Arquitectura x86 y x64 dos opciones para aplicaciones multitarea

Arquitectura x86 y x64 dos opciones para aplicaciones multitarea
Cyrus Duriez: cyrus_duriezb@hotmail.com
Roosevelt Lindo: rjlindo92@yahoo.com
RESUMEN: En este articulo se describen las
arquitecturas x86 y x86-64 bajo las cuales
están diseñados los microprocesadores.
Primeramente se muestra como se han venido
desarrollando estas arquitecturas a medida que
los microprocesadores han evolucionado a lo
largo del tiempo. Posteriormente se abordan
las características y otros aspectos importantes
de cada arquitectura con el fin de obtener
conocimientos suficientes como para poder
diferenciar apropiadamente entre los
microprocesadores de una arquitectura u otra.
También se hace énfasis en las virtudes de
cada arquitectura con algunas de sus
aplicaciones. Al final se muestra una lista de
microprocesadores construidos en base a
estas arquitecturas.
PALABRAS CLAVES: x86, x64, x86-64,
Procesadores de 64 bits, Arquitectura de
Microprocesadores.
1 INTRODUCCION
X86, x64 es la denominación genérica otorgada
a ciertos microprocesadores y a la arquitectura
a la que pertenecen. Esta arquitectura se
caracteriza porque los microprocesadores
poseen una gran variedad con respecto al
número de bits del bus de datos, esto varia
dependiendo del modelo.
X86 es la familia de procesadores
descendientes del 80386 de INTEL y se
denominan así porque mantienen el mismo set
de instrucciones desde el 8086 al que fueron
agregando nuevas funciones. Cabe destacar
que la arquitectura x86 hace referencia a los
microprocesadores de 32,16 y 8 bits.
Con el pasar del tiempo fueron apareciendo
aplicaciones que demandaban muchos
recursos del procesador y para las cuales la
arquitectura x86 de 32 bits fue insuficiente. Es
aquí donde aparece la arquitectura x64 que en
verdad es la x86-64, como era de esperarse
este arquitectura mostraba muchas ventajas
sobre la x86 pero la mas importante fue su
direccionamiento de 64 bits.
2 DESARROLLO
Para familiarizarnos más con el tema y lograr
entender mejor el contenido de este documento
será necesario hacernos la siguiente pregunta:
¿Qué significa que el microprocesador sea de
16, 32 o 64 bits?
Estos términos (16,32 o 64 bits) hacen
referencia al modo en que el procesador de un
equipo administra la información. Más
concretamente representan la capacidad de
procesamiento de datos entre la memoria RAM
y el procesador.
2.1 Arquitectura x86
2.1.1 Surgimiento
Antes de entrar en lleno a la arquitectura x86
vamos a conocer de manera breve sus raíces,
es decir los principios bajo los cuales se fundo.
El primer indicio para la creación de esta
arquitectura surge en abril de 1972 año en el
que es lanzado al mercado el microprocesador
en un solo chip (lo cual era una eventualidad en
esa época) el Intel 8008, diseñado por la
compañía Intel, este microprocesador tenia un
bus compartido de datos y direcciones de 8bits.

Dos años después, específicamente en 1974
surgió el microprocesador 8080, este
microprocesador no fue desarrollado solamente
por Intel sino que también hubieron otros
fabricantes como: AMD, MITSUBISHI,
NATSEMI, NEC, SIEMENS y TEXAS
INSTRUMENTS. El 8080 brindaba ciertas
ventajas sobre el 8008 las más importantes
fueron las siguientes:
1. Empaquetado de 40 pines.
2. Un bus de dirección de 16 bits y un
bus de datos de 8 bits.
3. Trabaja a una frecuencia de reloj
superior que el 8008.
En el año 1977, Intel lanzo al mercado el
microprocesador 8085, que como era de
esperarse fue superior al 8080, por muchas
razones, las principales fueron:
1. Requería solamente una alimentación
de 5V.
2. Ahorra terminales ya que el bus de
datos y el de direcciones esta
multiplexado.
3. Los registros son programables.
Posteriormente en 1978, Intel comenzó a
comercializar el procesador 8086, un
ambicioso chip de 16 bits potencialmente
capaz de ser el corazón de computadoras
de propósito múltiple. El 8086 se
comercializó en versiones desde 4,77 y
hasta 10MHz.
IBM adoptó al hermano mayor del 8086
(el 8088, un procesador con un bus de
datos interno de 16 bits, pero con el bus
externo de 8 bits, lo que permitía
aprovechar diseños y circuitos para
sistemas de 8 bits) para basarse en él y
lanzar la línea de computadoras más
exitosa de la historia: el IBMPC (1981) y
el IBMXT (eXtended Technology) (1983).
Al 8086 lo sucedió el 80286 en 1982. Este
chip, de 24/16 bits, implementó el modo
protegido de ejecución, sentando las bases
para la aparición de los verdaderos
sistemas multitarea de escritorio. El 80286
apareció a 6MHz, y a lo largo de los años
llegó hasta los 12MHz.
En 1985surge el 80386 el cual fue el primer
microprocesador de Intel de 32 bits, este
microprocesador fue mucho mas fácil de
utilizarlo en aplicaciones multitarea.
Con el pasar de los años se desarrollaron otros
microprocesadores con características de
funcionamiento superiores a las del 80386
como: el 80486 (1989), Pentium I (1993),
Pentium II (1997), Pentium III (1999), y Pentium
4 (2000) todos estos de 32 bits.
2.1.2 Características
La característica más elemental de la familia
x86 es que esta diseñada bajo la arquitectura
Von Neumann, ha como sabemos en este tipo
de arquitectura se utiliza el mismo dispositivo
de almacenamiento para las instrucciones y
para los datos a como se muestra en la figura:
Otras características básicas e importantes son:
1. La arquitectura x86 es de longitud de
instrucción variable, de tipo registro
memoria y diseño CISC.
2. El espacio de direcciones lineal es de
4GB, aunque la memoria física puede
llegar hasta los 64GB en algunos
modelos, con acceso desalineado y
almacenamiento little-endian.
3. Un programa normal dispone de 8
registros de propósito general de 32
bits, 6 registros de segmento de 16
bits, un registro de estado EFLAGS y
un puntero de instrucción EIP, ambos
de 32 bits. Dichos registrosse pueden
acceder desde las operaciones de
propósito general, compuestas por las
instrucciones de aritmética entera, las
instrucciones de control de flujo, las de
operaciones con bits y con cadenas de
bytes, y las instrucciones de acceso a
memoria.

4. Un conjunto de 8 registros de coma
flotante de 80 bits, un conjunto de 8
registros MMX y XMM, de 64 y 128
bits respectivamente, para realizar
operaciones SIMD.
5. Un conjunto de recursos para el
manejo de la pila y la invocación de
subrutinas.
6. El SO dispone además de puertos E/S,
registros de control, de manejo de
memoria, de depuración, de
monitorización, etc.
2.1.3 Modosde funcionamiento:
Modo protegido
Es el modo de funcionamiento normal del
procesador, en el que estándisponibles todas
sus características.
Modo direccionamiento-real
Es un modo de compatibilidad con el
8086, salvo por la capacidad de
cambiar a modo protegido. El
procesador siempre comienza su
ejecución en este modo (tras el
arranque o un reset).
Modo de mantenimiento
Es un modo en el que se entra por una
interrupción del APIC, útil sólo para
labores de mantenimiento del sistema
operativo (manejo del control de
potencia o seguridad).
2.1.4 Los Registros de la CPU
Estos se dedican a almacenar posiciones de
memoria debido a que el acceso a los
registroses mucho más rápido que los accesos
de memoria, también son utilizados para
controlarinstrucciones en ejecución, manejar los
direccionamientos en memoria y
proporcionarcapacidad aritmética. En total hay
14 de estos registros cada uno de los cuales
estápensado principalmente para alguna
función concreta.
Según su funcionalidad estos se dividen en:
Registros de propósito general o de
almacenamiento temporal: Estos son únicos en
elsentido de que se les puede direccionar como
una palabra o como un byte.
AX (Registro Acumulador): Este registro es
usado en operaciones aritméticas como
primeroperando y también como registro de
propósito general a disposición del
programador.
.BX (Registro Base): Se usa principalmente
para indicar posiciones de memoria.CX
(Registro Contador): Puede contener un valor
para controlar el número de veces que unciclo
se repite o un valor para corrimiento de bits.
DX (Registro Dato): Se usa como registro
auxiliar en operaciones aritméticas con
cifrasgrandes y como contenedor de datos a la
hora de usar instrucciones de comunicación
depuertos.
Estos cuatro registros, como los restantes, son
de 16 bits, pero para permitir la realizaciónde
operaciones de tipo byte cada uno de estos
cuatro registros esta dividido en
dossubregistros de 8 bits a los que se puede
acceder de forma independiente. Así, por
ejemploAX esta dividido en AL que son los 8
bits inferiores y AH que son los 8 bits
superiores. Enconsecuencia los demás
registros de propósito general se dividen de la
misma manera.

De esta forma se tiene que todas las
instrucciones ensamblador pueden operar con
datosde 8 y 16 bits dependiendo de lo que se
precise. Cabe aclarar que esta división no
esposible en los demás registros.
Registros de Segmento:
Son cuatro registros de 16 bits los cuales
definen áreas de64Kbits dentro del espacio de
direcciones de memoria. Estas áreas pueden
solaparse total oparcialmente. No es posible
acceder a una posición de memoria no definida
por algúnsegmento: si es preciso, habrá de
moverse alguno.
CS (CodeSegment): Este registro es usado por
el procesador, junto con el registro IP,
paraconocer la ubicación de la instrucción que
esta siendo ejecutada.
DS (Data Segment): Se usa para indicar dónde
están todos los datos del programa que seesta
ejecutando.
SS (StackSegment): En este registro se indica
al procesador dónde esta la zona dememoria
que se usa como segmento de pila, la cual se
utilizara para el almacenamientotemporal de
direcciones y datos.
ES (Extra Segment): Es utilizado como
apuntador de memoria auxiliar en
operacionescomplejas donde se necesitan dos
punteros de datos simultáneos.
Registros Apuntadores o Registros de Pila
La pila es un área de memoria muy importante
la cual cuenta con dos registros de 16 bitscada
uno que se usan como desplazamiento para
apuntar su contenido. Estos son utilizadoscomo
complemento al registro SS.
SP (Stack Pointer): Este registro proporciona un
valor de desplazamiento que se refiere a
lapalabra actual que esta siendo procesada en
la pila.
BP (Base Pointer): Se usa como registro
auxiliar y facilita la referencia de parámetros,
loscuales son datos y direcciones transmitidos a
través de la pila.
Registros Índice
Son utilizados como desplazamientos
complementarios para DS y ES a la hora de
indicar laposición donde se encuentran los
datos a los que se desea acceder.
SI (SourceIndex): Se usa co mo puntero origen
en operaciones de desplazamiento de
datosentre dos zonas de memoria.
DI (DestinationIndex): Utilizado como puntero
de destino en operaciones de
desplazamientode datos entre zonas de
memoria.
Registro de Instrucción
Solo hay uno, el registro IP (Instruction Pointer),
el cual es utilizado por la CPU para conocerla
posición relativa a la base CS donde se
encuentra la instrucción que se esta
ejecutandoen ese momento.Este puntero
cambia automáticamente cada vez que se
ejecuta una instrucción o se realizaun salto a
otro punto del programa a causa de una
instrucción de salto.
Registro Bandera
Este es un registro de 16 bits, de los cuales 9
sirven para indicar el estado actual de
lamaquina y el resultado del procesamiento.
Muchas instrucciones aritméticas y
decomparación cambian el estado de las
banderas y apoyándose de ellas determinan
laacción subsecuente:
Bit0-CF (CarryFlag): Contiene el acarreo de los
bits de mayor orden después de unaoperación
aritmética, también almacena el contenido del
último bit en una operación decorrimiento o de
rotación.
Bit 1: No utilizado.
Bit 2 –PF (ParityFlag): Se pone en 1 cuando
existe paridad en una operación. Bit 3: No
utilizado.
Bit 4 –AF (Auxiliar Flag): Contiene un acarreo
auxiliar del bit 3 en un dato de 8 bits,
paraaritmética especializada. Se pone en 1
cuando existe la necesidad de realizar ajustes
tras una operación de tipo BCD.

Bit 5: No utilizado.
Bit 6 –ZF (Zero Flag): Indica el resultado de una
operación lógica o de comparación.
Bit7–SF (Sign Flag): Contiene el signo
resultante de unaoperación
aritmética (0=positivo 1=negativo).
Bit8 –TF (TrapFlag): Permite la operación del
procesador en modo de depuración (paso
apaso).
Bit 9 –IF (InterruptFlag): Si está a 1, indica que
esta permitida la generación deinterrupciones
externas.
Bit 10 –DF (DirectionFlag): Indica a la CPU
hacia donde se desplazan los punterosrelativos
en operaciones repetitivas de cadenas de
datos. (1=Decremento automático,0=aumento)
Bit.11–OF(OverflowFlag): indica
desbordamiento del bit de mayor orden
después de unaoperación aritmética de
números signados. (1=existe overflow, 0=no
existe overflow)
Bit 12 –15: No utilizados.
2.1.5 La ALU
Es el segundo principal componente de la CPU.
Esta se encarga de realizar las
operacionesaritméticas y lógicas con los datos
que recibe, siguiendo ordenes de la unidad de
control.La ALU se encarga de realizar las
siguientes operaciones:
Operaciones aritméticas como suma,
resta, multiplicación y división.
Operaciones de lógica binaria como
and, or, not, etc.
Operaciones de rotación y
desplazamiento.
Operaciones de transformación de
operando, tales como extensión de
signo, transformación a otro formato
de numeración, etc.
2.2 Arquitectura x64
X86-64 es una arquitectura basada en el
conjunto de instrucciones x86 para manejar
direcciones de 64 bits, es decir una extensión
de la arquitectura x86 a una arquitectura de 64
bits.
Esta arquitectura fue desarrollada por primera
vez por AMD implementada con el nombre de
AMD64. El primer Microprocesador diseñado
para este tipo de instrucciones fue OPTERON
lanzado en Abril del 2003, posteriormente la
empresa INTEL desarrollo una versión de
microprocesadores de 64 bits llamada INTEL
64.
2.2.3 Algunas Modificaciones en los
microprocesadores
*Nuevos Registros
El número de registros de propósito general se
ha incrementado de 8 a 16 en los procesadores
x86-32, de modo que también a su vez el
tamaño de estos registros ha aumentado de 32
bits a 64 bits. De igual manera el número de
registros de 128 bits (utilizados en las
instrucciones SSE) han aumentado de 8 a 16.
*Espacio de direcciones mayor
La arquitectura AMD64 puede direccionar hasta
16 exabytes de memoria, esto resulta grandioso
comparando con los 4GB del x86-32, de los
que solo la mitad está disponible para
aplicaciones en la mayoría de las versiones de
Microsoft Windows.
*Instrucción de acceso a datos relativa al
puntero
Las instrucciones pueden hacer referencias
relativas al puntero de instrucciones (registro
RIP). Esto permite crear código independiente
de la posición que permite un código mucho
más eficiente en bibliotecas dinámicas y código
cargado en tiempo de ejecución.
*Llamadas al sistema más rápidas
Debido a que la segmentación no está
soportada en el modo de 64 bits, las llamadas
al sistema no tienen las latencias asociadas con
almacenar y recuperar la información de
segmentación ni tienen que realizar las
comprobaciones necesarias de protección a
nivel de segmentación. Por lo tanto,AMD ha
introducido una nueva interfaz de llamadas al

sistema, al que se accede utilizando la
instrucción "SYSCALL.
* Bit NX
El bit NX es una característica del procesador
que permite al sistema operativo prohibir la
ejecución del código en área de datos,
mejorando la seguridad. Esta características
está disponible en los modos de 32 y 64 bits, y
está soportada por Linux, Solaris, Windows XP
SP2, Windows Server 2003 SP1.
*Modo de funcionamiento
Modo largo
Usando el modo largo, un sistema operativo de
64 bits puede ejecutar aplicaciones de 32 bits y
64 bits simultáneamente. También un x86-64
incluye un soporte nativo para ejecutar las
aplicaciones de 16 bits del x86.
Es el utilizado por algunos BSDs, GNU/Linux
(x86_64), Solaris 10, Windows XP Professional
(edición x64), Windows Vista (edición x64) y
Windows 7 (edición x64).
Modo de herencia
El modo utilizado por los sistemas operativos de
16 bits, como MS-DOS, y los sistemas
operativos de 32 bits, como Windows XP. En
este modo, sólo se puede ejecutar código de 16
bits o de 32 bits. Los sistemas operativos de 64
bits como Windows XP Professional x64
yWindows Server 2003 x64 no se ejecutarán.
2.3 Virtudes de la arquitectura x64.
A como podemos suponer la arquitectura x64
tiene el doble de capacidad de procesamiento
que la arquitectura x86. Esto convierte a los
equipos que ocupan microprocesadores de esta
familia (x64) en una buena elección si trabaja
con vídeo, búsquedas en bases de datos
grandes o juegos y otros programas que
requieren cálculos complejos y mucha memoria.
Por lo tanto, los microprocesadores que
pertenecen a la arquitectura x64 son ideales
para trabajar con aplicaciones como:
Software de diseño asistido por
ordenador (CAD).
Programas de edición de imágenes y
vídeo.
Juegos y otros programas que
requieren cálculos complejos.
Programas que tienen acceso a
grandes bases de datos o que trabajan
con ellas.
Programas de grabación y análisis de
vídeo que guardan grandes cantidades
de datos en la memoria.
2.4 ¿Qué hace todavía importante a
la arquitectura x86?
A pesar de las muchas ventajas que ofrece la
arquitectura x64, la familia de
microprocesadores x86 no deja de ser
importante, es decir, la tecnología x64 no ha
logrado desplazar a la x86 por completo.
Algunas de las razones son las siguientes:
La principal desventaja de las arquitecturas de
64 bits es que, con respecto a las de 32 bits,los
mismos datos ocupan ligeramente más espacio
en memoria debido al crecimiento de
lospunteros y posiblemente otros tipos y al
relleno para alineamiento.
Un equipo con un microprocesador de 32 bits
funciona muy bien para la mayoría de los
programas. Por ejemplo, los programas de
hojas de cálculo, los exploradores web y los
programas de procesamiento de texto.
En la actualidad muchos de los programas
están construidos como código de 32 bits.
Los sistemas de 64 bits algunas veces carecen
de software equivalente escrito para
arquitectura de 32 bits.
2.5 Tendencias Futuras de las
Microprocesadores
En cualquier caso el futuro es
compatibilidad.
Los sistemas más ambiciosos, por lo
menos sobre el papel, son los que están
desarrollando conjuntamente IBM y Apple,
y que consistirán en una nueva gama de
micros y de sistemas operativos que, al
parecer tendrán el nombre de PowerPC.
La gama de estos micros abarcará desde
portátiles hasta ordenadores de sobremesa
incluyendo potentes estaciones de trabajo;

y el sistema operativo dispondrá de la
capacidad para ejecutar programas DOS,
Windows, Apple y Unix (por lo menos de
los Unix de IBM y de Apple).
Se manifestará por el dominio de tres ideas
o conceptos fundamentales:
Multimedia
Conectividad
Orientación al documento
Los sistemas multimedia El concepto de
multimedia incluirá al de hipertexto y, con
la mayor naturalidad del mundo, los
nuevos sistemas operativos y las nuevas
aplicaciones que se desarrollen para ellos
incluirán hipertextos y/o prestaciones de
tipo hipertexto, como ya sucede con los
tutoriales y la ayuda en línea de muchas
aplicaciones para Windows.
La conectividad vendrá de la mano de las
redes locales, hacia las cuales están
especialmente orientados los nuevos
sistemas operativos (OS/2 y Windows,
particularmente); así como de protocolos
informáticos, que permiten intercambiar
información entre distintas aplicaciones,
incluso de distintos fabricantes.
Finalmente, la orientación al
documento dará lugar a una nueva
generación de sistemas operativos que
permitirá que el usuario se pueda olvidar
del programa con que creó cada
documento; en primer lugar porque serán
sistemas que pondrán el énfasis en los
documentos y no en las aplicaciones, y en
segundo lugar porque muchos documentos
serán compuestos, en los cuales una parte
será un gráfico, otra un texto o una
grabación de voz, etc., y cada parte del
documento podrá estar creada, gestionada
y mantenida por una aplicación o una
herramienta informática distinta.
2.6 Fabricantes de
Microprocesadores
El Intel 4004
El Intel 8008
El SC/MP desarrollado por National
Semiconductor.
El Intel 8080
Motorola 6800
El Z80
Los Intel 8086 y 8088
El Intel 80286
El Intel 80386
El VAX 78032
El Intel 80486
El AMD AMx86
PowerPC 601
El Intel Pentium
EL PowerPC 620
EL Intel Pentium Pro
El AMD K5
Los AMD K6 y AMD K6-2
El Intel Pentium II
El Intel Pentium II Xeon
El Intel Celeron
El AMD Athlon K7 (Classic y Thunderbird)
El Intel Pentium III
El Intel Pentium III Xeon
EL Intel Pentium 4
El AMD Athlon XP

El Intel Pentium 4 (Prescott)
El AMD Athlon 64
EL Intel CoreDuo
El AMD Phenom
El Intel CoreNehalem
Los AMD Phenom II y Athlon II
El Intel Core Sandy Bridge
El AMD Fusion
Microprocesador con arquitectura x86
Microprocesador con arquitectura x86-64
3 CONCLUSIONES
Desde que se desarrollo el primer
microprocesador que fue el 4004 se fueron
desarrollando modelos superiores con el
objetivo de suplir necesidades con respecto a
las aplicaciones con los cuales interactuaban.
Al surgir el 80386 se dio inicio a una nueva
etapa de desarrollo de microprocesadores, ya
que fue el primer micro de 32 bits y capaz de
realizar aplicaciones multitarea.
Después de este se desarrollaron
microprocesadores de 64 bits. Por lo tanto es
esencial saber que características acarrean
esta innovación y principalmente la arquitectura
a la que pertenecen pues esta es el principio en
el cual sustentan su diseño.
4 REFERENCIAS
http://sop.upv.es/eso/es/t2arquitectura/gen-t2-arquitectura.html
http://es.scribd.com/doc/17875428/AR
QUITECTURA-X86
http://es.scribd.com/doc/45774301/Arq
uitectura-x86-y-x64
http://windows.microsoft.com/es-
XL/windows-vista/32-bit-and-64-bit-
Windows-frequently-asked-questions
http://www.taringa.net/posts/info/37620
22/Como-saber-si-tu-procesador-esx86-o-x64-bits.html
http://www.elprofesionaldelainformacio
n.com/contenidos/1993/febrero/situaci
n_y_tendencias_de_los_microordenad
ores.html
http://es.wikipedia.org/wiki/Microproces
ador

5 BIOGRAFIA
Roosevelt José Lindo Vargas, es estudiante y
becario residente del 3er año de Ingeniería
Electrónica en la Universidad Nacional de
Ingeniería. Ha realizado proyectos de cursos de
carrera y aspirando a especializarse en el área
de control de la misma.
Cyrus Anthony Duriez Bustamante, es
estudiante de la universidad nacional de
ingeniería UNI, estudiante del tercer año de
ingeniería electrónica. Actualmente cursa el
cuarto modulo de los cursos CCNA de cisco. Ha
hecho una pasantilla en la empresa Metrología
Consultores de Nicaragua S.A (METROCAL).