3.1.3 Procesadores RISC y procesadores CISCgaleon.com/ligrosdetec/reparar3.pdf · ordenadores de 8 bits más populares y, al mismo tiempo, poseer un rendimiento supe- rior, debido

Antiguamente, era muy común que las placas base viniesen equipadas con soquetesapropiados para la memoria caché, que permitían añadir más memoria caché. Losmódulos adicionales, llamados módulos COAST (Cache On A STick) eran relativa-mente accesibles, haciendo que mucha gente realizase la ampliación. Sin embargo,actualmente esta posibilidad ya no existe, pues la gran mayoría de los procesadoresya traen la memoria caché L2 integrada, sin permitir ninguna modificación, ya que noes aconsejable abrir el procesador y soldar más memoria caché.

O sea que, actualmente, la cantidad de memoria caché que deseemos tener en el pro-cesador, o raramente en la placa base, debe ser decidida antes de realizar la compradel equipo, eligiendo entre las distintas opciones disponibles. Una vez adquiridos elprocesador y la placa base no nos será posible hacer ninguna modificación al respec-to de forma simple y sencilla.

3.1.3 Procesadores RISC y procesadores CISC Siempre ha existido una gran polémica en torno a cuál de estas dos plataformas esmejor. Tal vez podamos considerar inútil estar hablando sobre esto, pero es interesan-te comprender la diferencia entre estas dos plataformas para entender varios aspectosde los procesadores modernos.

Un procesador CISC (Complex Instruction Set Computer, u ordenador con un conjun-to complejo de instrucciones), es capaz de ejecutar varios centenares de instruccionescomplejas diferentes, siendo extremadamente versátil. Algunos ejemplos de procesa-dores CISC son el 386 y el 486.

A inicios de la década de los años 80, la tendencia era construir chips con conjuntosde instrucciones cada vez más complejos. Sin embargo, algunos fabricantes conside-raron seguir el camino contrario, creando el formato RISC (Reduced Instruction SetComputer, u ordenador con un conjunto reducido de instrucciones). Al contrario delos complejos procesadores CISC, los procesadores RISC sólo son capaces de ejecutaralgunas instrucciones simples. Justamente por esto, los chips basados en esta arquitec-tura son más simples y más baratos. Otra ventaja de los procesadores RISC, es que altener un número menor de circuitos internos, pueden trabajar a frecuencias más ele-vadas. Un ejemplo son los procesadores Alpha, que en el año 97 ya podían trabajar aunos nada despreciables 600 MHz para la época.

Puede parecer extraño que un chip que es capaz de ejecutar pocas instrucciones puedaser considerado, por muchos, más rápido que otro que ejecuta centenares de instruc-ciones. Pero un procesador RISC es capaz de ejecutar tales instrucciones de formamucho más rápida. La idea principal es que a pesar de que un procesador CISC seacapaz de ejecutar centenares de instrucciones diferentes, sólo algunas son usadas deforma frecuente.

Entonces, podríamos crear un procesador optimizado para ejecutar sólo las instruccio-nes simples que se utilizan con una mayor frecuencia. Como de cualquier forma, poca

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Ampliar, configurar y reparar su PC

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gente programa directamente en lenguaje ensamblador, bastaría alterar los compila-dores para que los programas fuesen compatibles con los nuevos procesadores.

Es indiscutible, sin embargo, que los procesadores CISC son mejores en la mayoría detareas, principalmente por su gran número de recursos. Por eso, en vez de la consoli-dación de una de las dos tecnologías, actualmente vemos procesadores híbridos, queson esencialmente procesadores CISC pero que incorporan muchos recursos encontra-dos en los procesadores RISC (o viceversa).

Examinando desde un punto de vista un poco más práctico, la ventaja de una arqui-tectura CISC es que ya tenemos muchas de las instrucciones guardadas en el propioprocesador, lo que facilita el trabajo de los programadores, que ya disponen de prác-ticamente todas las instrucciones que serán usadas en sus programas. En el caso de unchip estrictamente RISC, el programador tendría un poco más de trabajo, pues sólodispondría de instrucciones simples y tendría que combinar varias instruccionessiempre que necesitase ejecutar alguna tarea más compleja.

En los chips actuales, que son una mezcla de las dos arquitecturas, unimos las doscapacidades. Internamente, el procesador lleva a cabo sólo instrucciones simples.Estas instrucciones internas, variando en función del tipo de procesador, se adaptanal proyecto del chip. Por ejemplo, las instrucciones internas de una K6 son diferentesa las de un Pentium. Sobre estas instrucciones internas disponemos de un circuitodecodificador, que convierte las instrucciones complejas utilizadas por los programas,en varias instrucciones simples que pueden ser entendidas por el procesador.

El conjunto básico de instrucciones usadas en los equipos PC es conocido por el con-junto x86. Este conjunto está compuesto por un total de 187 instrucciones, que son lasmás utilizadas por todos los programas. Además de este conjunto principal, algunosprocesadores también traen añadidas instrucciones alternativas, que permiten a losprogramas ejecutar algunas tareas de forma más rápida de lo que sería posible sólocon el uso de las instrucciones x86. Algunos ejemplos de conjuntos alternativos de ins-trucciones son el MMX (usado a partir del Pentium MMX), el 3D-Now! (usado por losprocesadores de la casa AMD a partir del K6-2) y el SSE (soportado a partir delPentium III).

3.1.4 Front End y Back EndCualquier procesador actual puede ser dividido en dos bloques básicos, Front End yBack End. El Front End corresponde a los circuitos que decodifican las instrucciones,es el caso del Hardware decoder y el Microcode decoder junto con algunos compo-nentes más, como los circuitos de Branch Prediction, que ordenan las instrucciones deforma que el procesador pueda procesar el mayor número posible de instruccionespor ciclo, y la memoria caché L1. Estos componentes son la "puerta de entrada" delprocesador, teniendo la función de preparar las instrucciones para que sean realizadasa continuación por el procesador.

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El Back End es la parte del procesador que procesa las instrucciones, estando com-puesto, básicamente, por las diferentes unidades de ejecución. En las unidades de eje-cución es donde los procesadores ofrecen más diferencias en la forma de procesar lasinstrucciones ya decodificadas.

Por ejemplo, el Athlon posee un total de 9 unidades de ejecución. De éstas, 3 son uni-dades de ejecución de lectura/escritura de los datos en la memoria. Otras 3 unidadesde ejecución son de punto flotante (que forman el coprocesador aritmético). A efectosde comparación, el Pentium III sólo posee dos. Las otras 3 unidades de ejecución sonunidades de procesamiento de números enteros.

En términos de instrucciones 3D, el Athlon cuenta con el conjunto de instrucciones3D-Now!, incorporado en los procesadores AMD y que permite mejorar el rendimien-to del procesador en los juegos y aplicaciones 3D. El Athlon también lleva el viejojuego de instrucciones MMX, que garantiza alguna ganancia en las aplicaciones mul-timedia, aunque no sea mucha.

3.2 Del 8086 al PentiumEl primer microprocesador fue lanzado por la casa Intel en 1971 y se llamaba 4004.Se trataba de un procesador extremadamente simple, formado por cerca de 2300 tran-sistores, pero que fue el precursor de los procesadores que tenemos en la actualidad.

La llamada ley de Moore, que lleva el nombre del fundador de la casa Intel, GordonMoore, proclama que la potencia de los procesadores se dobla cada 18 meses. A pesarde que esta previsión fue hecha a finales de la década de los años 70, continúa siendocierta hasta los días de hoy, con una precisión notable.

Desde entonces se ha recorrido un largo camino. Se realizaron enormes inversiones y

muchos de los mayores genios del planeta trabajaron en la búsqueda de soluciones

para cuestiones cada vez más complejas. A continuación vamos a examinar los avan-

ces hechos desde el 8088, usado en el XT, hasta el Pentium, donde estudiaremos la

introducción de recursos como el modo protegido y la multiplicación del reloj, y en lo

que afectan al funcionamiento del procesador.

Entendiendo estos conceptos nos será más fácil entender las diferencias entre los dis-

tintos procesadores de la historia y los que aparecieron después, ya que continuaron

utilizando los mismos conceptos básicos.

3.2.1 El 8088El 8088 era una versión económica del procesador 8086, que había sido lanzado por lacasa Intel en el año 78. Cuando la casa IBM estaba desarrollando su ordenador perso-nal, llegó a pensar en usar el 8086, pero acabó escogiendo el 8088 debido a su menorcoste de producción.

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Tanto el 8086 como el 8088 eran procesadores de 16 bits y se consideraban avanzadí-simos para la época, a pesar de que eran extremadamente simples comparados con losprocesadores actuales. La diferencia entre ellos es que el 8088, a pesar de trabajarinternamente con palabras binarias de 16 bits, usaba un bus de sólo 8 bits, lo que per-mitió a la casa IBM utilizar los mismos componentes usados en los ordenadores de 8bits de la época, que eran más baratos que los componentes de 16 bits.

El procesador 8088

Esta arquitectura permitió al primer PC competir en la misma franja de precio que losordenadores de 8 bits más populares y, al mismo tiempo, poseer un rendimiento supe-rior, debido a su procesador de 16 bits. El 8088 era capaz de soportar hasta 1 MB dememoria RAM y funcionaba a 4.77 MHz, recursos increíbles para la época, ya queestamos hablando de un procesador lanzado a finales del año 1979.

Hablando de recursos, sólo por curiosidad, el PC original de la casa IBM lanzado enagosto de 1981 sólo poseía 64 KB de memoria RAM (la versión más simple venía consólo 16 KB), un monitor MDA monocolor de 12 pulgadas, usaba una unidad de dis-quetes de 5 pulgadas y 1/4 de sólo 160 KB y no llevaba ningún disco duro.

El sistema operativo usado era el MS-DOS 1.0 (en la época aún llamado PC-DOS) quefue desarrollado por la casa Microsoft y basado en un sistema operativo más simple,llamado QDOS, comprado a la empresa Seattle Computers, una pequeña empresadesarrolladora de sistemas operativos. En realidad, la casa Microsoft fue la segundaopción de IBM, después de ser rechazada su propuesta de licencia por la casa DigitalResearch, que en la época desarrollaba versiones de su CP/M para varias arquitectu-ras diferentes.

Dos años después, fue lanzado el PC XT, que a pesar de continuar usando el procesa-dor 8088 de 4.77 MHz, venía incrementado con 256 KB de memoria RAM, un discoduro de 10 MB, un monitor CGA y el sistema operativo MS-DOS 2.0.

Aún con la aparición de los equipos 286, el XT se continuó vendiendo ya que era másbarato. Los fabricantes de ordenadores clónicos crearon proyectos de equipos XT másavanzados, equipados con procesadores 8088 de 8 MHz, discos duros de una mayorcapacidad y hasta 640 KB de memoria RAM.

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La segmentación de direccionesUn recurso muy interesante usado en el 8088 es la segmentación de direcciones, quepermitió aumentar la cantidad de memoria RAM soportada por el procesador.

Para que el procesador pueda acceder a la memoria RAM es necesario que la memo-ria se divida en direcciones. Cada Byte de la memoria recibe una dirección única.Como el 8088 sólo podía trabajar con palabras binarias de 16 bits, en un principio nole era posible acceder a más que 64 KBytes de memoria RAM, ya que 16 bits sólo per-mitían 65.536 combinaciones diferentes (2 elevado a 16).

Esquema del funcionamiento interno de los procesadores 8086 y 8088

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Si el 8088 sólo podía acceder a 64 KB de memoria RAM, los equipos basados en él esta-ban limitados y sólo podían ejecutar programas muy simples. Para tener una idea, 64KB no daban ni para cargar el sistema operativo DOS 3.0.

Para solucionar este problema fue adoptada una solución bastante ingeniosa: a pesarde que el procesador continuaba pudiendo acceder a sólo 64 KB de memoria RAMcada vez, se crearon 4 bits más de direccionamiento, que permitían el acceso a 16 blo-ques de memoria. Como cada bloque poseía 64 KB, llegamos a 1 MB de capacidadtotal en la memoria RAM. Básicamente, se crearon 16 áreas diferentes de memoria,cada una con 64 KB, que era el máximo que el 8088 podía gestionar.

El procesador podía acceder a una única área cada vez. Si por ejemplo, se estaba usan-do el bloque 1 y, de pronto, era preciso leer un dato grabado en el bloque 2, era preci-so limpiar todas las direcciones relativas al bloque 1 y cargar las direcciones del blo-que 2. En ese momento, el procesador perdía el acceso al bloque 1 y pasaba a accedersólo al segundo bloque. Cuando era preciso lee o grabar datos de nuevo en el bloque1 (o cualquier otro bloque), se cargaban las direcciones relativas a él y se perdía elacceso al bloque 2.

3.2.2 El 286 El procesador 286 fue lanzado al mercado a principios del año 1982, sólo 6 meses des-pués de que la casa IBM lanzase su primer PC al mercado. Sin embargo, el 286 empe-zó a utilizarse a partir de 1984, cuando IBM lanzó su PC AT.

Un procesador 286

Esta demora es justificable, pues, para el lanzamiento de un ordenador que usase elnuevo procesador de la casa Intel, fue preciso desarrollar toda una nueva arquitectu-ra. Desde la tarjeta gráfica a la torre, prácticamente se modificó todo, lo que sumadoa la burocracia y a los largos periodos de pruebas antes del lanzamiento final, precisóde un cierto tiempo. Actualmente, el periodo de desarrollo de los periféricos es muchomás corto. Casi siempre, cuando se lanza un nuevo procesador ya existen placas basepara él, pues el desarrollo se hace de forma simultánea.

El 286 conllevó varios avances respecto al 8088. El 286 utilizaba palabras binarias de16 bits, tanto interna como externamente, lo que permitía el uso de periféricos de 16

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bits mucho más avanzados que los usados en el PC original y en el XT. El coste deestos periféricos no llegó, esta vez, a ser un gran obstáculo, pues mientras se estabadesarrollando el PC AT ya podían encontrarse a unos precios asequibles.

El principal avance del 286 fueron sus dos modos de trabajo, conocidos como ModoReal y Modo Protegido. En el modo real, el 286 se comportaba exactamente como un8086 (a pesar de ser más rápido), ofreciendo una compatibilidad total con los progra-mas ya existentes. En cambio, en el modo protegido, el 286 aprovechaba todo supotencial, incorporando funciones más avanzadas como la capacidad para acceder ahasta 16 MBytes de memoria RAM (usando los 24 bits de direccionamiento del 286),la multitarea, la memoria virtual en el disco duro y la protección de memoria.

Al conectarse, el procesador operaba en modo real y, a través de una instrucción, pasa-ba a trabajar en modo protegido. El problema era que, trabajando en modo protegido,el 286 dejaba de ser compatible con los programas escritos para el modo real, inclusi-ve con el propio MS-DOS.

Para empeorar la cosa, el 286 no poseía ninguna instrucción que hiciese posible que elprocesador volviese al modo real, lo cual sólo era posible reiniciando el equipo. Estosignificaba que un programa escrito para ser ejecutado en modo protegido no podíausar ninguna de las rutinas del MS-DOS de acceso a los dispositivos, haciendo inac-cesibles el disco duro, la tarjeta gráfica, la unidad de disquetes, etc. a menos que sedesarrollasen e incorporasen al programa todas las rutinas necesarias para un correc-to acceso a los distintos dispositivos. Eso era completamente inviable para los desarro-lladores, pues para proyectar un simple juego, era prácticamente necesario desarrollartodo un nuevo sistema operativo.

Además de esto, el programa desarrollado sólo funcionaba en los equipos con proce-sadores 286, que aún eran una minoría en la época. De hecho, sólo algunas versionesdel sistema operativo UNIX y una versión del OS/2 fueron desarrolladas para utili-zar el modo protegido del 286.

Básicamente, los equipos basados en el 286 eran usados para ejecutar aplicaciones enmodo real, que también podían ser ejecutadas en un XT, sólo aprovechando la mayorvelocidad de trabajo del 286. Hablando en términos de velocidad, la primera versióndel 286 funcionaba a sólo 6 MHz, siendo lanzada inmediatamente después una nuevaversión a 8 MHz, que fue la usada en el PC AT. Posteriormente, fueron desarrolladasversiones de hasta 20 MHz. Debido a los varios y distintos cambios en la arquitectu-ra, destacando el acceso más rápido a la memoria y las alteraciones en el conjunto deinstrucciones, que permitían realizar muchas operaciones de manera más rápida y efi-ciente, un 286 conseguía ser casi 4 veces más rápido que un 8088.

3.2.3 El 386 El 386 fue lanzado a finales del año 85, tres años y medio después del 286. Esta vez, ladirección de la casa IBM tardó mucho para llegar a un acuerdo y desarrollar un siste-

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ma basado en el 386, dando tiempo a la casa Compaq a salir al mercado. Este fue unverdadero cambio pues, de pronto, las compañías percibieron que ya no estaban obli-gadas a continuar con la casa IBM. Cualquiera que tuviera la tecnología suficientepodía salir al mercado, como hizo la casa Compaq.

A partir de ahí, la casa IBM comenzó, gradualmente, a perder el liderazgo en el mer-cado de los ordenadores, quedándose como uno más entre los distintos fabricantes deordenadores personales.

Un procesador 386 de la casa AMD

El 386 llevaba varios recursos nuevos. Para empezar, el 386 trabajaba, tanto internacomo externamente, con palabras de 32 bits y era capaz de acceder a la memoria usan-do un bus de 32 bits, permitiendo una transferencia de datos dos veces mayor. Comoel 386 podía trabajar con palabras binarias de 32 bits, era posible acceder a hasta a 4GBytes de memoria RAM (2 elevado a 32), sin usar la segmentación de direccionescomo en el 8088 y en el 286.

Al igual que el 286, el 386 continuaba soportando los dos modos de trabajo. La dife-rencia era que en el 386 ya era posible alternar entre el modo real y el protegido deforma totalmente libre. Un programa que funcionase sobre DOS podía cambiar elprocesador al modo protegido para beneficiarse de sus ventajas y volver al modo real,siempre que necesitase usar alguna subrutina del DOS de manera transparente parael usuario. En este caso, era usado un programa DPMI (DOS Protected ModeInterface o interfaz DOS de modo protegido) para hacer el cambio entre los dosmodos de trabajo.

Cuando el programa necesitaba usar alguna subrutina de DOS, éste pasaba el coman-do al intercambiador y se quedaba esperando. Por su parte, el intercambiador pasa-ba el procesador al modo real, ejecutaba el comando, cambiaba el procesador al modoprotegido y entregaba el resultado a la aplicación, que continuaba trabajando como sinada.

Este esquema de cambio también se utilizaba en las versiones de Windows 3.x, que yaincluían todas las rutinas necesarias, dispensando a los programas DPMI. Los siste-

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mas operativos Windows 95/98 también podían cambiar al modo real en el caso denecesitar cargar algún driver de modo real. Sin embargo, debido al modo virtual 8086,que veremos inmediatamente a continuación, no era necesario cambiar el procesadoral modo real para ejecutar aplicaciones de MS-DOS en Windows 95/98.

El esquema de funcionamiento de un procesador 386

Disponer de un procesador 386 era el requisito mínimo para poder ejecutar cualquiersistema operativo o aplicación de modo protegido moderno. Con un 386, un mínimode memoria RAM y el espacio suficiente en el disco duro podíamos ejecutar Windows95 y la mayoría de las aplicaciones correspondientes, aunque muy lentamente debidoa la poca potencia del procesador. Con un simple 286, podíamos ejecutar, como máxi-mo, el sistema operativo DOS y algunas aplicaciones más simples y que, además, sólotrabajasen en modo real. También era posible ejecutar Windows 3.0 aunque en modoestándar, donde era posible acceder a todos los 16 MB de memoria RAM permitidospor el 286, pero sin poder usar la memoria virtual ni la multitarea.

La introducción de la memoria cachéLos procesadores 386 con frecuencias de trabajo por encima de los 20 MHz eran muyrápidos para las memorias RAM de la época. Por eso, en cada acceso, el procesadortenía que quedarse "esperando" a que los datos fuesen liberados por la memoria RAMpara poder concluir sus tareas, perdiendo mucho tiempo y rendimiento. Para solucio-nar este problema, pasaron a ser usadas pequeñas cantidades de memoria caché en lagran mayoría de las placas base para equipos 386 y superiores.

La memoria caché es un tipo de memoria ultrarápida que almacena los datos usadoscon más frecuencia por el procesador evitando, en la gran mayoría de los casos, queel procesador pierda tiempo recogiendo los datos directamente de la memoria RAM.Una pequeña cantidad de memoria caché, por poca que sea, es capaz de mejorar bas-tante la velocidad en el intercambio de datos entre el procesador y la memoria RAM.

A pesar de ser más rápido que la memoria RAM, el 386 aún no era un procesador muyrápido y, justamente por esto, aún no era tan dependiente del rendimiento de la

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memoria caché como los procesadores actuales. Un 386 equipado con memoria cachéera de un 20 a un 30% más rápido que un 386 de la misma frecuencia sin memoriacaché, mientras que un procesador moderno puede ser hasta 20 veces más lento en elcaso de deshabilitar tanto la memoria caché L1 como la memoria caché L2.

3.2.4 El 386SXComo el 386 era un procesador de 32 bits fue preciso desarrollar una nueva categoríade chipsets y circuitos para trabajar con él, lo que acabó encareciendo bastante los sis-temas basados en el 386 y alejando a muchos compradores. Para intentar solucionareste problema, la casa Intel optó por lanzar una versión de bajo coste del 386, bautiza-da como 386SX, que a pesar de continuar funcionando internamente con palabras de32 bits, se comunicaba con la memoria RAM y los demás periféricos usando palabrasde 16 bits (como en el 286). Sólo para diferenciar los dos procesadores, la casa Intelpasó a llamar 386DX al 386 original.

Esta arquitectura permitió que se pudieran aprovechar los mismos periféricos usadosen las placas base de los equipos 286, haciendo mucho más asequibles los equiposbasados en el 386SX. Para hacernos una idea, un PC básico equipado con un 386SXpodía costar casi la mitad que un equipo con una configuración parecida basado en el386DX. A pesar de ser una buena opción en términos de relación coste-rendimiento,se quedaba corto en rendimiento comparado con un 386DX de la misma frecuencia,ya que a pesar de que los procesadores eran internamente idénticos, el 386SX usabaprácticamente los mismos componentes usados en los equipos 286, accedía a la me-moria RAM usando palabras de 16 bits y las placas base no tenían memoria caché.

Modo real y modo protegido Trabajando en modo real, el procesador funcionaba exactamente como un 8086, sólovariaba la mayor velocidad de proceso. No solamente el 386, sino todos los procesa-dores posteriores pueden alternar entre el modo real y el modo protegido libremente,siempre que sea necesario. En el modo real, ejecutábamos MS-DOS y otras aplicacio-nes de modo real más antiguas, mientras que en el modo protegido ejecutábamosWindows y sus programas.

Seguramente, al intentar ejecutar un programa antiguo, ya nos hemos encontrado conun enigmático mensaje de falta de memoria a pesar de que los manuales del progra-ma digan que sólo necesita 500 o 600 KB de memoria RAM y nosotros dispongamosde mucha más. Estos mensajes surgen porque estos programas se ejecutan con el pro-cesador trabajando en modo real donde, como en el 8086, sólo es capaz de reconocerel primer MB de la memoria RAM. Por su parte, este primer MB se encuentra subdi-vidido en dos bloques, conocidos como memoria convencional y memoria extendidao superior.

La memoria convencional se corresponde con los primeros 640 KBytes y es el área dememoria usada por los programas que operan en modo real. Los restantes 384 KBytes

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son llamados de memoria extendida y son reservados para almacenar una copia delBIOS, que pasa a poder ser ejecutada de forma más rápida, ya que la memoria RAMes más rápida que el chip de memoria ROM, o Flash, donde es almacenado el BIOSoriginal. Esta copia del BIOS es llamada de Shadow, o sombra, y sirve para aumentarel rendimiento general del sistema. La memoria extendida también es usada paraalmacenar sombras de los BIOS de otros dispositivos, como tarjetas gráficas, tambiénaumentando la velocidad de operación de estos periféricos.

A pesar de que existan 640 KBytes de memoria convencional para ser usada por cual-quier programa que trabaje en modo real, no toda esta memoria queda disponible, yaque parte de ella es usada por el sistema operativo MS-DOS y los drivers de los dis-positivos de modo real. Es posible liberar más memoria convencional editando losarchivos de inicialización del DOS, consiguiendo poder ejecutar estos programas.

Cuando se inicia el ordenador, el procesador está operando en modo real. El encarga-do de pasarle el comando para que cambie al modo protegido es el sistema operativo.En el caso de Windows, este proceso pasa durante la carga del sistema. En el modoprotegido, el procesador es capaz de reconocer toda la memoria RAM instalada en elsistema, además de incorporar recursos como la multitarea y la memoria virtual. Eneste modo podemos usar la interfaz gráfica de Windows y ejecutar sus aplicaciones.

3.2.5 Los recursos del modo protegidoSólo en el modo protegido los procesadores incorporan los recursos más avanzados,que permiten la existencia de los programas que tenemos en la actualidad. A partir del386 se incorporaron pocas funciones nuevas a los nuevos procesadores. Básicamente,evolucionaron sólo en términos de velocidad. El modo protegido lleva cuatro nuevosrecursos: la memoria virtual, la multitarea, la memoria protegida y el modo virtual8086.

La memoria virtual La capacidad del 386 de trabajar con varias aplicaciones al mismo tiempo (multitarea)era realmente muy útil, pero esta característica conllevaba un pequeño problema: alabrir varias aplicaciones de forma sucesiva, la memoria RAM del sistema se agotaba.Para corregir este problema, el modo protegido utilizó el recurso de la memoria vir-tual, que permitía crear un archivo temporal en el disco duro, llamado Swap File, oarchivo de intercambio, que funcionaba como una extensión de la memoria RAM, per-mitiendo abrir cuántas aplicaciones fuesen necesarias, hasta que se agotaba el espaciodel disco duro.

Por ejemplo, sólo Windows 2000/XP Professional junto con los servicios básicosocupa cerca de 40 MB de memoria. Si deseamos abrir Word, serán necesarios 10 MBmás. Si el equipo sólo poseyese 32 MB de memoria se crearía un archivo temporal de18 MB en el disco duro, que almacenaría los datos que no se pudiesen almacenar enla memoria RAM.

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El problema de usar memoria virtual es que el disco duro es centenares de veces máslento que la memoria RAM. Un disco duro razonablemente rápido posee un tiempode acceso en torno a los 10 milisegundos (milésimas de segundo), mientras que unmódulo de memoria PC-100 posee un tiempo de acceso inferior a los 10 nanosegun-dos (billonésimas de segundo) o sea, un tiempo de acceso un millón de veces menor.En términos de tasas de transferencia, nuevamente tenemos un contraste destacado:800 MB/s para el módulo de memoria y de 5 a 20 MB/s (dependiendo del modelo)para el disco duro, de forma aproximada. Debido a estas diferencias y, a pesar de quelos programas funcionan normalmente usando memoria virtual, el sistema va vol-viéndose cada vez más lento.

En las versiones de Windows 3.x era necesario reservar una cantidad de espacio deldisco duro para la memoria virtual, cantidad que podía configurarse libremente a tra-vés del Panel de Control. El problema es que este espacio no quedaba disponible paralas otras tareas. Por ejemplo, si teníamos un disco de 800 MBytes, y reservábamos 200MBytes para la memoria virtual, nos quedábamos con sólo 600 MB para instalar pro-gramas y guardar archivos. Si por otro lado, reservábamos poco espacio para lamemoria virtual, nos quedábamos con poca memoria para abrir varios programas ytrabajar con archivos de gran tamaño.

El cuadro de diálogo para configurar la cantidad de memoria virtual en Windows XP

A partir de Windows 95 este problema fue resuelto con la adopción de un archivo deintercambio dinámico, que iba aumentando o disminuyendo de tamaño en consonan-

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cia con la necesidad de memoria, evitando el desperdicio de espacio en disco que te-níamos en las versiones anteriores del sistema Windows. A partir de la primera ver-sión de Windows 95, también existió una administración más racional de los recursosdel sistema, situando los archivos usados con más frecuencia en la memoria RAM (omemoria caché, dependiendo de la importancia del archivo), y sólo dejando los archi-vos menos usados medida en el archivo de intercambio. Esta medida disminuyó bas-tante la pérdida de rendimiento derivada del uso de la memoria virtual.

En Windows 2000/XP es posible determinar un valor inicial y un valor máximo parael archivo de intercambio. En el caso de Linux, a fin de mejorar el rendimiento, los desa-rrolladores optaron por crear un sistema de archivos propio para la memoria virtual.

La multitareaMultitarea significa ejecutar más de una tarea a la vez. A pesar de que en la vida realno es muy fácil hacer dos cosas al mismo tiempo, desde el punto de vista de un orde-nador este proceso es relativamente simple. Todas las aplicaciones son cargadas en lamemoria RAM y el procesador ejecuta algunas instrucciones de cada aplicación a lavez. Como el procesador es capaz de ejecutar varios millones de instrucciones porsegundo, este cambio es hecho de manera transparente, como si las aplicaciones seestuvieran realmente ejecutando al mismo tiempo. Mientras el procesador se dedica auna aplicación, las demás quedan paralizadas, esperando su turno.

La memoria protegidaUsando el recurso de la multitarea casi siempre tendremos varias aplicaciones carga-das en la memoria, ya sea en la memoria RAM o en el archivo de intercambio. Si noexistiese ningún control por parte del procesador, una aplicación podría expandir suárea de memoria, invadiendo áreas de otras aplicaciones y causando bloqueos en elequipo.

Un editor de imágenes, por ejemplo, necesita ocupar más memoria conforme las imá-genes se van abriendo, creando o modificando. Sin ninguna orientación por parte delprocesador, se ocuparían las áreas adyacentes, que podrían estar vacías u ocupadaspor otra aplicación.

Para solucionar el problema fue desarrollado el recurso de la protección de memoria,que consiste en que el procesador aísla el área de memoria ocupada por cada aplica-ción, impidiendo que se ocupen las otras áreas sin ton ni son. Si, por casualidad, elprograma necesita más memoria, el propio procesador irá a buscar un área vacía dememoria y ordenará a la aplicación que ocupe el área reservada.

Existen dos tipos de multitarea, denominadas multitarea preventiva y multitarea coo-perativa, que difieren justamente por el uso o no de la memoria protegida. Windows3.x, a pesar de ser considerado un sistema operativo multitarea, no era capaz de usarel recurso de la protección de memoria. En sus distintas versiones se usaba la multi-

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tarea cooperativa, que consiste en que cada aplicación use los recursos del procesadoren un determinado espacio de tiempo y esperar nuevamente, mientras el procesadorse dedica a otra aplicación, a que llegue su turno para continuar ejecutando sus tareas.En este caso, la alternancia entre los distintos programas no es comandada por el sis-tema y sí por las propias aplicaciones. Con este escenario, una aplicación sin controlpodría monopolizar el sistema consumiendo todos los recursos del procesador por unlargo espacio de tiempo o, peor todavía, ocupando áreas de memoria ya ocupadas porotras aplicaciones, causando uno de los famosos errores GPF (General Protection Falto error de protección general) que tanto atormentaban a los usuarios de las versionesde Windows 3.x.

Las versiones de Windows 95/98 usaban la multitarea preventiva, aislando las áreasde memoria ocupadas por las distintas aplicaciones en uso. Esto garantiza una mayorestabilidad que la que teníamos en Windows 3.11. Sin embargo, el modo de la multi-tarea preventiva implementada en Windows 95, así como en Windows 98 y WindowsMillennium, que están basados en el mismo kernel (núcleo) de Windows 95, aún teníados graves problemas. El primero es que, cuando se ejecutaba un programa de 16 bits,Windows 95 pasaba a usar la multitarea cooperativa para poder ejecutar el programadejando de proteger las áreas de memoria y volviéndose tan vulnerable comoWindows 3.11.

Sin embargo, usando sólo aplicaciones de 32 bits los bloqueos también eran usuales,pues en Windows 95, los servicios del sistema no tenían prioridad sobre las aplicacio-nes. Esto significa que en el caso de que una aplicación entrase en un bucle, podía con-sumir todos los recursos del procesador y, en este caso, el sistema operativo se queda-ba paralizado, sin saber cómo cerrar la aplicación y restaurar el sistema, obligando alusuario a reiniciar el equipo y perder el trabajo que no hubiese guardado. En realidad,se suele decir que Windows 95/98 utilizaban la multitarea semipreventiva, pues noutilizaban todos los recursos de una verdadera multitarea.

La solución a este problema llegó con Windows NT. Desde sus primeras versiones,Windows NT ya era muy estable en este aspecto, pues implementaba la multitareapreventiva de forma completa. Las tareas ejecutadas por el sistema operativo eranprioritarias sobre las de cualquier otra aplicación. Esto significaba que en ningunasituación, una aplicación podía pasar por encima del sistema operativo y consumirtodos los recursos del procesador como acontecía en Windows 95/98. En la práctica,significaba que el sistema también se podía bloquear debido a algún bug, pero si unaaplicación se bloqueaba o intentaba invadir un área de memoria no correspondiente aella, simplemente se cerraba, permitiendo que todas las demás aplicaciones continua-sen trabajando sin problemas.

Windows 2000/XP están basados en el kernel de Windows NT y mantienen el mismosistema de funcionamiento. Al haber derivado de Unix, Linux utiliza la multitareapreventiva desde sus primeras versiones y, por ello, Linux es considerado uno de lossistemas más estables, siendo usado en los servidores más importantes del planeta.

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El modo virtual 8086A pesar de que operando en modo real el procesador es totalmente compatible concualquier programa antiguo, sería imposible ejecutar una aplicación en modo realsobre Windows 95/98 o cualquiera otro sistema operativo que utilice el modo prote-gido. Sería necesario cerrar Windows y hacer que el procesador volviese al modo realpara poder ejecutar la aplicación.

Pensando en esta posible limitación, los desarrolladores de la casa Intel idearon elmodo virtual 8086, en el que el procesador, operando en modo protegido, era capazde simular varias situaciones de modo real, cada una con 1 MB de memoria y totalacceso al hardware del equipo, conocidas por máquinas virtuales. Es como si dentrodel 386 se abriesen varios XT completos, uno para cada programa ejecutado en modoreal. Es justamente el modo virtual 8086 lo que permite abrir ventanas de DOS enWindows. Como el procesador continúa en modo protegido, cada máquina virtualtiene su área aislada en la memoria y el programa se ejecuta sin perjudicar la estabili-dad del sistema.

3.2.6 El 486El 386 fue el primer procesador que llevaba el conjunto de instrucciones x86, que sonsoportadas por todos los procesadores modernos. A partir del 386, surgieron variasmejoras, pero sólo en términos de rendimiento.

Un procesador 486DX2 de la casa AMD

A pesar de no traer nuevas instrucciones, el 486 conquistó un lugar en la historia delos procesadores por llevar varios recursos que todavía continúan siendo usadosen los procesadores actuales. En primer lugar, el 486 fue el primer procesador que lle-vaba la memoria caché integrada. Sólo eran 8 KBytes, pero eran capaces de entregardatos en cada ciclo del procesador. Como los fabricantes continuaron incluyendo lamemoria caché en la placa base, un poco más lenta pero en mayor cantidad, surgió ladistinción entre la memoria caché L1 y L2.

Otra evolución fue el coprocesador aritmético. En lugar del carísimo componente quedebía adquirirse de forma separada, el coprocesador pasó a ser un componente de

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serie del procesador. Éste fue el impulso que faltaba para la popularización de variosprogramas y el surgimiento de juegos muy elaborados. Con todas estas mejoras, un486 era casi dos veces más rápido que un 386 de la misma frecuencia. En algunas apli-caciones que dependían del coprocesador aritmético en gran medida, un 486 llegabaa ser 10 veces más rápido que un 386.

Como ya hizo anteriormente con el 386, la casa Intel creó un 486 de bajo coste llama-do 486SX. Con la aparición del 486SX, el 486 original pasó llamarse 486DX. Los doscompartían la misma arquitectura, pero el 486SX venía sin el coprocesador aritmético,lo que lo hacía mucho más lento en las aplicaciones gráficas y científicas. Para losusuarios del 486SX existía la opción de comprar el 487SX, un coprocesador aritméticoque se vendía por separado.

Salieron al mercado versiones del 486 que trabajaban a 25, 33 y 40 MHz. Sin embargo,se creó un tope pues no existían circuitos de apoyo capaces de trabajar a más de unos40 MHz. Para solucionar ese problema fue creado el recurso de la multiplicación dereloj, a través del cual el procesador trabajaba internamente a una velocidad mayorque la que utilizaba la placa base. Entonces, se lanzaron al mercado los procesadores486DX2 (que trabajaban al doble de la frecuencia de la placa base) e, inmediatamentedespués, los 486DX4 (que trabajaban al triple de la frecuencia de la placa base). Conesto, surgieron también las placas base ampliables, que permitían actualizar el proce-sador con sólo configurar algunos jumpers de la misma placa.

Un procesador 486DX4 que trabajaba a 100 MHz

Los procesadores 486, a partir del 486DX a 33 MHz fueron los primeros en utilizar unventilador; hasta entonces se incorporaban disipadores con menos de un centímetrode altura. Conforme los procesadores pasaron a producir cada vez más calor, los ven-tiladores fueron creciendo en la misma proporción, hasta llegar a los que podemos veren la actualidad.

La multiplicación de relojEn cualquier ordenador, los datos son transmitidos y procesados en forma de señaleseléctricas. El procesador es muy pequeño, ya que no mide más de 1 o 1,2 centímetros

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cuadrados. La placa base, por su parte, es bastante mayor. Gracias a esta diferencia deproporciones, es más fácil desarrollar un procesador capaz de operar a 2 GHz que unaplaca base capaz de acompañarlo en velocidad. A pesar de que las señales eléctricasrecorren los circuitos a una velocidad muy cercana a la velocidad de la luz, estamoshablando de billones de transmisiones por segundo.

El recurso de la multiplicación de reloj surgió para evitar que los procesadores se que-dasen limitados a la frecuencia de la placa base. Por ejemplo, en un Pentium III a 800MHz, la placa base sólo trabaja a 100 MHz. El multiplicador es de 8x.

Diagrama de funcionamiento de un procesador 486

Hoy en día, los procesadores llevan memorias caché L1 y L2 integradas, trabajando ala misma frecuencia que el resto del procesador, lo que disminuye mucho la depen-dencia de la velocidad de la memoria RAM, que siempre opera a la misma frecuenciaque la placa base. Aún así, cuanto mayor sea el multiplicador, mayor será la pérdidade rendimiento. Un buen ejemplo de esto es una comparación entre el Celeron 766(que usa bus de 66 MHz) y el Celeron 800 (que ya usa un bus de 100 MHz). A pesarde que la frecuencia de operación es casi la misma, el Celeron 800 llega a ser un 20%más rápido, gracias al acceso más rápido a la memoria.

A pesar de sus limitaciones, el recurso de la multiplicación del reloj es indispensableen la actualidad, pues sin él sería imposible desarrollar procesadores más rápidos, yaque no es posible aumentar la frecuencia de las placas base y de los demás periféricosen la misma proporción que en los procesadores. Por ejemplo, si un Pentium III hubie-se tenido que trabajar a la misma frecuencia de la placa base, no hubiésemos pasadode los 100 o 133 MHz.

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En los 486, Pentium, Pentium MMX y K6 era necesario configurar el multiplicadormanualmente, a través de algunos jumpers de la placa base. Pero, a partir del PentiumII la misma placa base es capaz de detectar el multiplicador de forma automática.

PipelineHasta el 386, los procesadores de la familia x86 eran capaces de procesar una sola ins-trucción en cada ciclo de reloj. Una instrucción simple podía ser ejecutada en un sólociclo de reloj, mientras que las instrucciones más complejas tardaban varios ciclos dereloj en ser procesadas.

Para mejorar el rendimiento del 486, la casa Intel decidió usar el pipeline, una técnicainicialmente usada en los procesadores RISC que consiste en dividir el procesador envarios estadios distintos. El 486 poseía un pipeline de 5 niveles, o sea, estaba divididoen 5 estadios. Cuando se cargaba una nueva instrucción, de entrada pasaba por el pri-mer nivel, que trabajaba en ella durante un sólo ciclo de reloj, pasándola al segundonivel. La instrucción continuaba siendo procesada sucesivamente por el segundo, ter-cer, cuarto y quinto nivel del procesador.

El funcionamiento del pipeline de 5 niveles

La ventaja de esta técnica era que el primer nivel no necesitaba quedarse esperandoque la instrucción pasase por todos los demás niveles para cargar la próxima instruc-ción, y así podía cargar una nueva instrucción cuando se liberaba de la primera, o sea,después del primer ciclo del reloj.

Las instrucciones se movían dentro del procesador en el orden en que eran procesa-das. Aunque la instrucción ya se hubiese procesado al pasar por el primer o segundonivel, tenía que continuar su camino y pasar por todos los demás niveles. Si por casua-lidad la instrucción no hubiese sido completada después de pasar por los 5 niveles,volvía a pasar por el primero y era procesada de nuevo hasta que se concluía su pro-

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cesamiento. De esta manera, conseguíamos que el procesador fuese capaz de procesarsimultáneamente, en un único ciclo de reloj, varias instrucciones que normalmentetardaban varios ciclos en ser procesadas.

El uso de los 5 niveles de pipeline en el 486 no llegaba a multiplicar por cinco el ren-dimiento del procesador. En realidad, el rendimiento no llegaba ni a doblarse, pero laganancia era significativa.

3.2.7 El Pentium De la mima manera que el 486, el Pentium era un procesador de 32 bits capaz de acce-der a hasta 4 GB de memoria RAM. Pero el nuevo procesador trajo varias mejoras quelo hicieron mucho más rápido que los de la anterior generación. El Pentium era de un65 a un 100% más rápido que un 486 de la misma frecuencia de reloj. Como el copro-cesador aritmético también fue completamente remodelado, el Pentium tambiénacabó siendo más rápido en las aplicaciones que demandaban un gran número de cál-culos en punto flotante.

Un procesador Pentium

Los procesadores Pentium existieron en versiones de los 60 a los 200 MHz, utilizandosiempre la multiplicación de reloj (sólo con la excepción de las versiones de 60 y 66MHz). Como en la época de los equipos 486, las placas base para los procesadoresPentium (con excepción de las placas más antiguas) soportaban varias frecuencias debus y varios multiplicadores. En la mayoría de los casos era posible configurar la placabase para utilizar cualquier procesador de la familia Pentium.

Mejoras en la memoria caché L1El primer cambio aportado por el Pentium fue el aumento de la cantidad de memoriacaché L1, que pasó a ser de 16 KB, el doble que en el 486. Además de este aumento dela capacidad también le fueron implementados tres nuevos recursos, que consiguie-ron que aumentase la eficiencia de la caché. La primera medida fue la división de lamemoria caché en dos bloques de 8 KB, uno dedicado a almacenar los datos y el otroa almacenar las instrucciones. Esta división permitió que tanto las instrucciones que

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iban a ser ejecutadas por el procesador (comparación, multiplicación, suma, decisión,etc.) como los datos que iban a ser procesados pudiesen accederse en la memoriacaché de forma simultánea, aumentando su eficiencia.

Si, por ejemplo, un programa le ordenaba al procesador que leyese un número alma-cenado en la memoria y verificase si era mayor o menor que 10, nos encontrábamoscon dos instrucciones (leer el número y compararlo con el número 10) y dos variables(el número 10 y el número almacenado). Con una memoria caché unificada, como enel 486, primero se leían las instrucciones y después las variables. En la memoria cachédividida del Pentium, las instrucciones y los datos podían leerse en el mismo ciclo dereloj, ahorrando tiempo.

Otra modificación fue la ampliación del bus de datos entre el procesador y la memo-ria caché. Mientras que en el 486 podían leerse o grabarse hasta 128 bits de datos encada ciclo de reloj, en el Pentium podían leerse o grabarse hasta 256 bits en la cachéde instrucciones y 256 bits más en la caché de datos. Como ambas memorias cachépodían accederse de forma simultánea, teníamos un bus total de 512 bits, cuatro vecesmayor del teníamos en el 486. Este bus más ancho permitía que mayores cantidadesde datos se pudiesen leer a través de la caché en el mismo espacio de tiempo, permi-tiendo a la caché acompañar la mayor velocidad de procesamiento del Pentium.

La última mejora fue la adopción de una caché Write Back, que era capaz de compro-bar las operaciones de lectura de datos en la memoria RAM y las operaciones de escri-tura. La memoria caché usada en el 486 sólo comprobaba las operaciones de lectura,lo que permitía ganar tiempo al procesador en la lectura de los datos, pero no ayuda-ba a la hora de grabar los datos, cuando se perdían varios ciclos de reloj hasta que lamemoria RAM estaba disponible.

El desvío dinámicoDespués de concluir una instrucción y para que el procesador no perdiese un ciclo de

reloj esperando que la memoria caché o la memoria RAM enviasen la próxima instruc-

ción a ser procesada, en el Pentium se incluyó un búfer de extracción previa. Este

pequeño circuito almacenaba las próximas instrucciones que iban a procesarse, for-

mando una especie de fila. En realidad, el búfer de extracción previa funcionaba como

una especie de memoria caché L0, quedándose entre el procesador y la memoria caché

L1. La mayor utilidad de este búfer era la previsión del resultado de las operaciones

en la toma de decisiones. Si, por ejemplo, llegaba al procesador una instrucción como

"Si X > Y entonces Z = K, sino Z = Q" el búfer cargaba tanto la instrucción siguiente

para X < Y como para X > Y, haciendo que fuese el resultado que fuese de la operación

anterior, la próxima instrucción ya estuviese cargada en el búfer.

El búfer de extracción previa también ayudaba a la memoria caché a cargar con ante-lación los datos que el procesador podía necesitar. En el caso del ejemplo anterior, secargarían tanto el valor K como el valor Q en la memoria caché.

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3.1.3 Procesadores RISC y procesadores CISCgaleon.com/ligrosdetec/reparar3.pdf · ordenadores de 8 bits más populares y, al mismo tiempo, poseer un rendimiento supe- rior, debido