Componentes y Funcionamiento de la CPU: Registros, Buses y Memoria

Ejercicios Resueltos: Componentes y Funcionamiento de la CPU

1. ¿Qué elementos componen la CPU?

La Unidad Central de Procesamiento (CPU) se compone de los siguientes elementos principales:

• Unidad de Control (UC): Dirige y coordina las operaciones de la CPU.
• Unidad Aritmético-Lógica (ALU): Realiza operaciones aritméticas y lógicas.
• Registros: Almacenan datos e instrucciones temporalmente.

Estos elementos se comunican con el resto del sistema a través de los buses.

2. Registros de control y estado en la ejecución de una instrucción

Los siguientes registros intervienen en la ejecución de instrucciones:

• Contador de Programa (CP): Contiene la dirección de memoria de la siguiente instrucción a ejecutar.
• Registro de Instrucción (RI): Contiene el código de la instrucción que se está ejecutando actualmente.
• Registro de Intercambio de Memoria (RIM) / Registro de Datos de Memoria (MDR): Recibe o envía información desde/hacia la posición de memoria indicada por el Registro de Direcciones de Memoria (MAR).
• Registro de Direcciones de Memoria (MAR): Contiene la dirección de memoria que se va a acceder.

3. Función de los Buses de Comunicación

Los buses interconectan los componentes de la computadora y permiten la transferencia de datos, direcciones y señales de control:

• Bus de Datos: Permite el intercambio bidireccional de datos entre la CPU, la memoria y los periféricos.
• Bus de Direcciones: La CPU lo utiliza para especificar la dirección de memoria o del dispositivo de E/S con el que se va a comunicar. Es unidireccional (de la CPU a los demás componentes).
• Bus de Control: Transporta señales de control para sincronizar y coordinar las operaciones entre los diferentes componentes (ej: señales de lectura/escritura, interrupciones, etc.).

4. Componentes de la Unidad de Control (UC) y la Unidad Aritmético-Lógica (ALU)

Componentes de la Unidad de Control:

• Contador de Programa (CP) (Ya mencionado)
• Registro de Instrucción (RI) (Ya mencionado)
• Decodificador de Instrucciones: Interpreta el código de operación de la instrucción.
• Reloj: Genera los pulsos que sincronizan las operaciones.
• Secuenciador: Genera las microórdenes necesarias para ejecutar cada instrucción.

Componentes de la ALU:

• Circuito Operacional: Realiza las operaciones.
• Registros de entrada: Almacenan los operandos.
• Acumulador: Almacena resultados de operaciones.
• Registro de estado: Indica condiciones especiales de la operación (acarreo, cero, signo, desbordamiento).

Un componente importante, aunque a veces considerado externo a la ALU, es el coprocesador matemático (o Unidad de Coma Flotante - FPU), especializado en operaciones con números en coma flotante.

5. Operaciones de Lectura y Escritura en Memoria

A) Lectura:

1. La dirección de la celda de memoria a leer se carga en el Registro de Direcciones de Memoria (MAR).
2. La unidad de memoria (a través del selector de memoria) localiza la celda.
3. El dato almacenado en esa celda se copia en el Registro de Intercambio de Memoria (RIM/MDR).
4. El dato se transfiere desde el RIM/MDR a la CPU (normalmente a un registro).

B) Escritura:

1. La dirección de la celda donde se va a escribir el dato se carga en el MAR.
2. El dato a escribir se coloca en el RIM/MDR.
3. Se activa la señal de control de escritura en el bus de control.
4. El dato del RIM/MDR se escribe en la celda de memoria direccionada por el MAR.

6. Tipos de Memoria en un Equipo Informático

Los principales tipos de memoria son:

• Memoria Principal (RAM): Memoria volátil de acceso aleatorio donde se almacenan datos e instrucciones de los programas en ejecución.
• Memoria ROM: Memoria no volátil que contiene el firmware del sistema (BIOS/UEFI).
• Memoria Caché: Memoria volátil muy rápida, ubicada entre la CPU y la RAM, que almacena datos e instrucciones de uso frecuente. Existen varios niveles (L1, L2, L3).
• Registros de la CPU: Son la memoria más rápida, interna a la CPU.
• Memoria Secundaria (Almacenamiento): Dispositivos de almacenamiento no volátil (discos duros, SSD, memorias USB, etc.).