SEMANA 4. MICROPROCESADORES
Definición El microprocesador o procesador es un chip o conjunto de circuitos altamente integrados (varios chips) encargados de realizar todas las operaciones aritméticas, lógicas y de control de los procesos de una máquina. Se afirma que el microprocesador es el cerebro o centro neurálgico de la computadora, siendo éste el principal elemento del sistema informático. Al conjunto formado por la Memoria Central, la Unidad Aritmético Lógica y la Unidad de Control se les conoce como UCP (Unidad Central de Procesos – CPU, en inglés), denominación ampliamente aceptada y aplicada también al concepto de microprocesador. Pero debemos tener en cuenta, no llamar CPU como la unión de chasis del equipo, la tarjeta madre, procesador, tarjetas y periféricos, etc., ya que estos elementos en conjunto conforman la Unidad Central, de manera que si lo hacemos estamos incurriendo en un error conceptual. El microprocesador se encarga de procesar y calcular las operaciones y órdenes que provienen de otros elementos o dispositivos como periféricos, tarjetas, incluso software, para luego procesarlos y reenviarlos a los dispositivos de salida (monitor, impresora,...) u otros componentes del sistema. El microprocesador también es el encargado de ejecutar los programas almacenados en la memoria principal y operar con los datos suministrados por el sistema y el usuario. SENA. De clase mundial Developed by Roymer Romero Algarín - rromeroalg@misena.edu.co SENA Centro Comercio y Servicios – Regional Atlántico
La velocidad del microprocesador se mide por la frecuencia del reloj a la que trabaja, la cual permite ejecutar cantidades de instrucciones por segundo. Actualmente esta medida está en el orden de los Gigahertz, favorecido en gran parte debido a la miniaturización de los transistores que conforman al microprocesador, fabricados actualmente con tecnología en el orden de los 65 nm (y próximamente 45 nm). Generalmente, tres factores se determinan cuánto información se puede procesar en cualquier hora dada. Éstos incluyen: El tamaño del autobús interno El tamaño del autobús de dirección Los grados de la velocidad del procesador
5.1. Estructura física del microprocesador. A continuación se describirán las partes más comunes de los procesadores. Estas varían en su ubicación dependiendo del fabricante, tamaños y tecnologías utilizadas:
Partes comunes del microprocesador.
Unidad Aritmética Lógica – UAL (ALU, en inglés): Unidad encargada de realizar los cálculos matemáticos (suma, resta, multiplicación y división) y operaciones lógicas (igual, mayor que o menor que). Transfiere los datos entre las posiciones de almacenamiento. Unidad de Control: Es el núcleo del procesador encargado de dirigir la ejecución de programas y controlar el movimiento entre la memoria y la UALA. Además de las señales que circulan entre la CPU y los periféricos. Entre otras de sus funciones están: Controlar la secuencia de instrucciones a ser ejecutadas. Controlar el flujo de datos entre las diferentes partes que conforman el ordenador. SENA. De clase mundial Developed by Roymer Romero Algarín - rromeroalg@misena.edu.co SENA Centro Comercio y Servicios – Regional Atlántico
Interpretar las instrucciones. Regular tiempos de acceso y ejecución en el procesador. Enviar y recibir señales de control de periféricos externos.
Memoria Caché: Es un tipo de memoria volátil (del tipo RAM), de gran velocidad, que actualmente se encuentra integrada en el procesador. Su función consiste en almacenar instrucciones y datos que el microprocesador utiliza continuamente, de manera que estos accesos sean instantáneos, permitiendo mayor velocidad y rendimiento en el procesamiento de datos. Existen 3 niveles de memoria caché, a saber: Caché de 1er nivel (L1): Integrada en el núcleo del procesador, trabajando a la misma velocidad que este. La cantidad de memoria caché L1 varía de un procesador a otro, estando normalmente entra los 64KB y los 256KB. Esta memoria suele a su vez estar dividida en dos partes dedicadas, una para instrucciones y otra para datos. Caché de 2º nivel (L2): Integrada en el procesador, aunque no directamente en el núcleo de este, tiene las mismas ventajas que la caché L1, aunque es algo más lenta que esta. La caché L2 suele ser mayor que la caché L1, pudiendo llegar a superar los 2MB. No está dividida, y su utilización está más encaminada a programas que al sistema. En cuanto a la utilización de la caché L2 en procesadores multinúcleo, existen dos tipos diferentes de tecnologías a aplicar. Por un lado está la habitualmente utilizada por Intel, que consiste en que el total de la caché L2 está accesible para ambos núcleos y por otro está la utilizada por AMD, en la que cada núcleo tiene su propia caché L2 dedicada solo para ese núcleo.
Diagrama de bloques AMD Opterón SENA. De clase mundial Developed by Roymer Romero Algarín - rromeroalg@misena.edu.co SENA Centro Comercio y Servicios – Regional Atlántico
Caché de 3er nivel (L3): Memoria caché más lenta que la L2, cuyo auge está aumentando con las nuevas arquitecturas de procesadores. Normalmente está incorporado a la placa base, no al procesador, y su velocidad de acceso es más lento que una caché de nivel 2 o 1, pero aun sí sigue siendo más rápida que la memoria RAM. Podemos suponer que ésta se encuentra ubicada entre el procesador y la memoria RAM. Alimenta a la caché L2, y ésta a su vez la cache de nivel 1, la cual alimenta al procesador. Las memorias caché son extremadamente rápidas (su velocidad es unas 5 veces superior a la de una RAM de las más rápidas), con la ventaja añadida de no tener latencia, por lo que su acceso no tiene ninguna demora pero aumenta su costo. FSB (Front Side Bus): Es el bus por el que se comunica la CPU y/o la memoria RAM con la placa base. La velocidad final de un procesador se calcula multiplicando su velocidad de reloj por su FSB. Registros: Almacenan temporalmente resultados intermedios, direcciones de instrucciones, datos, etc. Ventilador: Es una turbomáquina cuya función es mejorar la transferencia calor/aire del disipador, al inyectarle "aire forzado" para favorecer la refrigeración del mismo y el buen funcionamiento del microprocesador. Su capacidad se mide en términos del caudal de aire que proporcionan, generalmente expresado en CFM (Cubic Feet per Minute), equivalentes a 28.316 litros/minuto; la presión no suele estar indicada, pero se expresa en PSI ("Pounds per Square Inch"), equivalentes a 0.488 gr/cm2.
Ventilador
Disipador: Es un objeto de superficie metálica con curvaturas sucesivas para aumentar la superficie de la misma. Su función consiste en absorber el calor del microprocesador para que seguidamente pase al aire y se produzca un enfriamiento paulatino. Son de dos tipos, SENA. De clase mundial Developed by Roymer Romero Algarín - rromeroalg@misena.edu.co SENA Centro Comercio y Servicios – Regional Atlántico
activos y pasivos. Los primeros con los que tienen adjunto un elemento de refrigeración y los segundos carecen de él.
Disipador pasivo
Disipador activo
5.2. Funcionamiento de la arquitectura de doble núcleo. En las siguientes líneas daremos a conocer el funcionamiento básico de la arquitectura de doble o mas núcleos, el cual es un gran avance en respuesta a la creciente demanda de capacidades multitarea y menos tiempo de respuesta, la difusión de la multimedia en todos los niveles y medios digitales, el surgimiento de aplicaciones y juegos multihilo, los avances en cuanto a la miniaturización de componentes, en fin, una serie de necesidades y nuevas posibilidades que han permitido la evolución de los procesadores para ofrecer mayores prestaciones en cuanto al procesamiento de la información. La arquitectura de doble núcleo consiste en tener dos procesadores en el mismo encapsulado. Cada uno de ellos cuenta con acceso a una memoria caché L2 de 1 o 2 Mb de capacidad. Además también tienen comunicación con la memoria principal del sistema para la carga de procesos. Los núcleos utilizan la memoria caché de nivel 2 (L2) según sus necesidades de procesamiento. En el caso de los procesadores Intel, comparten una misma caché L2 llamada Intel Dynamic Smart Cache, que se reparte dinámicamente dependiendo de las necesidades de cada núcleo. En el caso de los AMD X2, cada uno cuenta con su propia caché de nivel 2 lo cual le da cierta ventaja principalmente en pruebas de acceso a memoria.
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Arquitectura Intel Core Duo
Arquitectura AMD Dual
Mientras un núcleo se encuentra procesando información, el otro puede estar realizando una actividad o proceso diferente, por ejemplo: mientras se está trabajando en una hoja de cálculo el otro núcleo puede estar encargado de la ejecución del antivirus.
En caso de que estemos realizando una sola tarea, el otro procesador permanece disponible para gestionar otros procesos. De esta manera se desarrolla realmente el concepto de multitarea, ya que los procesadores de un solo núcleo simulaban esta característica a través del procesamiento e intercambio entre varios procesos o aplicaciones en serie.
Procesador de un solo núcleo
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En los procesadores de doble núcleo pueden ejecutarse subprocesos en paralelo o al mismo tiempo. De esta manera se obtiene un verdadero de concepto de multitarea, que se traduce en eficiencia a la hora de ejecutar varias aplicaciones y hacer uso de otros recursos del sistema.
Procesador de doble núcleo Debido a que esta tecnología divide la ejecución de cada instrucción en varios pasos independientes, cada uno de ellos se ejecuta en partes diferentes del procesador, por lo que este proceso de ejecución se haría en paralelo. Pero no siempre se puede aplicar está técnica debido a que en varios procesos iguales tendría que entrar en funcionamiento la misma unidad funcional, como la unidad aritmético-lógica para hacer varias operaciones matemáticas. Una solución a este inconveniente es aplicar unos pocos de transistores más a la oblea de fabricación para duplicar más unidades funcionales como la descrita anteriormente (ALU – Unidad aritmético-lógica), esto quiere decir que los procesadores que utilicen está tecnología difícilmente podrán experimentar cuellos de botella.
Vale la pena resaltar que estos principios de funcionamiento también aplican a los procesadores multinúcleo.
Procesador de cuatro núcleos SENA. De clase mundial Developed by Roymer Romero Algarín - rromeroalg@misena.edu.co SENA Centro Comercio y Servicios – Regional Atlántico
5.3. Pautas para la instalación de microprocesadores. El proceso de instalación que se describirá a continuación aplica para la mayoría de procesadores que se encuentran actualmente en el mercado, conocidos comúnmente como “procesadores de contacto” cuya manipulación implica más cuidado que la tecnología de pines.
Elementos necesarios para la instalación
Destornilladores de cabeza plana o Phillips. Manilla antiestática. Procesador y demás elementos componentes.
Precauciones
Extraer el microprocesador de su empaque cuidadosamente para evitar averías por caídas o manipulación inadecuada. Para ello es necesario revisar antes las instrucciones y recomendaciones de instalación dadas por el fabricante. Apagar o mantener desconectado el ordenador. Descargar la ESD utilizando guantes y la manilla electroestática.
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Proceso de instalación de microprocesadores A continuación se dará a conocer el procedimiento general para la instalación de microprocesadores de las últimas generaciones.
1. Abra la palanca del socket empujándola hacia abajo y hacia fuera del mismo (A). Levante la palanca (B).
2. Abra la placa de carga (C). No toque los contactos del socket (D).
3. Retire la tapa de protección (E) de la placa de carga. Conserve la tapa de protección. Siempre vuelva a colocar la tapa del socket cuando se quite el procesador.
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4. Quite el procesador de la tapa de protección. (Sostenga el procesador de los bordes únicamente, y procure no tocar la base del procesador). Conserve la tapa de protección. Siempre vuelva a colocar la tapa del procesador cuando se quite el procesador del socket.
5. Sostenga el procesador con el pulgar y el índice orientados como se muestra en la figura. [Asegúrese de alinear los dedos con las entalladuras del socket (F).] Alinee las muescas (G) con el socket (H). Baje el procesador en línea recta sin inclinar o deslizar el procesador en el socket.
6. Cierre la placa de carga. Presione la placa de carga (I) hacia abajo hasta que quede cerrada, y ajuste la palanca del socket (J).
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Instalación del ventilador y el disipador. 7. Con la PLACA MADRE INSTALADA EN EL CHASIS, coloque el disipador de calor del ventilador sobre la placa madre, introduciendo los tornillos por los orificios. (Tenga cuidado de no dañar el material de interfaz térmico adherido a la base del disipador de calor del ventilador.)
8. Mientras mantiene el disipador de calor del ventilador en su sitio, presione la cabeza de los tornillos hacia abajo. Cada vez que empuje un tornillo hacia abajo se debería escuchar un “clic”. Verifique que cada uno de los cuatro tornillos esté firmemente fijado.
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9. Conecte el cable de 4 hilos del ventilador del procesador al cabezal de 4 patillas del ventilador de la CPU. (El conector de cable de 4 hilos del ventilador del procesador puede conectarse a un cabezal de placa madre para ventilador de CPU de 3 patillas, si no hubiera disponible un cabezal para ventilador de CPU de 4 patillas).
Desinstalación del ventilador y el disipador 1. Para retirar el disipador de calor del ventilador, desconecte el cable del ventilador. Haga girar cada tornillo 1/4 de vuelta en SENTIDO CONTRARIO a las agujas del reloj, usando un destornillador para tornillos de cabeza plana. [Oriente los tornillos como se indica en la figura (K).]
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2. Levante los tornillos y sáquelos de los orificios. Retire el disipador de calor del ventilador.
3. Para volver a ubicar los tornillos, gírelos _ de vuelta EN EL SENTIDO de las agujas del reloj antes de la reinstalación. [Oriente los tornillos como se indica en la figura (L).]
4. Para retirar el procesador, siga los pasos 1 a 5 en sentido contrario. Tenga cuidado de proteger el socket y el procesador de la contaminación con materiales extraños. Reinstale las tapas de protección del socket y el procesador.
5.4. Herramientas microprocesadores.
de
software
para
el
mantenimiento
de
En la actualidad no existen programas que arreglen daños en el microprocesador, sino que disponemos de utilidades o herramientas proporcionadas por los fabricantes de microprocesadores, ventiladores, motherboards y terceros, que ayudan a monitorear algunos parámetros de funcionamiento de los microprocesadores (principalmente de temperatura y voltaje) para así detectar síntomas o prevenir daños mediante el uso de alarmas.
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Pero vale la pena aclarar que existen fallos que no son predecibles y que pueden ser críticos, como por ejemplo: fallas eléctricas (incluidas caídas o aumentos de tensión) fallas mecánicas. Algunos de estos programas son: SpeedFan QTPro Intel Processor Identification Utility Motherboard Monitor Intel Active Monitor Hmonitor AMD CPUInfo AMD Clock MotherBoard Monitor Next Sensor CPUCool Crystal CPUID MSI PC Alert CPU-Z
TIP: Para efectos de pruebas de hardware del sistema, debemos tener en cuenta que existen algunas aplicaciones multipropósito que además de recoger información del sistema, también permiten optimizar y examinar componentes. Por ejemplo: Dr. Hardware, AIDA32, Everest Ultimate Edition, HDD Speed Test Tool, HWiNFO32, Performance Test, Test My Hardware, etc.
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5.5. Descripción de la resolución de problemas con microprocesadores. Teniendo en cuenta que el desempeño general del sistema depende principalmente del buen funcionamiento del microprocesador, se describen a continuación algunos de los síntomas y soluciones más comunes que afectan a estos dispositivos:
Síntoma del problema
Solución posible
Inestabilidad en el sistema, que se manifiesta al bloquearse las aplicaciones que demandan mayores prestaciones. Se repite el síntoma de manera repetitiva, incluso con otros programas.
Asegurarse que el microprocesador cuente con los elementos de refrigeración adecuados: disipador y ventiladores. Y que estén funcionando de manera óptima o realizar la limpieza necesaria.
Reinicio repentino del equipo.
Errores de lectura en disco.
Pantallazos azules.
Informarse acerca de los parámetros adecuados de temperatura para el microprocesador, y de rotación del ventilador a través de los fabricantes; y verificar a través de software de monitoreo de temperatura que estos parámetros se encuentren estables o en los rangos de funcionamiento óptimo, para proceder a realizar los cambios o configuraciones del caso.
Disminución del rendimiento.
Verificar que el microprocesador este trabajando a una frecuencia adecuada y no a otra que tal vez no pueda soportar (overclocking).
Estos síntomas se deben principalmente a problemas de refrigeración debido a polvo acumulado en el ventilador, lo cual no permite flujo de aire hacia el disipador, causando que el microprocesador se caliente excesivamente. Como consecuencia de ello, éste se reinicia a manera de protección, para evitar daños mayores. Pero los daños no siempre pueden evitarse.
El computador no arranca y el Verificar que el microprocesador este insertado correctamente en el socket. microprocesador se calienta.
El sistema no inicia después de la Vuelva a colocar el procesador, verifique la compatibilidad de la motherboard con la versión del BIOS y la CPU; actualice el BIOS. instalación de un nuevo procesador. SENA. De clase mundial Developed by Roymer Romero Algarín - rromeroalg@misena.edu.co SENA Centro Comercio y Servicios – Regional Atlántico
El sistema funciona durante algunos Revise el cable de alimentación del ventilador, verifique que el mismo funcione y que el compuesto térmico esté aplicado minutos y luego se bloquea. correctamente.
Al arrancar el sistema, emite 5 bips.
Verificar la correcta instalación del microprocesador.
Significa un error en el procesador, debido La CPU debe cambiarse debido a que está defectuosa. a que está defectuoso.
Al arrancar el sistema, emite 7 bips.
Excepción del defectuoso.
procesador.
Procesador La CPU debe cambiarse debido a que está defectuosa.
Al arrancar el sistema, emite 11 bips.
CPU o motherboard defectuosa.
Verificar la correcta instalación del microprocesador.
Verificar la correcta instalación del microprocesador. La CPU debe cambiarse debido a que está defectuosa.
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