Unidad central de procesamiento (CPU)

Arquitectura del CPU

Existen dos tipos más comunes:

1.     CISC: Su sistema de trabajo se basa en la microprogramación. Consiste en hacer que cada instrucción sea interpretada por un mini programa.

2.     RISC: Microprocesador con un conjunto de instrucciones muy reducidas en contraposición. Se basan en estructuras simples y por lo tanto su complejidad total de la CPU es menor.

ORGANIZACIÓN Y ARQUITECTURA INTERNA DE LA CPU

Diagrama de bloques

Los bloques funcionales básicos son: la unidad de procesamiento central (CPU), la memoria principal, y el procesador de Entrada - Salida.Unidad de proceso central: esta es la responsable de la interpretación y ejecución de instrucciones contenidas en la memoria principal, las comunicaciones entre la CPU y la memoria principal se realizan a través de 2 canales funcionalmente distintos: el de direcciones y el de datos.

Para introducir en la memoria, una instrucción especifica, la CPU envía a dicha memoria la dirección de la instrucción por el canal de direcciones y recibe por el mismo medio la instrucción que está en esa dirección.

Parte de la instrucción es utilizada por la CPU para identificar la operación. Esta parte se llama código de operación de la instrucción. La información restante se utiliza para determinar la o las localidades de los datos con los cuales se va a efectuar la operación.

La acción de leer una instrucción en la CPU y prepararla para su ejecución se denomina ciclo de búsqueda. Para completar una instrucción la CPU decodifica el código de operación, genera las señales de control que se necesitan para introducir los operandos requeridos y controla la ejecución de la instrucción.

La CPU también haría que la ULA funcione como sumadora y dirija la salida hacia el tercer registro. El proceso de realización que especifica una función se denomina ciclo de ejecución.

La CPU puede dividirse funcionalmente en 3 subunidades, la unidad de control, dedicada a los ciclos de búsqueda y ejecución, la ULA que desempeña funciones aritméticas como por ejemplo, suma y resta, de lógica por ejemplo AND, OR y un conjunto de registros dedicados al almacenamiento de datos en la CPU y a ciertas funciones de control.

·        Registro e instrucciones de la CPU

·        Registros

·        Instrucciones

·        Aritmética y Lógica

·        Movimientosde datos

·        Operaciones de datos en bloque

·        Instrucciones de control de programa

·        Instrucciones  de Entrada-Salida

La CPU contiene un conjunto de localidades de almacenamiento temporal de datos de alta velocidad llamada registro. Algunos de los registros están dedicados al control, y solo la unidad de control tiene acceso a ellos. Los registros restantes son los registros de uso general y el programador es el usuario que tiene acceso a ellos.

Dentro del conjunto básico de registros de control se deben incluir a los siguientes:

1.     Contador de programa (PC).

2.     Registro de direcciones de la memoria (MAR).

3.     Registro de datos (RD).

4.     Registro de instrucciones (ER).

5.     Palabra de estado de programa (PSW).

(PC): La función del PC consiste en seguir la pista de la instrucción por buscar (capturar) en el siguiente ciclo de máquina, por lo tanto contiene la dirección de la siguiente instrucción por ejecutar. El PC es modificado dentro del ciclo de búsqueda de la instrucción actual mediante la suma de una constante. El numero que se agrega al PC es la longitud de una instrucción en palabras.

tipos de cpu

Supercomputadoras

Una supercomputadora es el tipo de computadora más potente y más rápido que existe en un momento dado. Estas máquinas están diseñadas para procesar enormes cantidades de información en poco tiempo y son dedicadas a una tarea específica.

Así mismo son las más caras, sus precios alcanzan los 30 MILLONES de dólares y más; y cuentan con un control de temperatura especial, esto para disipar el calor que algunos componentes alcanzan a tener. Unos ejemplos de tareas a las que son expuestas las supercomputadoras son los siguientes:

1. Búsqueda y estudio de la energía y armas nucleares.

2. Búsqueda de yacimientos petrolíferos con grandes bases de datos sísmicos.

3. El estudio y predicción de tornados.

4. El estudio y predicción del clima de cualquier parte del mundo.

5. La elaboración de maquetas y proyectos de la creación de aviones, simuladores de vuelo.

Debido a su precio, son muy pocas las supercomputadoras que se construyen en un año.

Macrocomputadoras o Mainframes. Las macrocomputadoras son también conocidas como Mainframes. Los mainframes son grandes, rápidos y caros sistemas que son capaces de controlar cientos de usuarios simultáneamente, así como cientos de dispositivos de entrada y salida.

Los mainframes tienen un costo que va desde 350,000 dólares hasta varios millones de dólares. De alguna forma los mainframes son más poderosos que las supercomputadoras porque soportan más programas simultáneamente. PERO las supercomputadoras pueden ejecutar un sólo programa más rápido que un mainframe.

 En el pasado, los Mainframes ocupaban cuartos completos o hasta pisos enteros de algún edificio, hoy en día, un Mainframe es parecido a una hilera de archiveros en algún cuarto con piso falso, ésto para ocultar los cientos de cables d e los periféricos , y su temperatura tiene que estar controlada.

Minicomputadoras En 1960 surgió la minicomputadora, una versión más pequeña de la Macrocomputadora. Al ser orientada a tareas específicas, no necesitaba de todos los periféricos que necesita un Mainframe, y ésto ayudo a reducir el precio y costos de mantenimiento.

Las minicomputadoras, en tamaño y poder de procesamiento, se encuentran entre los mainframes y las estaciones de trabajo. En general, una minicomputadora, es un sistema multiproceso (varios procesos en paralelo) capaz de soportar de 10 hasta 200 usuarios simultáneamente. Actualmente se usan para almacenar grandes bases de datos, automatización industrial y aplicaciones multiusuario.

Microcomputadoras o PC´s Las microcomputadoras o Computadoras Personales (PC´s) tuvieron su origen con la creación de los microprocesadores. Un microprocesador es “una computadora en un chip”, o sea un circuito integrado independiente. Las PC´s son computadoras para uso personal y relativamente son baratas y actualmente se encuentran en las oficinas, escuelas y hogares. El término PC se deriva de que para el año de 1981 , IBM®, sacó a la venta su modelo “IBM PC”, la cual se convirtió en un tipo de computadora ideal para uso “personal”, de ahí que el término “PC” se estandarizó y los clones que sacaron posteriormente otras empresas fueron llamados “PC y compatibles”, usando procesadores del mismo tipo que las IBM , pero a un costo menor y pudiendo ejecutar el mismo tipo de programas.

Existen otros tipos de microcomputadoras , como la Macintosh®, que no son compatibles con la IBM, pero que en muchos de los casos se les llaman también “PC´s”, por ser de uso personal.

En la actualidad existen variados tipos en el diseño de PC´s:

1.     Computadoras personales, con el gabinete tipo minitorre, separado del monitor.

2.     Computadoras personales portátiles “Laptop” o “Notebook”.

3.     Computadoras personales más comunes, con el gabinete horizontal, separado del monitor.

4.     Computadoras personales que están en una sola unidad compacta el monitor y el CPU.

5.     Las computadoras “laptops” son aquellas computadoras que están diseñadas para poder ser transportadas de un lugar a otro. Se alimentan por medio de baterías recargables , pesan entre 2 y 5 kilos y la mayoría trae integrado una pantalla de LCD (Liquid Crys tal Display). 6. Estaciones de trabajo o Workstations

Características del CPU

Memoria

· Unidad aritmetica logica

· Unidad o procesador de control

MEMORIA PRINCIPAL(interna o central).

Se almacenan datos y programas, hay dos operaciones que se hacen en la memoria (lee y escribe) entonces se dice que es donde almacena, se lee y se escribe. Es un conjunto de células numeradas y dos registros especiales con los que realiza las transacciones.

El registro de dirección que indica el número de la célula afectada y el de intercambio que contiene la información leída o la que hay que escribir en la célula de cuestión.

La memoria central o simplemente memoria (interna o principal) se utiliza para almacenar información. En general, la información almacenada en memoria puede ser de dos tipos: las instrucciones de un programa y los datos con los que se operan las instrucciones.

Por ejemplo: Para que un programa se pueda ejecutar (correr, rodar, funcionar,…), debe ser situado en la memoria, en una operación denominada carga(load) del programa.

La memoria central de una computadora es una zona de almacenamiento organizada en centenares o millares de unidades de almacenamiento individual celdas.

La unidad elemental de memoria se llama byte(octeto). Un byte tiene la capacidad de almacenar un caracter de información, y esta formado por un conjunto de unidades más pequeñas de almacenamiento denominadas bits, que son dígitos binarios (0 ó 1). Generalmente se acepta que un byte contiene ocho bits. Por consiguiente, si se desea alamacenar la frase la computadora utilizara exactamente 23 bytes consecutivos de memoria. Obsérvese que además de las letras, existen cuatro espacios en blanco y un punto (un espacio es un carácter que emplea también un byte). De modo similar, el número del pasaporte

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Ocupara 9 bytes. Estos datos se llaman alfanuméricos y pueden constar de alfabeto, Dígitos o incluso caracteres especiales (simbolos:$,#,*,etc.). Mientras que cada carácter de un dato alfanumérico se almacena en un byte, la información numérica se almacena de un modo diferente. Los datos numéricos ocupan 2,4 e incluso 8 bytes consecutivos, dependiendo del tipo de dato numérico.

Existen dos conceptos importantes asociados a cada byte o posición de memoria: su dirección y contenido. Cada celda o byte tiene asociada una unica dirección que indica su posición relativa en memoria mediante la cual se puede acceder a la posición para almacenar o recuperar información. La información almacenada en una posición de memoria es su contenido.

El contenido de estas direcciones o posiciones de memoria se llaman palabras, de modo que existen palabras de 8,16,32, y 64 bits. Por consiguiente, si trabaja con una maquina de 32 bits, es decir, 32 digitos, bien ceros o unos.

Siempre que una nueva información se almacena en una posición, se destruye (desaparece) cualquier información que en ella hubiera y no se puede recuperar. La dirección es permanente y única, el contenido puede cambiar mientras se ejecuta un programa.

La memoria central de una computadora puede tener desde unos centenares de millares de bytes hasta millones de bytes. Como el byte es una unidad elemental de almacenamiento, se utilizan múltiplos para definir el tamaño de la memoria central: kilo-byte(KB o Kb) igual a 1.024 bytes(210) prácticamente se toman 1.000 y Mega byte(MB o Mb) igual a 1.024 x 1.024 bytes (220) prácticamente se considera un 1.000.000. Las computadoras personales tipo Pc tienen memorias centrales desde 512 ó 640 k aunque es frecuentemente ver PC,s con memorias de 1,2,4,12,etc.,Mb.

Pasos que se hacen en la lectura:

1.- Almacenar la dirección de la célula en la que se encuentra la información a leer datos se almacena en el registro de dirección.

2.- Cambiar el registro de intercambio la información contenida en la célula apuntada por el registro de dirección.

3.- Transferir el contenido de registro de intercambio al registro de la CPU que corresponda.

Pasos para la escritura:

1.- Transferir el registro de intercambio la información a escribir.

2.- Almacenar la segunda dirección de la célula receptora de la información en el registro de dirección.

3.- Cargar el contenido de registro de intercambio en la célula apuntada por el registro de dirección.

UAL(UNIDAD ARITMETICA LOGICA).

La unidad aritmetica logica opera los datos que recibe siguiendo las indicaciones por la unidad de control. Esta unidad puede realizar operaciones aritmeticas logicas, por ejemplo: el de realizar la suma, la forma en que realiza la operación.

1.- Se debe tener el codigo de operación que indique la operación a efectuar en este caso el codigo de suma.

2.- Dirección de la célula en la que se encuentra almacenado el primer sumando.

3.- Dirección del segundo sumando.

4.- Dirección de la célula en la que se almacena el resultado.

 

Instrucciones para efectuar la suma.

a) Cargar el primer operando en el acumulador.

b) Sumar el segundo operando con el contenido del acumulador.

c) Cargar el contenido del acumulador en la dirección del resultado.

UNIDAD DE CONTROL (La unidad que va decidir controlar).

La unidad de control es el autentico cerebro que controla y coordina el funcionamiento de la computadora. A raíz de la interpretación de las instrucciones que integran el programa esta unidad genera el conjunto de ordenes elementales necesarias para que se realice la tarea necesitada.

Pasos para la unidad de control.

1. Se estrae de la memoria principal la instrucción a ejecutar esa información es almacenada en el contador de instrucciones, la información que se almacena es la proxima instrucción a ejecutar en el registro de instrucción propiamente dicha.

2.- Una vez conocido el codigo de la operación la unidad de control ya sabe que circuitos de la UAL deben de intervenir pueden establecerse las conexiones electricas necesarias atraves del secuenciador.

3.- Extrae de la memoria principal los datos necesarios para ejecutar la instrucción en proceso

4.- Ordena la AUL que efectua las operaciones el resultado de este es depositado en el acumulador de la AUL.

5.- Si la instrucción a proporcionado nuevos datos estos son almacenados en la memoria principal.

6.- Incrementa en una unidad el contenido del contador de instrucciones a ejecutar.

UNIDADES PERIFÉRICAS

Unidades de comunicación

Memorias auxiliares.

Las unidades de comunicación: Permiten el dialogo con el exterior que son las de entrada y salida ejemplo: teclado, monitor impresora, mouse.

Las memorias auxiliares: Sirven para almacenar grandes volúmenes de datos de forma permanente por ejemplo: Unidades de discos y cintas magnéticas.

 

Funcionamiento del CPU

Funciones que realiza

La Unidad central de proceso o CPU, se puede definir como:

• Un circuito microscópico que interpreta y ejecuta instrucciones.

• La CPU se ocupa del control y el proceso de datos en los ordenadores. Habitualmente, la CPU es un microprocesador fabricado en un chip, un único trozo de silicio que contiene millones de componentes electrónicos.

El microprocesador de la CPU está formado por una unidad aritmético lógica que realiza cálculos y comparaciones, y toma decisiones lógicas (determina si una afirmación es cierta o falsa mediante las reglas del álgebra de Boole); por una serie de registros donde se almacena información temporalmente, y por una unidad de control que interpreta y ejecuta las instrucciones.

Para aceptar órdenes del usuario, acceder a los datos y presentar los resultados, la CPU se comunica a través de un conjunto de circuitos o conexiones llamado bus. El bus conecta la CPU a los dispositivos de almacenamiento (por ejemplo, un disco duro), los dispositivos de entrada (por ejemplo, un teclado o un ratón) y los dispositivos de salida (por ejemplo, un monitor o una impresora).

Procesamiento de la CPU

Una CPU procesa información almacenada en los bytes de la memoria. Esta información puede ser datos o instrucciones. Un dato es una representación binaria de una letra, un número, o un color; mientras que una instrucción le dice a la CPU que hacer con ese dato, es decir si sumarlo, si restarlo, moverlo, etc.

Como dijimos anteriormente, la CPU realiza tres operaciones básicas con los datos: puede leerlos, procesarlos , y escribirlos en la memoria. Es decir que, la CPU necesita solo cuatro elementos para realizar dichas operaciones con los datos: Las instrucciones, un puntero a las instrucciones (Instrucción Pointer), algunos registros, y la unidad aritmética lógica.

El Instrucción Pointer le indica a la CPU en que lugar de la memoria necesita ser ubicada la instrucción.

Los Registros son lugares de almacenamiento temporario ubicados en la CPU. Un registro contiene datos que esperan ser procesados por cualquier instrucción, o datos que ya han sido procesados, como por ejemplo, la suma o resta de algún número, etc.

La unidad aritmética lógica es una especie de calculadora que ejecuta funciones matemáticas y lógicas dedicadas a las instrucciones.

Por otro lado, la CPU contiene algunas partes adicionales que ayudan a dichos componentes principales a realizar el trabajo:

Un buscador de instrucciones (fetch), que recoge las instrucciones de la RAM o un área de memoria localizada en la CPU.

Un decodificador de instrucciones, que toma la instrucción desde el buscador y la traslada hasta que la CPU la entienda. Luego determina cuales son los pasos necesarios para cumplir con dicha instrucción.

La unidad de control, maneja y coordina toda las operaciones del chip. Este le permite saber a la unidad aritmética lógica cuando debe calcular, al buscador cuando debe grabar una cifra, y al decodificador cuando trasladar la cifra dentro de una instrucción