Arquitectura Interna del Microprocesador: Componentes Esenciales y Ciclo de Instrucción

Componentes Esenciales del Microprocesador

El microprocesador, también conocido como CPU (Unidad Central de Procesamiento), es el cerebro de cualquier sistema informático. Está compuesto por diversas unidades y registros que trabajan en conjunto para ejecutar instrucciones y procesar datos. A continuación, se detallan sus componentes clave:

Unidad de Control (UC)

Es el cerebro del microprocesador. Se encarga de activar o desactivar los diversos componentes del microprocesador en función de la instrucción que se esté ejecutando y su etapa. Almacena, interpreta y controla la ejecución de cada instrucción.

Contador de Programa (CP)

Contiene la dirección de la instrucción que se está ejecutando y la dirección de la próxima instrucción a ejecutar. El Contador de Programa se incrementa automáticamente en cada ciclo de instrucción, lo que permite que las instrucciones sean leídas secuencialmente desde la memoria.

Registro de Instrucción (RI)

Almacena la instrucción que se está ejecutando. Cada instrucción, al ser ejecutada, se carga en este registro mientras es decodificada, preparada y ejecutada.

Decodificador de Instrucción

Se encarga de extraer y analizar el código de operación de la instrucción actual contenida en el RI, generando las señales de control necesarias para su correcta ejecución.

Unidad Aritmético-Lógica (UAL/ALU)

Realiza operaciones aritméticas y lógicas entre dos números. Una ALU debe procesar números utilizando el mismo formato que el resto del circuito digital (binario, complemento a dos, etc.).

Registro Acumulador

Almacena temporalmente los resultados aritméticos y lógicos intermedios procesados por la ALU. Sin este registro, sería necesario escribir el resultado de cada cálculo en la memoria principal, lo que ralentizaría el proceso.

Unidad de Coma Flotante (FPU)

También conocido como coprocesador matemático, es un componente de la CPU especializado en el cálculo de operaciones de coma flotante. Las operaciones básicas que puede realizar son aritméticas. Puede realizar en un ciclo de reloj lo que la ALU tardaría en 100 ciclos.

Registro de Dirección de Memoria (RDM)

Contiene la dirección de una posición de memoria donde se encuentra o se va a almacenar la información. Este intercambio se realiza a través del bus de direcciones.

Registro de Intercambio de Memoria (RIM)

Recibe o envía el dato o la información contenida en la dirección apuntada por el RDM. El intercambio se realiza a través del bus de datos.

Registros de Condición (Flags)

Son bits de información que acompañan a los datos procesados e indican, por ejemplo: si hay desbordamiento, el signo de la operación, si el resultado es cero, etc.

Registros de Dirección

Contienen las direcciones de memoria donde se encuentran los datos. Los más comunes son los registros índice y los punteros de pila.

Puntero de Pila

Las pilas se utilizan para almacenar los parámetros y las direcciones de retorno de los procedimientos y las llamadas al sistema (saltos). El puntero de pila siempre apunta a la cima de la pila (LIFO - Last In, First Out).

Registro Índice

Es un registro del procesador utilizado para modificar direcciones de operación durante la ejecución del programa.

Registros de Datos

Almacenan datos, lo que aumenta la velocidad de acceso cuando uno de estos datos es solicitado.

Reloj

Mide el tiempo de procesamiento de las instrucciones.

Secuenciador

Controla el tiempo de procesamiento de las instrucciones, sincronizando todas las operaciones en el ordenador.

Fase de Búsqueda de una Instrucción (Fetch)

La fase de búsqueda o fetch es el primer paso en el ciclo de ejecución de una instrucción por parte del microprocesador. Consiste en los siguientes pasos:

1. La Unidad de Control envía una microorden para que el contenido del Registro Contador de Programa (CP), que contiene la dirección de la siguiente instrucción, sea transferido al Registro de Dirección de Memoria (RDM).
2. La posición de memoria indicada en el Registro de Dirección de Memoria (RDM) es utilizada por el selector para transferir su contenido al Registro de Intercambio de Memoria (RIM).
3. La instrucción se transfiere desde el Registro de Intercambio de Memoria (RIM) al Registro de Instrucción (RI).
4. Posteriormente, el Decodificador de Instrucción procede a interpretar la instrucción recién llegada al Registro de Instrucción (RI) (por ejemplo, SUMAR), quedando dispuesto para la activación del circuito sumador de la UAL e informando al Secuenciador.
5. El Registro Contador de Programa (CP) se autoincrementa en 1, de tal forma que apunte a la siguiente instrucción situada consecutivamente en memoria. Si la instrucción en ejecución es de ruptura de secuencia (por ejemplo, un salto), el Contador de Programa se cargará con la dirección correspondiente.