero el 8080 lo hizo real. Muchas aplicaciones que no eran posibles de realizar con los microprocesadores previos pudieron hacerse realidad con el Este chip se usó inmediatamente en cientos de productos diferentes. En el 8080 corría el 6

8 famoso sistema operativo CP/M (siglas de Control Program for Microcomputers) de la década del '70 que fue desarrollado por la compañía Digital Research. Como detalle constructivo el 8080 tenía alrededor de 6000 transistores MOS de canal N (NMOS) de 6 micrones, se conectaba al exterior mediante 40 patas (en formato DIP) y necesitaba tres tensiones para su funcionamiento (típico de los circuitos integrados de esa época): +12V, +5V y -5V. La frecuencia máxima era de 2 MHz. Intel 8086 y 8088 Son los primeros microprocesadores de 16 bits diseñados por Intel, lanzados respectivamente en 1976 y Fueron el inicio y miembros de la arquitectura x86, actualmente usada en la mayor parte de las computadoras. El proyecto 8086 comenzó en mayo de Era un intento de robar la atención de los menos retrasados procesadores de 16 y 32 bits de los otros fabricantes (tales como Motorola, Zilog, y National Semiconductor) y al mismo tiempo contrarrestar la amenaza del Zilog Z80, que llegó a ser muy exitoso (diseñado por anteriores empleados de Intel). Por lo tanto, tanto la arquitectura y el chip físico fueron desarrollados algo rápidamente por un pequeño grupo de personas, y usando los mismos elementos básicos de la microarquitectura y técnicas físicas de implementación que fueron utilizadas para el ligeramente más viejo 8085 (y para el cuál el 8086 también funcionaría como una continuación). 7

9 El desarrollo más notable para la familia 8086/8088 fue la elección de la CPU 8088 por parte de IBM (International Business Machines) cuando en 1981 entró en el campo de las computadoras personales. Esta computadora se desarrolló bajo un proyecto con el nombre "Acorn" (Proyecto "Bellota") pero se vendió bajo un nombre menos imaginativo, pero más correcto: "Computadora Personal IBM", con un precio inicial entre 1260 dólares y 3830 dólares según la configuración (con 48KB de memoria RAM y una unidad de discos flexibles con capacidad de 160KB costaba 2235 dólares). Esta computadora entró en competencia directa con las ofrecidas por Apple (basado en el 6502) y por Radio Shack (basado en el Z-80). Intel Fue el primer procesador de Intel, que podía ejecutar todo el software escrito de sus predecesores. Este microprocesador salió al mercado en febrero de Los avances de integración que permitieron agregar una gran cantidad de componentes periféricos en el interior del 80186/80188, se utilizaron en el para hacer un microprocesador que soporte nuevas capacidades, como la multitarea (ejecución simultánea de varios programas), lo que requiere que los programas no "choquen" entre sí, alterando uno los datos o las instrucciones de otros programas. El tiene dos modos de operación: modo real y modo protegido. En el modo real, se comporta igual que un 8086, mientras que en modo protegido, las cosas cambian completamente, como se explica a partir del próximo párrafo. Esto necesitó un nivel de integración mucho mayor. El contiene transistores dentro de su estructura (360% más que el 8086). Externamente está encapsulado en formato PLCC (Plastic Leaded Chip Carrier) con pines en forma de J para montaje superficial, o en formato PGA (Pin Grid Array), en ambos casos con 68 pines. El revisa cada acceso a instrucciones o datos para comprobar si puede haber una violación de los derechos de acceso. Este microprocesador está diseñado para usar un sistema operativo con varios niveles de privilegio. En este tipo de sistemas operativos hay un núcleo que, como su nombre indica, es la parte más interna del sistema operativo. El 8

10 núcleo tiene el máximo privilegio y los programas de aplicaciones el mínimo. Existen cuatro niveles de privilegio. La protección de datos en este tipo de sistemas se lleva a cabo teniendo segmentos de código (que incluye las instrucciones), datos (que incluye la pila aparte de las variables de los programas) y del sistema (que indican los derechos de acceso de los otros segmentos). Intel Fabricado y diseñado por Intel, el procesador Intel 386 fue lanzado al mercado el 16 de octubre de Intel estuvo en contra de fabricarlo antes de esa fecha debido a que los costes de producción lo hubieran hecho poco rentable. El procesador Intel 386 fue una evolución importante en el mundo de la línea de procesadores que se remonta al Intel El predecesor del Intel 386 fue el Intel 80286, un procesador de 16 bits con un sistema de memoria segmentada. El Intel 386 añadió una arquitectura de 32 bits y una unidad de traslación de páginas, lo que hizo mucho más sencillo implementar sistemas operativos que emplearan memoria virtual. Intel introdujo posteriormente el Intel 486, pero ni éste ni sus sucesores han introducido tantos cambios en la arquitectura x86 como el Intel 386 con su sistema de direccionamiento plano de 32 bits. Otros microprocesadores, como el Motorola tenían direccionamiento plano desde mucho antes. 9

11 La mayoría de las aplicaciones diseñadas para ordenadores personales con un procesador Intel 486 posterior al Intel 386 funcionarán en un Intel 386, debido a que los cambios del conjunto de instrucciones desde el Intel 386 ha sido mínimo. Además el uso de las nuevas instrucciones puede ser evitado fácilmente. Adaptar un programa para el Intel 286 es mucho más difícil. Debido al alto grado de compatibilidad, la arquitectura del conjunto de procesadores compatibles con el Intel 386 suele ser llamada arquitectura Intel 386. El conjunto de instrucciones para dicha arquitectura se conoce actualmente como IA-32. a unidad de manejo de memoria (MMU) consiste en una unidad de segmentación (similar a la del 80286) y una unidad de paginado (nuevo en este microprocesador). La segmentación permite el manejo del espacio de direcciones lógicas agregando un componente de direccionamiento extra, que permite que el código y los datos se puedan reubicar fácilmente. El mecanismo de paginado opera por debajo y es transparente al proceso de segmentación, para permitir el manejo del espacio de direcciones físicas. Cada segmento se divide en uno o más páginas de 4 kilobytes. Para implementar un sistema de memoria virtual (aquél donde el programa tiene un tamaño mayor que la memoria física y debe cargarse por partes (páginas) desde el disco rígido), el permite seguir ejecutando los programas después de haberse detectado fallos de segmentos o de páginas. Si una página determinada no se encuentra en memoria, el se lo indica al sistema operativo mediante la excepción 14, luego éste carga dicha página desde el disco y finalmente puede seguir ejecutando el programa, como si hubiera estado dicha página todo el tiempo. Como se puede observar, este proceso es transparente para la aplicación, por lo que el programador no debe preocuparse por cargar partes del código desde el disco ya que esto lo hace el sistema operativo con la ayuda del microprocesador. La memoria se organiza en uno o más segmentos de longitud variable, con tamaño máximo de 4 gigabytes. Estos segmentos, como se vio en la explicación del 80286, tienen atributos asociados, que incluyen su ubicación, tamaño, tipo (pila, código o datos) y características de protección. La unidad de segmentación provee cuatro niveles de protección para aislar y proteger aplicaciones y el sistema operativo. Este tipo de protección por hardware permite el diseño de sistemas con un alto grado de integridad. El tiene dos modos de operación: modo de direccionamiento real (modo real), y modo de direccionamiento virtual protegido (modo protegido). En modo real el opera como un 8086 muy rápido, con extensiones de 32 bits si se desea. El modo real se requiere primariamente para preparar el procesador para que opere en modo protegido. El modo protegido provee el acceso al sofisticado manejo de memoria y paginado. Dentro del modo protegido, el software puede realizar un cambio de tarea para entrar en tareas en modo 8086 virtual (V86 mode) (esto es nuevo con este microprocesador). 10

12 Intel Pentium El 19 de octubre de 1992, Intel anunció que la quinta generación de su línea de procesadores compatibles (cuyo código interno era el P5) llevaría el nombre Pentium en vez de 586 u 80586, como todo el mundo estaba esperando. Esta fue una estrategia de Intel para poder registrar la marca y así poder diferir el nombre de sus procesadores del de sus competidores (AMD y Cyrix principalmente). Este microprocesador se presentó el 22 de marzo de 1993 con velocidades iniciales de 60 y 66 MHz (112 millones de instrucciones por segundo en el último caso), transistores (fabricado con el proceso BICMOS (Bipolar-CMOS) de 0,8 micrones), caché interno de 8 KB para datos y 8 KB para instrucciones, verificación interna de paridad para asegurar la ejecución correcta de las instrucciones, una unidad de punto flotante mejorada, bus de datos de 64 bit para una comunicación más rápida con la memoria externa y, lo más importante, permite la ejecución de dos instrucciones simultáneamente. El chip se empaqueta en formato PGA (Pin Grid Array) de 273 pines. Como el Pentium sigue el modelo del procesador 386/486 y añade unas pocas instrucciones adicionales pero ningún registro programable, ha sido denominado un diseño del tipo Esto no quiere decir que no hay características nuevas o mejoras que aumenten la potencia. La mejora más significativa sobre el 486 ha ocurrido en la 11

13 unidad de punto flotante. Hasta ese momento, Intel no había prestado mucha atención a la computación de punto flotante, que tradicionalmente había sido el bastión de las estaciones de ingeniería. Como resultado, los coprocesadores y y los coprocesadores integrados en la línea de CPUs 486 DX se han considerado anémicos cuando se les compara con los procesadores RISC (Reduced Instruction Set Computer), que equipan dichas estaciones. Todo esto ha cambiado con el Pentium: la unidad de punto flotante es una prioridad para Intel, ya que debe competir en el mercado de Windows NT con los procesadores RISC tales como el chip Alpha de Digital Equipment Corporation y el MIPS R4000 de Silicon Graphics. Esto puede ayudar a explicar por qué el Pentium presenta un incremento de 5 veces en el rendimiento de punto flotante cuando se le compara con el diseño del 486. En contraste, Intel sólo pudo extraer un aumento del doble para operaciones de punto fijo o enteros. El gran aumento de rendimiento tiene su contraparte en el consumo de energía: 13 watt bajo la operación normal y 16 watt a plena potencia (3,2 amperes x 5 volt = 16 watt), lo que hace que el chip se caliente demasiado y los fabricantes de tarjetas madres (motherboards) tengan que agregar complicados sistemas de refrigeración. Teniendo esto en cuenta, Intel puso en el mercado el 7 de marzo de 1994 la segunda generación de procesadores Pentium. Se introdujo con las velocidades de 90 y 100 MHz con tecnología de 0,6 micrones y Posteriormente se agregaron las versiones de 120, 133, 150, 160 y 200 MHz con tecnología de 0,35 micrones. En todos los casos se redujo la tensión de alimentación a 3,3 volt. Esto redujo drásticamente el consumo de electricidad (y por ende el calor que genera el circuito integrado). De esta manera el chip más rápido (el de 200 MHz) consume lo mismo que el de 66 MHz. Estos integrados vienen con 296 pines. Además la cantidad de transistores subió a Esto se debe a que se agregó circuitería adicional de control de clock, un controlador de interrupciones avanzado programable (APIC) y una interfaz para procesamiento dual (facilita el desarrollo de motherboards con dos Pentium). 12

14 Otros microprocesadores influyentes: SC/MP: estuvo disponible a principios de 1974 y fue desarrollado por National Conductors. Lo más destacado de este microprocesador es la capacidad de liberar buses, a fin de que puedan ser compartidos por varios procesadores. Motorola 6800: es un microprocesador lanzado en 1975 y lanzado por Motorola. Su nombre le viene de que debe contener 6800 transistores. Lo más destacado es que su conjunto de instrucciones esta formado por 78 de estas y fue el primer microprocesador que contó con un registro índice, además que utiliza una fuente de corriente única de 5v, en contraste con el Intel 8080, que necesitaba tres tensiones diferentes. Zilog Z80: es un microprocesador creado por el ex jefe de proyecto de Intel, Federico Faggin, y fundador de la empresa Zilog. Lanzado al mercado en julio de 1976, tenia como objetivo ser compatible a nivel de código con el Intel 8080, pero hay ciertas características que marcan la diferencia entre ambos microprocesadores, siendo algunas: Instrucción de manipulación de bits Era mas barato que el Intel 8080 Dos bancos de registros que podían ser cambiados de forma rápida para acelerar la respuesta a interrupciones. Y poseía una alimentación única de 5v a diferencia del 8080 que necesitaba de 3. El VAX 78032: microprocesador creado por DEC, lanzado en La tecnología VAX fue la favorita por la comunidad científica e ingeniera en la década de los 80. AMD AMx86: fabricado por AMD en 1991, es 100% compatible con la tecnología Intel, llegando a ser llamado clon de este, pero a un menor costo de producción que el Intel. AMD K5: fue el primer microprocesador orginal creado por AMD. Lanzado en 1996, el K5 era superior al Intel Pentium, pero debido a la poca experiencia de la empresa, y del poco marketing del producto, el K5, nunca fue tan masivo como el Pentium, por lo que llego a ser considerado inferior que el Pentium por el público no especializado. AMD K6: lanzado en 1996, el K6 al fin presento competencia a Intel, estando al nivel del Pentium II, pero con un costo menor. El K6 contó con una gama que va desde los 166 hasta los más de 500 Mhz y con el juego de instrucciones MMX, que ya se han convertido en estándares. Intel Pentium II: lanzado en 1997, el Pentium II tenía como objetivo mejorar a su antecesor respecto a la ejecución de códigos de 16 bits, añadir el conjunto de instrucciones MMX y eliminar la memoria caché de segundo nivel del núcleo del 13

15 procesador. Gracias a este nuevo diseño, el usuario puede compartir fotos por internet, música, textos, etc. Intel Celeron: microprocesador lanzado en 1999, para ser usado como la línea de bajo costo de Intel, para asi ingresar en otros mercados, que la tecnología Pentium no podía ingresar, por su alto costo. AMD Athlon K7: es el predecesor del K6, lanzado en 1999, fue el primer microprocesador en pasar la barrera de los GHz, llegando a la velocidad de 1GHz y es compatible con la tecnología x86. Gracias a esta tecnología, muchos mas barata y superior que los Intel Pentium III y IV de la competencia, AMD se consolido como el segundo mayor productor de microprocesadores del mundo y el favorito entre los nacientes informáticos. Intel Pentium III: lanzado en 1999 por Intel, su mayor objetivo fue mejorar los aspectos de navegación por internet, mejorar la resolución de graficos 3D, mejorando la calidad de video, audio y reconocimiento de voz. Intel Pentium 4: microprocesador de séptima generación, lanzado en el año Fue el primer microprocesador de Intel, en ser desarrollado de cero, desde el Pentium Pro. AMD Athlon XP: microprocesador lanzado en el año 2001 para competir con el Intel Pentium 4, que había dejado de lado al AMD Athlon K7. Entre las mejoras respecto al Thunderbird se puede mencionar la pre-recuperación de datos por hardware, y el aumento de las entradas TLB, de 24 a 32. Microprocesadores de Ultima Generación Intel Core Duo (2006) AMD Phenom (2007) Intel Core Nehalem (2008) AMD Phenom II (2008) AMD Athlon II (2008) Intel Core Sandy Bridge (2011) AMD Fusion (2011) Breve Historia de los Padres de los Procesadores Cuando se habla de la evolución de los procesadores, se debe indagar también en los creadores del primer microprocesador (Intel 4004) Marcian Tedd Hoff Jr y Federico Faggin. 14

16 Marcian Tedd Hoff Jr. Nació el 28 de octubre de 1937 en Rochester Nueva york Estados Unidos, mostrando interés por la ciencia desde muy pequeño. Estudió en el prestigioso Rensselaer Polytechnic Institute, y durante sus vacaciones trabajo para la ferroviaria de Rochester donde destacó por el desarrollo de novedosos circuitos sensoriales para las vías del tren, obteniendo sus primeras patentes por estas. En 1962 obtiene su doctorado en la universidad de Stanford. En 1968 es llamado por Robert Noyce para formar parte de la recién creada Intel. Por su parte Federico Faggin nace en Vincenza Italia, el 1 de diciembre de 1941, estudia en el Instituto Industrial de Vicenza, y posteriormente asiste a la Universidad de Padua, donde recibe el grado de Dottore in Fisica, en Faggin viaja a Estados Unidos en 1968, y comienza a trabajar para Fairchild Semiconductor, donde dirigió el desarrollo de la tecnología MOS de compuertas de silicón original. En 1970 se unió a Intel Corporation en Santa Clara, California. Marcian Tedd hoff, se pone alfrente del proyecto encargado por Busicom para Intel de desarrolar doce circuitos integrados para una nueva calculadora programable de 15

17 escritorio, junto con Faggini desarrollan un solo microchip que integraba las doce funciones que Busicom había encargado, naciendo el primer Microprocesador el Intel 4004 en