El ordenador realiza su trabajo principal en la parte de la máquina que no podemos ver. Es este centro de control el que convierte los datos de entrada en información de salida.
Este centro de control se denomina unidad central de procesamiento (CPU). La CPU es un conjunto muy complejo y extenso de circuitos electrónicos que ejecutan instrucciones de programas almacenados.
Todos los ordenadores, grandes y pequeños, deben tener una unidad central de proceso.
¿Cuál es la función de la CPU?
El propósito de todo ordenador es realizar algún tipo de procesamiento de datos. La CPU apoya el procesamiento de datos realizando funciones de obtención, codificación y ejecución de instrucciones programadas.
El conjunto de estas funciones suele denominarse ciclo de instrucciones. Además de la función del ciclo de instrucciones, la CPU realiza las funciones de obtención y escritura de datos.
Funciones del ciclo de instrucciones de la CPU
Cuando se ejecuta un programa en un ordenador, las instrucciones se almacenan en la memoria del ordenador hasta que se ejecutan. La CPU utiliza un contador de programa para obtener la siguiente instrucción de la memoria, donde se almacena en un formato conocido como código ensamblador.
La CPU descodifica la instrucción en código binario ejecutable. Una vez hecho esto, la CPU hace lo que la instrucción ordena, ya sea realizar una operación, recuperar o almacenar datos o ajustar el contador de programa para saltar a una instrucción diferente.
Los tipos de operaciones que una CPU puede realizar normalmente incluyen funciones matemáticas sencillas como sumas, restas, multiplicaciones y divisiones.
Las CPU también pueden realizar comparaciones entre objetos de datos para determinar si son iguales.
Todas las cosas asombrosas que pueden hacer los ordenadores se hacen con éstas y algunas otras operaciones básicas. Una vez ejecutada una instrucción, se obtiene la siguiente y el ciclo continúa.
Funciones de datos de la CPU
Mientras realiza la función de ejecución del ciclo de instrucción, la CPU puede tener que ejecutar instrucciones que requieran datos. Por ejemplo, la ejecución de una función aritmética requiere números que se utilizarán para los cálculos.
Para entregar los datos requeridos, hay instrucciones para obtener datos de la memoria y escribir los datos procesados de vuelta a la memoria.
Las instrucciones que utiliza la CPU y los datos con los que opera se almacenan en la misma zona de la memoria. La CPU utiliza direcciones únicas para realizar un seguimiento de las diferentes ubicaciones de memoria.
Microprocesador CPU
El microprocesador de un ordenador personal es un chip que contiene todos los circuitos necesarios para controlar el funcionamiento de un ordenador.
Permite que cada función de la CPU sea ejecutada por un único chip, que es más barato de fabricar y más fiable gracias al uso de circuitos integrados.
Antes de la introducción de los microprocesadores, la CPU de un ordenador estaba contenida en una placa de circuitos que contenía varios chips conectados por circuitos integrados.
Hoy en día, muchos procesadores modernos tienen varias CPU en el mismo chip, denominadas núcleos.
Componentes de la CPU
Una CPU tiene varios componentes. El primero es la unidad aritmética lógica (ALU), que realiza operaciones aritméticas y lógicas sencillas. El segundo es la unidad de control (CU), que gestiona los distintos componentes del ordenador.
La unidad aritmética lógica lee e interpreta las instrucciones de la memoria y las convierte en una serie de señales para activar otras partes del ordenador. La unidad de control llama a la unidad aritmética lógica para que realice los cálculos necesarios.
En tercer lugar está la caché, que sirve como memoria de alta velocidad donde se pueden copiar y recuperar instrucciones. Las primeras CPU estaban formadas por muchos componentes separados, pero desde los años 70 se construyen como una única unidad integrada llamada microprocesador.
Como tal, una CPU es un tipo específico de microprocesador. Los componentes individuales de una CPU están tan integrados que ni siquiera se reconocen desde fuera. La CPU tiene un tamaño de unos cinco por cinco centímetros.
La CPU está situada en la placa base. Para ello, la placa base dispone de un zócalo especializado para ese tipo concreto de procesador. La CPU se calienta mucho, por lo que necesita su propio sistema de refrigeración en forma de refrigerador y/o ventilador.
La ALU es donde se realizan los cálculos, pero ¿cómo se llevan a cabo realmente? Para los ordenadores, el mundo consiste en ceros y unos. Dentro del procesador, podemos almacenar ceros y unos utilizando transistores.
Se trata de interruptores microscópicos que controlan el flujo de electricidad dependiendo de si el interruptor está encendido o apagado. Así, un transistor contiene información binaria: uno si pasa corriente y cero si no pasa.
Los transistores se encuentran en piezas muy finas de silicio. Un solo chip de silicio puede contener miles de transistores. Una sola CPU contiene un gran número de chips. Combinados, sólo cubren una pulgada cuadrada más o menos.
Sin embargo, en las CPU modernas, ese centímetro cuadrado puede contener varios cientos de millones de transistores (¡las últimas CPU de gama alta tienen más de mil millones!).
Los cálculos se realizan con señales que activan o desactivan distintas combinaciones de transistores. Y más transistores significan más cálculos.
Cómo funcionan los procesadores de ordenador
El funcionamiento de la CPU se define como un proceso de tres pasos. En primer lugar, las instrucciones se obtienen de la memoria. En segundo lugar, las instrucciones se descodifican y el procesador averigua qué se le pide que haga. En tercer lugar, se ejecuta la instrucción y se realiza la operación.
Estos tres pasos se repiten en un ciclo que vuelve a empezar cuando la CPU obtiene la siguiente instrucción. Estos pasos se denominan ciclo de instrucción de la CPU.
La CPU utiliza el contador de programa para saber qué instrucción debe buscar a continuación. El contador es la dirección de la posición de memoria que almacena la siguiente instrucción a ejecutar.
Se almacena en un registro, que es una ubicación de memoria especializada en la propia CPU. El contador de programa se incrementa para apuntar a la siguiente instrucción después de cada búsqueda en el ciclo de instrucción.
Operaciones realizadas por la CPU
La CPU ejecuta instrucciones que realizan una serie de operaciones básicas. Hay operaciones aritméticas como la suma, la resta, la multiplicación y la división.
Las operaciones de memoria mueven datos de una ubicación a otra. Las operaciones lógicas comprueban una condición y toman una decisión en función del resultado. Las operaciones de control afectan a otros componentes del ordenador.
Estos tipos básicos de operaciones, que se ejecutan muy rápidamente, permiten al ordenador realizar diversas funciones. El número exacto de operaciones que admite una CPU depende de su arquitectura.
Cómo utiliza la CPU la memoria
La memoria del ordenador es el área donde se almacenan los datos y los programas. La memoria no forma parte de la CPU, pero ésta debe interactuar estrechamente con ella. Existen dos tipos de memoria informática: primaria, o principal, y secundaria.
La CPU depende en gran medida de la memoria primaria para almacenar las instrucciones de los programas y los datos de las instrucciones de funcionamiento. La memoria primaria es temporal y sólo almacena instrucciones y datos de un programa mientras éste se está ejecutando.
La memoria secundaria es un almacenamiento más permanente que proporcionan los discos duros y las memorias flash.
Un componente de la CPU conocido como unidad de control se encarga de mover las instrucciones y los datos del almacenamiento secundario a la memoria principal antes de la ejecución de las instrucciones. La unidad de control también traslada el resultado de la instrucción al almacenamiento secundario.
