miniatura|Intel-i860 Un microprocessador és un processador miniaturitzat fins al punt de fer possible de tenir un únic circuit integrat amb totes o la major part de les seves funcionalitats. Els primers microprocessadors van aparèixer al principi de la dècada del 1970 a les calculadores electròniques, utilitzaven una aritmètica BCD amb paraules de 4 bits. Alguns sistemes encastats utilitzaven microprocessadors de 4 i 8 bits com les terminals, les impressores, diversos tipus d'autòmats, etc. L'aparició dels microprocessadors de 8 bits amb adreçament de 16 bits a preus assequibles van portar a l'aparició del primer microordinador a mitjans de la dècada del 1970. S'encarrega de fer moltes tasques, i es pot considerar el "cervell" de l'ordinador.
Durant força temps els microprocessadors foren construïts amb un ordre d'integració d'uns pocs centenars de transistors. La integració d'una CPU sencera en un únic circuit Circuit integrat a molt gran escala (VLSI) va reeixir a reduir molt el cost del processament. El continuat augment de la capacitat de procés dels microprocessadors va fer possible l'aparició de noves formes d'ordinadors deixant obsolets els anteriors, amb un o més microprocessadors com a element de procés des dels petits sistemes encastats i els ordinadors de butxaca fins als mainframes i els supercomputadors.
Des de l'inici de la dècada del 1970 l'increment de la capacitat de procés dels microprocessadors ha seguit la Llei de Moore, que indicava que la capacitat d'integració dels microprocessadors, el nombre equivalent de transistors, es duplicaria cada 18 mesos. Al final del van començar a aparèixer factors limitadors com la capacitat de dissipació de la calor produïda o el trencament del paral·lelisme entre la capacitat d'integració i la capacitat de procés.
Prestacions miniatura|Imatge d'una versió moderna del microprocessador Intel 4004. Fins al primers anys de la dècada del 1970 els diferents components electrònics que formaven un processador no podien ser a un únic circuit integrat, era necessari utilitzar dos o tres "xips" per tal de fer una CPU (un era l'"ALU"- Arithmetical Logic Unit, l'altre la "Control Unit", l'altre el "Register Bank", etc..). El 1971 la companyia Intel va aconseguir per primer cop de posar tots els transistors que constituïen un processador sobre un únic circuit integrat, el "4004", naixia el microprocessador. miniatura|esquerra|Intel-D4040 miniatura|IBM-PowerPC-601 La miniaturització ha permès:
Augmentar la freqüència de funcionament del processador, atès que les distàncies entre els components són més petites. Reduir el cost en tenir un únic circuit en comptes de diversos. Crear ordinadors força petits: els microordinadors.
Tanmateix, passar certs components a semiconductor no ha estat una tasca mancada de problemes.
Les principals característiques d'un microprocessador són:
El joc d'instruccions que pot executar. Alguns exemples d'instruccions que pot executar un microprocessador serien: sumar dos nombres, comparar dos nombres per tal de determinar si són iguals, comparar dos nombres per tal de determinar quin dels dos és més gran, executar un subprograma. Un processador pot executar diverses dotzenes d'instruccions diferents.
La complexitat de la seva arquitectura. Es mesura pel nombre de transistors continguts al microprocessador. Com més transistors contingui, més instruccions podrà executar en un segon.
El nombre de bits que el microprocessador pot tractar en una instrucció. Els primers microprocessadors no podien sumar nombres de més de 4 bits en una instrucció. Per tant, havien d'executar diverses instruccions per tal de poder sumar nombres de 32 o de 64 bits. Els microprocessadors actuals (2008) poden treballar amb nombres de 64 bits en una única instrucció.
La velocitat màxima de rellotge que admet. El rol del rellotge consisteix a determinar la cadència, el ritme, del treball del microprocessador. A més velocitat de rellotge més instruccions per segon pot completar el microprocessador.
Tot l'anterior és teòric, a la pràctica, segons l'arquitectura del processador, el nombre de cicles de rellotge necessaris per a completar una operació elemental pot variar des d'un fins a diverses desenes per unitat d'execució. Per exemple, un processador a 400 MHz pot ser més ràpid que un altre a 1 GHz, tot dependrà de les seves arquitectures respectives.
La combinació de les característiques precedents determina la potència d'un microprocessador, aquesta potència s'expressa en MIPS (Milions d'instruccions per segon), els processadors actuals (2008) poden completar més de 59.000 milions d'instruccions per segon.
Funcionament Els microprocessadors funcionen segons la cadència que determina un rellotge, un senyal regular ràpid que imposa el ritme de funcionament del circuit i eventualment assegura la sincronització amb altres components com podria ser la memòria. A mitjans de la dècada del 1980 els microprocessadors funcionaven de 4 a 8 MHz mentre que el 2004 la velocitat arribava a 4 GHz als models comercials. Com més gran sigui la velocitat del rellotge més gran serà la velocitat de processament de les instruccions dels programes, però l'augment de la velocitat de rellotge presenta alguns inconvenients a tenir en consideració, a mesura que el processador treballa més ràpid consumeix més electricitat i s'escalfa més.
Els microprocessadors actuals s'han optimitzat per executar més d'una instrucció per cicle de rellotge, es tracta de microprocessadors amb diverses unitats d'execució en paral·lel, a més han estat dotats de sistemes que s'anticipen a les instruccions següents gràcies a l'ajut de l'estadística.
A la cursa per la potència de procés hi ha hagut dos mètodes d'optimització en competició:
La tecnologia de conjunt d'instruccions simplificat (RISC, Reduced Instruction Set Computer), molt ràpida amb les instruccions simples de mida estandarditzada, fàcil de fabricar i que pot augmentar la velocitat de rellotge sense massa dificultats tècniques. La tecnologia CISC (Complex Instruction Set Computer), a la que cada instrucció complexa requereix més cicles de rellotge per se executada però que disposa al seu nucli de moltes instruccions precablejades.
Amb la disminució de la mida dels xips i l'enorme acceleració de les freqüències de rellotge que s'han assolit, la distinció entre RISC i CISC gairebé ha desaparegut. Allà on abans havia famílies de processadors ben diferenciades, avui s'observa que hi ha microprocessadors amb una estructura interna RISC que aporta potència però mantenint la compatibilitat amb una utilització de tipus CISC, en part gràcies a la utilització de memòries cau. En seria un exemple la família Intel x86, que ha fet una discreta transició entre una organització inicial típica CISC cap a un nucli RISC molt ràpid que es recolza sobre un sistema simultani de rearranjament del codi.
Estructura d'un microprocessador La unitat central d'un microprocessador és composta essencialment per:
Una unitat aritmètica i lògica (ALU, Arithmetic logic unit) que s'encarrega de fer les operacions Uns registres que permeten guardar de dades temporalment Una unitat de control que comanda el conjunt del microprocessador en funció de les instruccions del programa
Alguns registres tenen un paper molt especial: El registre indicador d'estat (flags), aquest registre indica l'estat del microprocessador en tot moment, només pot ser llegit El comptador de programa (PC, Program Counter), conté l'adreça de la següent instrucció a executar L'apuntador a la pila (SP, Stack Pointer), és l'apuntador a una zona especial de la memòria denominada pila on hi ha els arguments dels subprogrames i les adreces de retorn.
Només el comptador de programa és imprescindible, hi ha algun processador sense registre d'estat o sense apuntador a la pila
La unitat de control es pot descompondre en: El registre d'instrucció, memoritza el codi de la instrucció a executar El descodificador, que descodifica la instrucció El seqüenciador que executa la instrucció, és qui comanda el conjunt del microprocessador.
Arquitectura El microprocessador té una arquitectura semblant a un ordinador digital ja que ambdós realitzen càlculs sota un programa de control. Conseqüentment, la història de l'ordinador digital ajuda a entendre el microprocessador. A més a més va fer possible la fabricació de potents calculadores i de molts altres productes. El microprocessador utilitza el mateix tipus de lógica que s'utilitza a la unitat processadora central (CPU) d'un ordinador digital. La seva arquitectura es pot dividir en diverses parts:
Encapsulat: Part que envolta la oblia en sí per donar-li consistència, impedir el seu deteriorament (per exemple, per oxidació) i permetre l'enllaç amb els connectors externs que ho acoblaran al seu sòcol de la placa base. Memòria cau o cache: És una memòria ultraràpida que utilitza el processador per a tenir abast directe a certes dades que "previsiblement" seran utilitzats en les següents operacions sense haver d'acudir a la memòria RAM, reduint així el temps d'espera per a l'obtenció de dades. Tots els microprocessadors compatibles amb PC tenen l'anomenada cache interna de primer nivell o L1; és a dir, la que està dins del micro, encapsulada al seu costat. Els micros més moderns (Core i3, Core i5, Core i7, etc.) inclouen també un altre nivell de cache més gran, tot i que menys ràpida, és la cache de segon nivell o L2 i inclús hi ha amb memòria cache de nivell 3 o L3. Coprocessador matemàtic: És la part del micro especialitzada en els càlculs matemàtics. Antigament estava a l'exterior del processador en un altre xip però avui en dia aquesta part és considerada com una part "lògica" juntament amb els registres, la unitat de control, la memòria i el bus de dades. Registres: Són bàsicament un tipus de memòria petita amb objectius especials que el micro té disponible per alguns usos particulars. Hi ha diferents grups de registres en cada processador. Un grup de registres està dissenyat per al control del programador i hi ha altres que no són dissenyats per ser controlats pel processador però que la CPU els utilitza en algunes operacions. En total són 32 registres. Memòria: És on el processador troba les instruccions dels programes i les seves dades. La memòria és una part interna de l'ordinador i la seva funció essencial és proporcionar un espai d'emmagatzematge per al treball que s'està duent a terme. Ports: És la manera en que el processador es comunica amb el mon extern. Un port és anàleg a una línia de telèfon. Qualsevol part del circuit de l'ordinador amb el qual el processador necessita comunicar-se té assignat un "número de port" que el processador utilitza com si fos un número de telèfon per a trucar circuits o parts especials.
Història + Evolució del nombre de transistors als microprocessadors Processador Nombre de transistors Any Fabricant Intel 4004 2300 1971 Intel Intel 8008 2500 1972 Intel Intel 8080 4500 1974 Intel 6502 5000 1975 MOS Technology Intel 8088 29.000 1979 Intel Motorola 68000 68.000 1979 Motorola Intel 80286 134.000 1982 Intel Intel 80386 275.000 1985 Intel Intel 80486 1.200.000 1989 Intel Pentium 3.100.000 1993 Intel AMD K5 4.300.000 1996 AMD Pentium II 7.500.000 1997 Intel AMD K6 8.800.000 1997 AMD Pentium III 9.500.000 1999 Intel AMD K6-III 21.300.000 1999 AMD AMD K7 22.000.000 1999 AMD Pentium 4 42.000.000 2000 Intel Itanium 25.000.000 2001 Intel Barton 54.300.000 2003 AMD Intel Pentium M 77.000.000 2003 Intel AMD K8 105.900.000 2003 AMD Itanium 2 220.000.000 2003 Intel Itanium 2 (9 MB Cache) 592.000.000 2004 Intel Cell 241.000.000 2006 Sony/IBM/Toshiba Core 2 Duo 291.000.000 2006 Intel Core 2 Quad 582.000.000 2006 Intel G80 (GPU) 681.000.000 2006 NVIDIA Power6 789.000.000 2007 IBM Dual-Core Itanium 2 1.700.000.000 2006 Intel