Arquitectura y Funcionamiento Interno del Procesador Central (CPU)

Fundamentos del Sistema de Computación

Un sistema de computación está formado por una CPU (Unidad Central de Procesamiento) que ejecuta el programa, una memoria que guarda los programas y datos, y los subsistemas que transforman el conjunto en un sistema funcional. Dichos subsistemas, además, facilitan la comunicación entre la CPU y los otros dispositivos.

Podemos llamar procesador a la CPU, ya que es el encargado de procesar los datos. Si el procesador está fabricado en una sola pieza de silicio se llama microprocesador.

Componentes Esenciales

• Registros: Son pequeñas memorias de alta velocidad ubicadas dentro del procesador.
• Memoria Caché: Es una memoria de acceso rápido que guarda las últimas operaciones y datos utilizados.
• Memoria Principal: Es la memoria en la que se almacenan los datos y los programas temporalmente.
• Bus: Es un componente por donde se transmiten los datos entre los distintos elementos del sistema.
• Puente: Es un dispositivo de interconexión de redes de ordenadores.

El Procesador y sus Funciones

El procesador es el que se encarga de tomar las decisiones y obtener los datos de la memoria. Se compone de dos partes fundamentales:

1. El Camino de Datos: Ejecuta las operaciones.
2. La Unidad de Control (UC): Indica a los dispositivos de entrada y salida, a la memoria y al camino de datos lo que deben hacer. Es el que activa y manda sobre los otros elementos de la computadora.

Dispositivos de Entrada y Salida

Los dispositivos de entrada son dispositivos electrónicos (ratón, teclado, etc.) que permiten la entrada de información a la computadora. Los dispositivos de salida son dispositivos electrónicos que comunican el resultado de la computación a un usuario o a otra máquina (monitores, impresoras, etc.).

Operación de la CPU y la Memoria

La CPU lee los programas y lleva a cabo las acciones especificadas por estos. Las memorias guardan dos tipos de datos: los programas y los datos creados por el programa necesarios para su ejecución.

La CPU decide los caminos que debe tomar la memoria a través de unos buses de datos. Solo puede decidir entre dos opciones para cada dato que le llega, utilizando 0 y 1 (sistema binario). Es el encargado de tomar decisiones y procesar la información que le llega para generar una salida a partir del programa que se le ha suministrado.

El Ciclo de Ejecución del Procesador

El procesador, en general, ejecuta las instrucciones mediante los siguientes pasos:

1. La unidad de interfaz con el bus lee la siguiente instrucción del programa y los datos asociados.
2. La unidad de decodificación traduce la instrucción y se la pasa a la Unidad de Control para que decida qué hacer con ella.
3. Ejecuta la instrucción y deja los datos en el registro.
4. La Unidad de Control le pasa los resultados a la unidad de interfaz con el bus y le da la orden de guardar en memoria.

Ejemplo Práctico de Ejecución de Instrucción

Veamos esto aplicado a un ejemplo de instrucción: ldr r4, [r0, #32]. Esta instrucción carga en el registro r4 la posición dada por la suma de r0 + 32.

La instrucción anterior realiza las siguientes acciones:

1. El procesador pide a la memoria la instrucción almacenada en la dirección dada por el registro PC (Program Counter).
2. El procesador incrementa el PC (PC + tamaño de instrucción).
3. La UC (Unidad de Control) decodifica la instrucción.
4. El camino de datos calcula la suma del contenido de r0 + 32.
5. El procesador pide a la memoria la palabra situada en la posición de memoria calculada previamente.
6. El procesador sobreescribe el contenido de r4 con la palabra obtenida de la memoria.

Los pasos del 1 al 3 son iguales para todas las instrucciones, aunque el resto de pasos al completarse volverían al primero.