Estructura Funcional de un Sistema Informático, Parte 1 : La CPU - Curso General, Capítulo 5

 Estructura Funcional de un Sistema Informático: La CPU

Si alguna vez te has preguntado cómo es que tu computadora realiza todas las tareas que le solicitas, cómo ejecuta complejas operaciones matemáticas en un abrir y cerrar de ojos, o cómo es capaz de ofrecerte una experiencia informática fluida y eficiente, la respuesta se encuentra en este prodigio de la ingeniería: la CPU.

Como se ha comentado con anterioridad en otros capítulos, un sistema informático está compuesto por una parte física o hardware y una parte lógica o software. Dentro de la parte Hardware contamos con el Sistema Central y el Sistema de Entrada y Salida. El Sistema Central está a su vez formado con la Unidad Central de Procesamiento (CPU), la Memoria Principal (RAM), el Chipset o Controlador Principal, el Bus del Sistema y la BIOS.

En este capítulo, nos sumergiremos en profundidad en el fascinante mundo de la CPU o Unidad Central de Procesamiento, explorando sus componentes internos, su funcionamiento y las diferentes arquitecturas que han dado forma a la evolución de la informática. Descubriremos cómo la CPU se ha convertido en el corazón latente de nuestras máquinas, desempeñando un papel crucial en cada acción que realizamos en nuestro ordenador.

La Unidad Central de Procesamiento (CPU): El Corazón de la Computadora

La Unidad Central de Procesamiento (CPU) es el componente más importante de cualquier computadora. Es el cerebro y el corazón del sistema, responsable de llevar a cabo todas las operaciones y procesos que permiten el funcionamiento de la máquina. En este artículo, exploraremos detalladamente todos los aspectos de la CPU, desde sus componentes hasta los complejos procesos que ejecuta para brindarnos la experiencia informática que disfrutamos todos los días.

¿Qué es la CPU?

La CPU es un microprocesador altamente especializado que realiza todas las operaciones de cálculo y control en una computadora. Es conocida como el "cerebro" de la máquina debido a su capacidad para ejecutar millones de instrucciones por segundo y realizar cálculos complejos en un abrir y cerrar de ojos. También llamada PROCESADOR es la encargada de controlar y ejecutar las operaciones (instrucciones de los programas) que tratan la información. Controla todos los procesos y tareas del ordenador. Está formado por varias partes que veremos a continuación.

Componentes de la CPU

La CPU está compuesta por varios componentes clave que trabajan en conjunto para llevar a cabo sus funciones. Estos componentes incluyen:

    • Unidad de Control o UC

    • Unidad Aritmético-Lógica

    • Registros

    • Buses

Unidad de Control (Control Unit): 

La Unidad de Control (UC) es la parte pensante del ordenador, es como el director de una orquesta, ya que es el responsable de interpretar las instrucciones máquina que conforman los programas almacenados en la memoria, para más tarde, generar las señales de control para coordinar y sincronizar todas las operaciones de la CPU y garantizar que las instrucciones se ejecuten en el orden correcto.

Dirige y gobierna todas las actividades y elementos del ordenador. Se trae a memoria RAM las instrucciones del programa (instaladas en algún disco o unidad de almacenamiento), interpreta la instrucción y la ejecuta, generando señales de control para el resto del sistema. 

Su funcionamiento es secuencial:

    1. Extrae de la memoria principal la instrucción a ejecutar. Para ello dispone de dos registros: el registro contador de programa o CP ( almacena la dirección de la celda que contiene la próxima instrucción a ejecutar) y el registro de instrucción o RI (se deposita el código de la instrucción a ejecutar).

    2. Una vez conocido el código de operación, la UC establece las conexiones con los circuitos de la UAL que deberán intervenir en la operación.

    3. Extrae de la memoria principal los datos necesarios para ejecutar la instrucción; es decir, ordena la lectura de la celda cuya dirección se encuentra en el IR.

    4. Ordena a la UAL que efectúe las operaciones necesarias. El resultado de este tratamiento se deposita en un registro especial de la UAL, el registro acumulador.

    5. Finalmente, se incremente en 1 el contador de programa, de manera que coincida con la dirección de la siguiente instrucción a ejecutar.

Componentes de la UC:

Para realicar sus funciones, la Unidad de Control cuenta con varios componentes además del Registro Contador de Programa (CP) y del Registro de Instrucción (RI).

Controlador y decodificador: 

Se encarga de extraer y analizar el código de operación de la instrucción en curso contenida en el RI, y genera las señales de control necesarias para ejecutar correctamente la instrucción.

Secuenciador: 

Este dispositivo genera las órdenes o microórdenes fundamentales que, sincronizadas con los impulsos del reloj, hacen que se ejecute paso a paso y de manera ordenada las instrucciones cargadas en él. Crea así una secuencia de instrucción coordinadas con la frecuencia del reloj.

Reloj:

Integra una señal de reloj (señal periódica) cuyos impulsos marcan el ritmo de la ejecución de las instrucciones proporcionando una sucesión de impulsos eléctricos a intervalos constantes. Marca los tiempos de ejecución de los pasos a realizar para cada instrucción, además del ritmo del descodificador de instrcución. Su principal función es la de sincronizar todo el sistema.

La velocidad del reloj interno del procesador establece la velocidad con que se pueden procesar datos. Su frecuencia (pulsos por segundo) medida en Hz es la velocidad de reloj o frecuencia del procesador, dado la modernidad de los procesador se utiliza como medida el GHz: “ 1GHz " 1.000MHz " 1.000.000KHz " 1.000.000.000Hz / segundo; es decir, dividimos 1 segundo en mil millones.”

La evolución de la tecnología y de los materiales ha mejorado estas característica ya que los primeros micros tenían casi 5MHz pero hoy en día llegan hasta los 5GHz. En los procesadores de varios nucleos, la frecuencia es la misma pero son capaces de realizar más operaciones con la misma velocidad. Si nos adentramos en el mundo de los tipos de CPU veremos como Intel y AMD trabajan de manera diferente pues normalmente AMD trabaja a una frecuencia más baja pero son capaces de realizar más operaciones por ciclo.

La mayoría de los CPUs son de naturaleza sincrónica, están diseñados y operan según una señal de sincronización, a esta señal se la conoce como “señal de reloj”, que normalmente toma la forma de una onda cuadrada periódica.

Unidad Aritmético-Lógica (ALU):

Su función es operar con los datos que recibe siguiendo las órdenes de la UC. Se realizan tanto operaciones aritméticas (como suma, resta, multiplicación y división) como operaciones basadas en la lógica booleana (como comparaciones y operaciones booleanas).Es el núcleo del proceso de cálculo de la CPU.

 

Para que la UAL pueda llevar a cabo una operación aritmética necesita el código de operación que indique la operación a efectuar. Por ejemplo, si queremos realizar una resta, tendrá que tener indicado el código de la operación, las direcciones de las celdas de la memoria principal donde están almacenados los números a restar y la celda de  memoria dónde se almacenará el resultado de la operación.

Para que la UAL pueda realizar cálculos más complejos como pueden ser operaciones con números fraccionarios, trigonometría o logarítmos cuenta con una parte muy importante, La Unidad de Coma Flotante (FPU). También conocida como unidad de punto flotante, coprocesador matemático, unidad de procesamiento numérico o procesador de datos numéricos es la encargada de todos los cálculos en la operaciones de coma flotante.

Los elementos más importantes de esta unidad son:

    1. Circuito Operacional: Realiza las operaciones con los datos del registro de entrada.

    2. Registros de entrada: Contienen los operandos de la operación.

    3. Acumulador: Almacena los resultados de las  operaciones.

    4. Registro de Estado: Registra las condiciones de la operación anterior.

Registros:

Para poder realizar todas las operaciones, la UC cuenta con algunos aliados, pequeños espacios de almacenamiento que son su esencia y se denominan Registros. 

Los registros son pequeñas áreas de almacenamiento de alta velocidad que se encuentran dentro de la CPU. Estos registros contienen datos temporales y direcciones de memoria utilizadas durante las operaciones de la CPU. Aquí se almacena la información temporal y constituyen el almacenamiento interno o registros internos de la CPU.

El tamaño del registro indica la cantidad de datos o bits que puede manipular a la vez el procesador. Cuanto mayor sea, más potente será el procesador. Las primeras CPUs tenian 8 bits, en la actualidad lo normal son arquitecturas de 64 bits.

Con una arquitectura de 64 bits se puede direccionar memoria casi infinita (264), mientras que con las arquitecturas de 32 bits el máximo de RAM se limita a 4 GB.

Los registros de la CPU se pueden dividir en dos tipos:

Registros Visibles al Usuario

Son aquellos que pueden ser referenciados por el lenguaje ensamblador, o de máquina, con el fin de optimizar el uso de los recursos. Tres categorías:

    • Registros de Dirección

    • Registros de Datos

    • Registros de Condición

Registros de Control y Estado

Son los que intervienen en la ejecución de las instrucciones. Varios tipos:

    • Registro controlador de programas (CP)

    • Registros de de Instrucción (RI)

    • Registros de Dirección de Memoria (RDM)

    • Registros de Intercambio de Memoria (RIM)

Su funcionamiento es secuencial:

    1. El registro contador de programas (CP) tiene la dirección de memoria de la próxima instrucción a ejecutar; para buscarla, el contenido de esa posición es pasado al registro de dirección de memoria (RDM). La instrucción apuyntada por el RDM se carfa en el registro de intercambio de memoria (RIM), y desde aquí pasa al registro de instrucción (RI).

    2. Seguidamente, el descodificador de instrucciones interpreta el contenido del RI, y se generan las órdenes oportunas para su ejecución.

    3. EL contador de programa (CP) se incrementa en 1, para apuntar a la siguiente instrucción a ejecutar.

Buses de Comunicación: 

Dentro de un sistema informático lo más importante es la intercomunicación entre todos sus componentes. La comunicación entre el Sistema Central y el Sistema de E/S es fundamental para el funcionamiento de un ordenador, así es como podemos comunicar el procesador y el resto de los componentes internos con los periféricos y las memorias externas o auxiliares.

El bus es el elemento responsable de establecer una correcta interacción entre los diferentes componentes del ordenador. En el sentido físico, se puede definir como  como un conjunto de líneas, conductos o cables utilizados para la transmisión de datos entre los componentes de un sistema informático a través de líneas eléctricas. Hay diferentes tipos de buses:

    • Bus de Datos: Se encarga de transmitir los datos o la información entre la CPU y los Periféricos.

    • Bus de Direcciones: Su trabajo es identificar la dirección de memoria o el dispositivo al que va destinada la información que se transmite por el bus de datos. 

    • Bus de control de CPU: Organiza y redirige hacia el bus pertinente la información que se tiene que transmitir.

El bus es como una autopista en la que el tráfico es muy intenso y sus capacidades dependerán del tipo que incorpore el sistema, su velocidad y su anchura ( conductos de datos en paralelo). El bus se caracteriza por el número y la disposición de sus líneas o canales, cada canal es capaz de transmitir un bit. Los primeros ordenadores eran de 8 bits, actualmente el avance de la tecnología nos permite utilizar sistemas de 32, 64, 128 o superior.

Otro apunte importante es la velocidad de los buses, del cual depende el rendimiento general del ordenador. Esta velocidad se mide en Megaherzios (Mhz), yt actualmente llegan a velocidades de 3 o 5 Ghz. A mayor velocidad mayor rendimiento del ordenador.

Para que todo esto funcione debe estar cordinado todo: la velocidad o frecuencia de los buses y el numero de canales , y este trabajo lo realiza el Reloj. Es por tanto el componente que marca la velocidad de procesamiento de una CPU.

Jerarquía de las Memorias:

Toda la memoria del sistema se organiza dependiendo de la capacidad, velocidad y coste. Los niveles superiores estarán constuituidos por memorias más rápidas, de menor capacidad, tiempo de acceso mínimo y coste alto.

Registros de la CPU:

Memorias de baja capacidad pero de alta velocidad integradas en el procesador, que permiten guardar y acceder a valores muy usados, generalmente en operaciones matemáticas. El tiempo de acceso es inferior a 1 ns ( 10-9 s).

Memoria caché:

De baja capacidad, muy rápidas y con tiempos de acceso inferiores a los 5 ns. Se interponen entre el procesador y  la memoria principal. Permite acelerar el acceso a los datos, trasladándolos a un medio más rápido cuando va a utlizarse pronto. Cuando se accede por primera vez a un dato, se guarda en caché para los accesos posteriores logrando así mejorar el tiempo de acceso al dato y el rendimiento del ordenador. Almacena las próximas instrucciones a ejecutar y los últimos datos calculados de forma que el procesador no tiene que ir a buscarlas ni a memoria ni a disco. 

Se divide en varios niveles (L1, L2, L3) con diferentes capacidades y tiempos de acceso, además, puede llegar hasta los 20MB.

Memoria Principal (RAM):

Es más lenta y de mayor capacidad que la caché. 

* Se tratará en un artículo del curso más adelante.

Memoria Secundaria:

Son de alta capacidad pero de tiempos de acceso más lentos. Son utilizadas para guardar los datos como tal, programas y archivos. Puede destinarse parte de esta memoria como Memoria Virtual para apoyar a la Memoria Principal.

Tecnologías y Avances en la CPU

La CPU ha experimentado una evolución constante a lo largo de los años, impulsada por avances en la tecnología y la miniaturización de los componentes. Cada nueva generación de CPU suele ser más rápida, eficiente y potente que la anterior.

Tecnología de Procesadores Multi-core y multi-hilo: Los procesadores multi-core tienen múltiples núcleos de CPU en un solo chip con varios hilos por cada procesador. Esto permite que la CPU ejecute múltiples tareas simultáneamente, mejorando el rendimiento y la eficiencia en aplicaciones multitarea.

Tecnología de 64 bits: Los procesadores de 64 bits pueden acceder y procesar más datos en una sola operación, lo que mejora el rendimiento en aplicaciones que requieren una gran cantidad de memoria y cálculos complejos.

Velocidades de Reloj y Overclocking: La velocidad de reloj de una CPU se mide en gigahercios y determina la velocidad de procesamiento de la CPU.

Cabe mencionar una CPU especializada dedicada únicamente al procesamiento de gráficos por pantalla, la tan famosa GPU o como se le conoce Tarjeta Gráfica. Una tarjeta gráfica se compone de vetilador y placa propia como si fuese un pequeño ordenador dedicado a gráficos, el procesador de esta tarjeta es una GPU o CPU de Gráficos. Más adelante ablaremos sobre ella en la parte de Hardware.

La falta de componente hace que se haya ralentizada un poco su crecimiento de ahí el multicore, pero sin duda estamos llegando a capacidades totalmente infinitas de procesamiento y gestión de memoria. Quién sabe hasta dónde se podrá llegar con estos pequeños chips tan potentes.

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¡Hasta Pronto!

→ Capítulo siguiente: Estructura Funcional de un Sistema Informático, Parte 2: Memoria del Ordenador - Curso General, Capítulo 6

En el siguiente capítulo continuaremos aprendiendo el funcionamiento interno de los sistemas informáticos, especificamente hablaremos sobre la Memoria del ordenador.

→ Capítulo Anterior: Arquitectura Von Neumann - Curso General, Capítulo 4

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