Unidad Central de Proceso (CPU)

 
La CPU ( Se le denomina CPU por las siglas en ingles central processing unit), es el núcleo de la funcionalidad de una computadora. La CPU es la parte principal de un equipo que procesa los cálculos matemáticos necesarios para que la máquina funcione. A las CPU se les suele llamar "cerebros" de las computadoras, ya que no podrían funcionar sin ellas.

Sus partes principales son Las siguientes:

• La unidad de control (UC).
• La unidad aritmético – lógica (UAL).
• La Memoria Central (MC).

La unidad central de proceso también incorpora un cierto número de registros rápidos (pequeñas unidades de memoria) de propósito especial, que son utilizados internamente por la misma.

Una aproximación al diseño interno de un microprocesador es el siguiente:

 

Función

Las CPU están diseñadas para ejecutar las instrucciones de un programa. Los programas se almacenan como secuencias numéricas dentro de la memoria de la computadora. Cuando se accede a un programa, la CPU procesa sus instrucciones. Las CPU llevan a cabo instrucciones de programación en el mismo formato original de la computadora con programas almacenados que desarrolló John Von Newmann. Las instrucciones se ejecutan en cuatro pasos: búsqueda, decodificación, ejecución y reescritura. Las CPU buscan las instrucciones del programa y las decodifican. A medida que la CPU va decodificando las instrucciones, ordena y prioriza la información del programa para preparar la ejecución. La ejecución es donde la CPU completa las instrucciones del programa. Una vez que se completa la ejecución de un programa, la CPU vuelve a escribir los resultados de la ejecución de manera que se almacenen en su registro interno o memoria informática. Cuando se vuelve a acceder al programa, la CPU puede acceder a la información de contestación del programa.

 Para una mejor compresión del funcionamiento de la UCP, la misma se puede dividir en dos unidades la unidad de control y la unidad aritmético-lógica.

Unidad de control (UC)

La unidad de control (UC) es el centro nervioso de la computadora; desde ella se controla y gobiernan todas las operaciones (búsqueda, decodificación, y ejecución de la instrucción). Para realizar su función, consta de los siguientes elementos:

• Registro de contador de programas (CP)
• Registro de Instrucciones (RI)
• Decodificador (D)
• Reloj (R)
• Generador de Señales o Secuenciador (S)

Registro de contador de programas (CP).También denominado registro de control de Secuencia (RCS), contiene permanentemente la dirección de memoria de la próxima instrucción a ejecutar. Si la instrucción que se está ejecutando en un instante determinado es de salto o de ruptura de secuencia, el RCS tomará la dirección de la instrucción que se tenga que ejecutar a continuación; esta dirección la extraerá de la propia instrucción en curso.

Registro de Direcciones (RD). Contiene la dirección de memoria donde se encuentra la  próxima instrucción y esta comunicado con el Bus de Direcciones. El tamaño de este registro determina el tamaño de la memoria que puede direccionar. Una vez que la instrucción se encuentra en la UCP,  el código de la instrucción pasa al registro de instrucciones.

Registro de Instrucciones (RI).Contiene la instrucción que se está ejecutando en cada momento. Esta instrucción llevará consigo el código de operación (CO), acción de que se trata, y en su caso los operandos o las direcciones de memoria de los mismos. Pasa el CO al decodificador.

Decodificador (D). Se encarga de extraer y analizar el código de operación de la instrucción en curso (que está en el RI) y dar las señales necesarias al resto de los elementos para su ejecución por medio del Generador de Señales.

Generador de Señales(GS). En este dispositivo se generan órdenes muy elementales (microórdenes) que, sincronizadas por los impulsos del reloj, hacen que se vaya ejecutando poco a poco la instrucción que está cargada en el RI.

Reloj (R). Proporcionar una sucesión de impulsos eléctricos a intervalos constantes (frecuencia constante), que marcan los instantes en que han de comenzar los distintos pasos de que consta cada instrucción.

 

Unidad aritmético–lógica (UAL)

Esta unidad es la encargada de realizar las operaciones elementales de tipo aritmético (generalmente sumas o restas) y de tipo lógico (generalmente comparaciones). Para realizar su función, consta de los siguientes elementos:

• Banco de registros (BR). Está constituido por 8, 16 ó 32 registros de tipo general que sirven para situar dates antes de cada operación, para almacenar datos intermedios en las operaciones y para operaciones internas del procesador.
• Circuitos operadores (CIROP). Compuesto de uno o varios circuitos electrónicos que realizan operaciones elementales aritméticas y lógicas (sumador, complementador, desplazador, etc).
• Registro de resultado (RR). Se trata de un registro especial, en el que se depositan los resultados que producen los circuitos operadores.
• Señalizadores de estado (SE). Registro con un conjunto de biestables en los que se deja constancia de algunas condiciones que se dieron en la última operación realizada. 

 

La memoria central (MC)

Es la parte de la unidad central de proceso de una computadora donde están almacenadas las instrucciones y los datos necesarios para que un determinado proceso pueda ser realizado.

La memoria central está constituida por una multitud de celdas o posiciones de memoria, numeradas de forma consecutiva, capaces de retener, mientras la computadora esté conectada, la información necesaria.

La memoria central tiene asociados dos registros para la realización de operaciones de lectura o escritura, y un dispositivo encargado de seleccionar una celda de memoria en coda operación de acceso sobre la misma:

• Registro de dirección de memoria (RDM). Contiene la dirección de memoria donde se encuentran o va a ser almacenada la información (instrucción o dato), tanto si se trata de una lectura como de una escritura de o en memoria central, respectivamente.
• Registro de intercambio de memoria (RIM). Si se trata de una operación de lectura, el RIM es quien recibe el dato de la memoria señalado por el RDM, para su posterior envío a uno de Los registros de la UAL. Si se trata de una operación de escritura, la información a grabar tiene que ester en el RIM, para que desde él se transfiera a la posición de memoria indicada por el RDM.
• Selector de memoria (SM). Es el dispositivo que, tras una orden de lectura o escritura, conecta la celda de memoria cuya dirección figure en el RDM con el RIM, posibilitando la transferencia de Los dates en un sentido o en otro.

La memoria central suele ser direccionable por octeto o byte; por tanto, una celda o posición de memoria contiene 8 bits. Una de Las características fundamentales de una computadora es su capacidad de memoria interna (memoria central), la cual se mide en un múltiplo del byte denominado Kilobyte, Kbyte, Kb o simplemente K, y que equivale a 1 024 bytes (1 024 = 2'°). Otro múltiplo utilizado ampliamente en Los últimos tiempos es el Megabyte o simplemente Mega, que equivale a 1 024 * 1 024 Bytes; es decir, a 1 048 576 bytes.