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Actualidad en los procesadores RISC utilizados por micros dedicados.

Hasta hace algunos años podíamos clasificar a los micros comerciales en cuatro categorías: chips monopastilla, 8 bit, 16 bit y 32 bit. El chip monopastilla por excelencia era el 6301Y, de 8 bit y frecuencia típica de 8 MHz. Los 8 bit de gama alta iban dotados del 6502 a diferentes frecuencias, siendo la más común 5 MHz. Los modelos más rápidos corrían a 10 MHz y, si se les dotaba de Turbo Kit, llegaban a 16/18/20 MHz. Los 16 bit contaban con el 68000, que alcanzaba frecuencias de 20 MHz. Los 32 bit estaban basados en el 68020 a 12, 16 y 20 MHz. Más tarde, cuando los precios lo permitieron, salieron versiones de micros dedicados con el 68030 y con el 68040, pero su elevado precio de venta situaba a estos micros fuera del alcance de la mayoría de aficionados.

En 1990, la firma TASC BV comenzó a trabajar en un micro dedicado basado en tecnología RISC que salió a la venta como tarjeta ISA para PC IBM compatibles. Posteriormente salió a la venta como micro dedicado con tablero autosensorial de madera. Los procesadores RISC utilizan un  juego de instrucciones muy reducido que les permite una ejecución más rápida y eficiente que los complejos conjuntos de instrucciones de los Motorola 680x0 y los Intel 80x86. TASC optó por el modelo ARM2 que, inicialmente, corría a 14 MHz. Con este procesador se tenía una potencia de cálculo similar a la de un 68020/20MHz pero con un coste inferior. Su capacidad se estima en 4 MIPS (millones de instrucciones por segundo) que equivale a un 68020/20Mhz o a un 80386/33MHz. Posteriormente se utilizó una versión del ARM2 a 32 MHz, que obtenía una potencia de cálculo superior a un 68030/20MHz pero con una diferencia de precio todavía mayor que el caso anterior.

En fechas similares, el matrimonio Spracklen (autor de los programas de Fidelity Electronics) preparaba un modelo basado en el procesador Sun Sparc para la firma Saitek. Hasta ese momento habían trabajado para el 6502 y 680x0, pero habían decidido dar el salto hacia lo que parecía ser la tendencia futura.

Tras estos trabajos, comenzaron a aparecer unos modelos muy interesantes de la firma Saitek que obtenían un buen rendimiento con un precio de venta muy ajustado. Eran los modelos GK2000 y GK2100, programa de Frans Morsch (autor de Fritz) y un procesador muy interesante, el Hitachi H8. Al poco tiempo, Novag también presentó su modelo Ruby con el H8.

Hitachi semiconductors posee una gama muy amplia de procesadores RISC de alto rendimiento y bajo coste. La práctica totalidad de los micros dedicados que actualmente hay a la venta cuentan con un procesador de Hitachi. Todos ellos son RISC y algunos del tipo conocido como "monopastilla". Esto es debido a que realmente sólo hay una "pastilla" y poco más en todo el cicuito impreso. En efecto, si nos tomamos la molestia de examinar el interior de una Novag Sapphire, por ejemplo, sólo encontraremos la electrónica necesaria para el display LCD, un chip de memoria (las Hash Tables, supongo) y el H8. Esto contrasta con la antigua arquitectura de pastilla de ROM, RAM, procesador, chips de manejo de RAM, LCD, teclado, etc. La clave está en que el H8 integra ROM, RAM, controladora LCD, interfaz con RAM y SDRAM externa, y otros muchos de los elementos necesarios para implementar cualquier microcomputador. Además, se eliminan cableados y diseños complejos abaratando costes. Otra ventaja es que los tiempos de acceso a memoria disminuyen considerablemente.

Además del H8, Hitachi ofrece la familia SuperH (SH) de 32 y 64 bit con unos rendimientos realmente elevados, llegando a las 360 MIPS en los modelos punteros. Por ejemplo, la consola Sega Dreamcast monta uno de estos procesadores SH de gama alta para poder ofrecer los gráficos y velocidad de proceso que a todos asombra. A continuación, vamos a ver una descripción más detallada de estas dos familias de procesadores.

Hitachi H8

La familia H8 se divide en 2 subfamilias:

H8 de 8 bit

Hitachi H8/300L: Procesador 8 bit compatible con el núcleo de la serie H8/300 pero con bajo voltaje y bajo consumo. Direcciona hasta 64 Kbytes de memoria. Es el modelo más básico y de menos rendimiento de la familia. Su velocidad máxima es de 5 MHz a 5V o 2,5 MHz a 3V, aunque el modelo H8/3644 también admite 5 MHz a 3V. Integra 8, 12, 16, 24 o 32 Kbyte de ROM y 0,5 o 1 Kbyte de RAM.

Hitachi H8/300: Se trata del modelo más extendido de este procesador. Cuenta con un juego de 75 instrucciones de alta velocidad. Es un procesador de 8 bit que puede funcionar a 10 MHz (3V) o a 16 MHz (5V). Es capaz de direccionar hasta 64 Kbytes de memoria externa e integra 1 ó 2 Kbytes de RAM según modelos (H8/3434 y H8/3437). El H8 es un procesador que puede funcionar a 8 bit, 16 bit o 32 bit según convenga. Esta subfamilia no admite registros de 32 bit, pero sí de 8 bit o 16 bit. El procesador tiene inicialmente 16 registros de 8 bit que pueden configurarse como 8 registros de 16 bit. Aquí hay que matizar, ya que el H8/300 es realmente un 8 bit que admite procesar algunas operaciones en 16 bit. Por ejemplo, la suma de registros se hace en 8 o 16 bit, la multiplicación de registros sólo en 8 bit y la división debe ser de la forma "registro de 16 bit entre registro de 8 bit". Con esto se consigue tener un procesador más capaz que un 8 bit puro, pero a un coste muy reducido. Integra una memoria ROM (Flash ROM, PROM o Masked ROM) de hasta 60 Kbytes (32 o 60 si es el H8/3434 o el H8/3437).

Hitachi H8S/2100: Esta subfamilia se caracteriza por integrar 128 Kbytes de Flash ROM y 4 Kbytes de RAM. Realmente pertenece a la subfamilia H8S de 16 bit, pero se han adaptado 2 modelos para procesar código de 8 bit. Por este motivo, cuenta con características más avanzadas que la serie H8/300L y H8/300. Posee un bus de datos externo de 8/16 bit y corre a 20 MHz o 10 Mhz según sea el voltaje de 5 o 3 V. También integra soporte para comunicación por infrarrojos (IrDA 1.0) y es capaz de direccionar hasta 16 Mbytes de RAM externa.

H8 de 16 bit

H8/300H: Esta subfamilia cuenta con procesadores a 16, 17 y 18 MHz a 5V o 10 y 13 MHz a 3V. Hay modelos sin ROM integrada (H8/3001-5) preparados para manejar memoria externa mediante interfaces EPROM, DRAM o SRAM; pero con 4, 2.o 0,5 Kbytes de RAM interna. Otros modelos integran 16, 32, 48, 64, 96, 128 o 256 Kbytes de ROM en el chip, además de 4, 2 o 0,5 Kbytes de RAM. Direcciona hasta 16 Mbytes de RAM externa. Esta subfamilia admite ciertas operaciones aritméticas en 32 bit, pero no se le puede considerar un procesador de 32 bit ya que no puede procesar código de 32 bit, sólo de 16 bit. Igual que el H8/300, el H8/300H también puede procesar ciertas instrucciones de 8 bit.

H8S/2000: Es la subfamilia más capaz de la serie H8. Integra 32, 64 o 128 Kbytes de ROM y 2, 4 y 8 Kbytes de RAM según modelos. Su frecuencia de proceso es de 20 MHz a 5V y de 10/13 MHz a 3V. El resto de características son iguales a la serie H8/300H salvo en los interfaces de memoria externa, siendo soportados los siguientes: EPROM, Burst ROM, SRAM y DRAM. También soporta SmartCard.

HITACHI SH7xxx

La serie SuperH apareció en 1993 de la mano de la familia SH-1. En 1994 se lanzaron las familias SH-2 y SH-3. Más tarde se completó la serie con las variantes SH-3E y SH-DSP. Llegados a este punto, Hitachi firmó un acuerdo de cooperación tecnológica con ST Microelectronics. De esa alianza nacío, en 1996, la familia SH-4 y, muy recientemente en 1999, la SH-5. Todas las familias, salvo la nueva SH-5, son procesadores RISC de 32 bit

SH-1: Esta familia incluye todos los modelos del tipo SH70xx. Son procesadores de 32 bit capaces de ejecutar una instrucción completa por ciclo de reloj. La serie SH-1 puede correr a 20 Mhz (5V) o a 12,5 MHz (3.3V), que supone 20 y 12,5 MIPS respectivamente. Todos los modelos incluyen un juego de instrucciones RISC optimizado para el lenguaje C. Todos los modelos están fabricados con tecnología de 0,8 micras y pueden direccionar hasta 32 Mbytes de memoria externa. Existen 8 versiones, pero veamos las principales:

SH7020: Integra 16 Kbyte ROM y 1 Kbyte RAM. Unidad de multiplicación y acumulación de 16 bit por hardware. Rutas internas de 32 bit y externas de 16 bit. Instrucciones fijas de 16 bit y optimizadas para C. Soporta acceso a memoria externa con los interfaces PSRAM, DRAM, ROM y periféricos I/O.

SH7021: Igual que el modelo anterior con la excepción de integrar una ROM/EPROM de 32 Kbytes.

SH7032: No integra ROM, pero la RAM se le ha aumentado a 8 Kbytes. Posee rutas internas y externas de 32 bit. También integra una unidad de multiplicación y acumulación que es capaz de realizar la operación en 2-3 ciclos de reloj. Soporta memoria externa a través de PSRAM, DRAM, ROM y periféricos I/O.

SH7034: Mismas características que el modelo anterior exceptuando la cantidad de memoria integrada. Cuenta con 64 Kbytes de ROM y 4 Kbytes de RAM. Este procesador es el que incorporan los modelos Mephisto Milano Pro, Senator, Atlanta y Magellan.

SH-2: Para aumentar el rendimiento, Hitachi añadió una unidad de multiplicación y acumulación de 32 bit junto a una unidad de división. Hay 19 versiones en total, 16 normales y 3 con chip DSP (procesamiento de señales digitales). Integran hasta 512 Kbytes de Flash ROM, pueden direccionar hasta 128 Mbytes de RAM y hay versiones con caché para instrucciones y datos de hasta 4 Kbytes. Están fabricados con tecnología de 0,8 micras y funcionan a 5V y 3,3V con frecuencias de 16, 20, 18, 33 y 66 MHz, llegando a procesar entre 20 y 78 MIPS. Las versiones SH-DSP integran hasta 256 Kbytes de Flash ROM y una unidad DSP de 16 bit.

SH-3: Esta familia tiene 8 modelos en total, incluyendo un SH3-DSP. Están fabricados con tecnología de 0,5 micras. Poseen hasta 16 Kbytes de cache y un bus para datos externos de 8/16/32 bit. Pueden direccionar hasta 448 Mbytes de memoria externa. Cuenta con una unidad de multiplicación y acumulación de 32 bit, una unidad de gestión de memoria, gestión dinámica de consumo y reloj de tiempo real. Corre a 45, 60, 66, 100 y 133 MHz obteniendo rendimientos entre 45 y 178 MIPS según versiones. Soporta interfaces PCMCIA, IrDA 1.0, SmartCard e interfaces serie JTAG y PLL. La versión SH3-DSP corre a 66/133 MHz e incluye 16 Kbytes de cache y una unidad DSP de 16 bit. Es capaz de alcanzar las 168 MIPS.

SH-4: Esta es la más moderna familia de la saga SuperH, fabricada con tecnología de 0,35 micras y con alimentación del núcleo a 1,8V. Existen dos versiones con 16 Kbytes de cache para datos más 8 Kbytes para instrucciones, bus de datos externos de 64/32/16/8 bit, espacio de direccionamiento de 2 Gbytes de memoria externa y una unidad de multiplicación y acumulación de 32 bit. Corre a 167 y 200 MHz y posse una nueva unidad de cálculo en coma flotante con gráficos de vectores de 128 bit optimizada para cálculo 3D. Esta unidad alcanza los 7 millones de polígonos por segundo. El SH-4 alcanza las 360 MIPS. Este procesador es el que equipa a la Sega Dreamcast, para que nos hagamos una idea de su capacidad. Estaría bien ver a una Magellan o a una Sapphire II corriendo con este chip. El SH-4 soporta interfaces ROM, SRAM, DRAM, SDRAM para acceso a memoria externa. También soporta la conexión de tarjetas PCI.

SH-5: Esta familia todavía no está en producción. Hasta ahora sólo conocemos datos preliminares, que no dejan de ser apabullantes. Se comenzará a fabricar durante el cuarto trimestre del año 2000 y la producción en volumen se espera para mitad del año 2001. Se fabricará utilizando tecnología de Cobre a 0,15 micras y 1,5V de alimentación del núcleo. Correrá a 400 MHz y alcanzará entre 700 y 1000 MIPS. La familia SH-5 tiene un núcleo de 64 bit, una unidad multimedia de 64 bit con instrucciones SIMD (compatibles con el Pentium III) 32 Kbytes de cache de datos, 32 Kbytes de cache de instrucciones, unidad de gestión de memoria, unidad de cálculo en coma flotante de 128 bit, conectividad con periféricos, opción de  DRAM o Flash ROM.

Una vez vistas sus características, sólo añadir que Hitachi garantiza la compatibilidad "hacia arriba" entre el código programado para cualquier SH7xxx, lo que es una estupenda noticia. Los procesadores de Hitachi copan el mercado de micros dedicados hoy por hoy. La razón la desconozco, pero debe tratarse de un problema estrictamente económico. El precio de un SH-4 a 200 MHz es de 40 US$ a partir de 10.000 unidades. No quiero imaginar lo que cuesta un SH-1 como el que utiliza Saitek en sus modelos. ¿Por qué nos toman el pelo de esta forma los fabricantes? Están utilizando un procesador de 1993 teniendo en el mercado chips más potentes y compatibles con el ya utilizado por un coste muy poco mayor que, estoy seguro, los aficionados pagarían de buena gana para poder tener un micro más potente. Luego tenemos el caso de Novag. ¿Por qué sigue utilizando el H8 en sus modelos punteros teniendo las series SH que darían más potencia de cálculo a sus micros? En fin, los misterios de la estrategia de producto.

Además de los Hitachi hay otro fabricante que opta por el suculento mercado de los chips RISC de bajo coste. No es otro que Intel. Actualmente, Intel tiene dos líneas de procesadores: los i960 y los StrongARM. Ambos son muy potentes en sus campos respectivos. Veamos estas familias de procesadores con un poco más de detalle.

Intel i960

El 80960, conocido como i960, es un procesador RISC de 32 bit orientado a realizar tareas de I/O para descargar a las CPUs principales o a realizar cualquier tarea susceptible de encargar a un procesador RISC de bajo coste. Su precio medio oscila sobre los 7 US$ a partir de 10.000 unidades. En la familia i960 encontramos los siguientes modelos: 80960CA, 80960CF, 80960JA, 80960JF, 80960JD, 80960JT, 80960HA, 80960HD y 80960HT. Hay más, pero los citados son los más modernos y representativos. Las diferencias con los no citados son muy poco apreciables y alargarían la descripción de forma innecesaria..

i960CA: Corre a 33 MHz, integra 1 Kbyte de RAM, 1 Kbyte de cache para instrucciones, un núcleo superescalar y un bus externo a 33 MHz. Tiene un bus demultiplexado y procesa 6 MIPS.

i960CF: Corre a 40 MHz, posee 1 Kbyte de cache para datos y 4 Kbyte de cache para instrucciones. Tiene un bus demultiplexado y un núcleo superescalar. Procesa 16 MIPS.

i960JA: Tiene un núcleo escalar y capacidades de bajo consumo. Integra 1 Kbyte de cache para datos y 2 Kbytes de cache para instrucciones. Corre a 33 MHz. Procesa 10 MIPS.

i960JF: Igual que el modelo anterior salvo la memoria cache, que es de 4 Kbytes para instrucciones y 2 Kbytes para datos. Procesa 12 MIPS.

i960JD: Igual que el i960JF pero corre a 66 MHz. Procesa 18 MIPS.

i960JT: Igual que i960JD pero aumenta la cache a 16 Kbytes para instrucciones y 8 Kbytes para datos. Además, se aumenta su velocidad a 100 MHz. Procesa 30 MIPS.

i960HA: Este modelo cuenta con 16 Kbytes de cache para instrucciones, 8 Kbytes para datos, bus demultiplexado y núcleo superescalar. Corre a 40 MHz y procesa hasta 50 MIPS.

i960HD: Igual que el i960HA pero corre a 66 MHz. Procesa hasta 100 MIPS.

i960HT: Igual que el i960HD pero corre a 100 MHz. Procesa hasta 166 MIPS.

i960RN : Versión de 64 bit del i960. Corre a 100 Mhz. Se trata de un i960JT a 100 MHz y con un bus interno de 64 bit a 66 MHz. Es capaz de mover datos en memoria a 528 Mbps. Maneja SDRAM a 66 MHz hasta 128 Mbytes. Uso óptimo para hardware RAID.

Intel StrongARM

Esta serie de procesadores ofrecen un rendimiento muy elevado manteniendo un bajo coste de adquisición y un reducido consumo de energía. 

SA-110: Es la primera familia de la serie StrongARM. Cuenta con 16 Kbytes de cache para instrucciones y 16 Kbytes para datos, así como 8 buffers de escritura. Integra una unidad de gestión de memoria y mapea, según modelos, 4/16/1024 Kbytes. Soporta 2 modos de gestión de energía y corre a 100/160/166/200/233 MHz procesando 115/185/192/230/268 MIPS respectivamente. Es totalmente compatible con cualquier aplicación y sistema operativo desarrollado para anteriores procesadores ARM.

SA-1100: Integra 16 Kbytes de cache para instrucciones y 8 Kbytes para datos, 4 buffers de lectura, 8 buffers de escritura, unidad de gestión de memoria, 3 modos de gestión de energía y corre a 133 y 190 MHz. Rinde 150 y 220 MIPS respectivamente. Soporta memoria externa mediante ROM, Flash ROM/RAM, SRAM y DRAM. También integra soporte para 2 zócalos PCMCIA. Puede direccionar, según versiones, 4/64/1024 Mbytes de memoria externa. Hay 2 versiones que no integran los modos de ahorro de energía y que corren a 160 y 220 MHz. Sus rendimientos aumentan a 180 y 250 MIPS respectivamente.

SA-1110: Integra 16 Kbytes de cache para instrucciones y 8 Kbytes para datos, unn unidad de gestión de memoria como la del SA-1100, 8 buffers de escritura y 4 de lectura. Mapea 4/64/1024 Kbytes de RAm a través del bus de memoria compatible con ROM, SMROM, Flash ROM/RAM, SRAM, SRAM-like con I/O a latencia variable, DRAM y SDRAM. También cuenta con una controladora para LCD color/escala de grises, múltiples canales de comunicación serie, soporte de hasta 2 zócalos PCMCIA y puertos I/O de propósito general. Corre a 133 y 206 MHz obteniendo rendimientos de 150 y 235 MIPS respectivamente.

Bien, una vez descritos los diferentes modelos utilizables por fabricantes de micros, la pregunta es: ¿a qué esperan los productores de micros dedicados para dotar a nuestros amigos electrónicos de un cerebro en consonancia con la oferta tecnológica de bajo coste disponible hoy en día?

Para finalizar, veamos una pequeña comparativa de rendimiento entre los diferentes procesadores.

Alvaro Benlloch (Dic/1999)                      Actualizado: 26/03/2000

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