Explorando el Procesador Intel Pentium: Arquitectura, Rendimiento y Punto Flotante

Evolución de Procesadores Intel

La línea de procesadores Intel ha evolucionado significativamente a lo largo de los años, pasando por modelos clave como:

• 8086
• 80286
• 80486
• Pentium (sucesor del i486, a veces referido como 586)

El Procesador Pentium

Características Clave

• Permite la ejecución de dos instrucciones simultáneamente (arquitectura superescalar).
• Sigue el modelo de los procesadores 386/486, añadiendo unas pocas instrucciones adicionales pero sin nuevos registros programables para el usuario estándar.
• La mejora más significativa sobre el 486 se encuentra en la unidad de punto flotante (FPU). Esta unidad fue una prioridad para Intel, en parte para competir en el mercado de Windows NT con los procesadores RISC.
• El Pentium presenta un incremento de hasta 5 veces en el rendimiento de punto flotante comparado con el diseño del 486.

Arquitectura Superescalar y Saltos

Los aspectos superescalares del Pentium dependen de su doble vía de ejecución (pipeline). Los procesadores superescalares permiten que se ejecute más de una instrucción por ciclo de reloj.

Un desafío clave en las arquitecturas con pipeline son las instrucciones de salto:

• Salto Incondicional: Siempre lleva el flujo de la instrucción a una nueva dirección de destino y siempre se ejecuta.
• Salto Condicional: El flujo del programa puede desviarse o no según los resultados de una comparación o código de condición. Puede incluir varios tipos de instrucciones. Cuando no se ejecuta un salto condicional, el programa sigue ejecutando la próxima instrucción de la secuencia.

Muchos programas contienen entre un 10% y un 20% de instrucciones de salto condicional y hasta un 10% de saltos incondicionales. El porcentaje de veces que se ejecuta un salto condicional varía, pero promedia alrededor del 50%. Las instrucciones de bucle (loop) o repetición hacen que se tomen saltos condicionales frecuentemente (hasta el 90% del tiempo en algunos casos). Un buen sistema de predicción de saltos escogerá las trayectorias correctas más del 80% del tiempo, minimizando las paradas en el pipeline.

Ejecución de Punto Flotante en el Pentium

Se reconstruyó por completo la unidad de punto flotante (FPU) respecto a la de los 386 y 486, incorporando características inspiradas en RISC.

• Posee ocho etapas de pipeline, compartiendo las cinco primeras con la unidad de enteros.
• Cumple con la norma IEEE 754.
• Utiliza algoritmos más rápidos y aprovecha la arquitectura con vías para lograr mejoras de rendimiento de entre 4 y 10 veces, dependiendo de la optimización del compilador.

Pipeline (Cauce de Instrucciones)

Niveles de Pipeline

El pipeline divide la ejecución de una instrucción en etapas secuenciales:

• Nivel 1 (Conceptual): Las instrucciones entran en el cauce y se ejecutan secuencialmente.

LDA -> MUL -> SUM

Nivel 2 (Etapas Básicas - Ejemplo con LDA):

Instrucción: LDA
Etapa:      Fetch -> Decode -> Execute
            (Buscar) (Decodificar) (Ejecutar)

Nivel 3 (Ejecución Superpuesta): Múltiples instrucciones están en diferentes etapas simultáneamente. Mientras LDA está en la etapa Decode (D), MUL puede iniciar la etapa Fetch (F).

Tiempo 1: Fetch(LDA)
Tiempo 2: Decode(LDA)  Fetch(MUL)
Tiempo 3: Execute(LDA) Decode(MUL)  Fetch(SUM)

Canal de Transmisión del Pentium

El Pentium utiliza múltiples canales o pipelines (específicamente, dos principales para instrucciones de enteros) para procesar instrucciones en paralelo, lo que fundamenta su naturaleza superescalar.

Aritmética de Punto Flotante

Representación IEEE 754 (32 bits - Precisión Simple)

El estándar IEEE 754 define cómo se representan los números de punto flotante en binario.

Ejemplo conceptual de componentes (datos del usuario):

1350 = +0.1350 x 10^+4 (Notación científica decimal, no directamente IEEE 754)

La estructura general en 32 bits es:

Componente	Bits	Ejemplo Decimal (Usuario)	Ejemplo Binario (Usuario)
Signo	1	0 (+)	0
Exponente	8	4 (del ejemplo 10^+4)	0100 (incompleto/incorrecto para IEEE 754)
Mantisa	23	135 (del ejemplo 0.1350)	10000111 (incompleto/incorrecto para IEEE 754)

Nota: Los valores binarios del ejemplo proporcionado por el usuario no corresponden a la representación estándar IEEE 754 para el número 1350. La representación correcta requiere normalización binaria y ajuste del exponente con un sesgo (bias).

• Bit de Signo: 0 para positivo (+), 1 para negativo (-).