El Corazón del Ordenador: Descifrando la CPU, Memoria y Buses

Arquitectura de Computadoras: Componentes y Funcionamiento

Sistema Informático

Un sistema informático es un conjunto de elementos con una función determinada, que se interconectan para automatizar la información.

CPU (Unidad Central de Procesamiento)

El CPU es el cerebro del ordenador, encargado de interpretar y llevar a cabo las instrucciones de los programas. Realiza las siguientes operaciones:

• Aritméticas: sumas, restas, multiplicaciones, etc.
• Lógicas: verdadero o falso.
• De movimiento: desplazar bits o bytes entre posiciones.

Componentes de la CPU:

• Unidad de Control (U.C.)
• Unidad Aritmético-Lógica (U.A.L. ó A.L.U.)
• Registros

Unidad de Control (U.C.)

Lee, interpreta y ejecuta las instrucciones almacenadas en la memoria principal.

Unidad Aritmético-Lógica (U.A.L.)

Ejecuta las operaciones aritméticas (+, -, *, /), operaciones lógicas (And, Or, Not, Xor) y desplazamientos (introducir bits de relleno).

Registros

Zonas de memoria donde se almacena información de manera temporal (32 o 64 bits). Algunos ejemplos son el Registro de Instrucción y el Contador de Programa. También incluye la Unidad de Coma Flotante (FPU) que acelera los cálculos.

Memoria

La memoria es el dispositivo donde se almacenan el programa y los datos que la CPU va a leer y ejecutar.

• Consta de celdas (bits) agrupadas en palabras.
• Longitud de palabra: Número de bits que forman una palabra.
• Cada palabra tiene una dirección para acceder a ella.
• El acceso a cada dirección es aleatorio.

Operación de Lectura

• La CPU sitúa en el bus de direcciones la posición de memoria que se quiere leer.
• La memoria vuelca en el bus de datos la palabra almacenada en la dirección solicitada.

Operación de Escritura

• La CPU sitúa en el bus de direcciones la posición de memoria en la que se quiere escribir. Sitúa en el bus de datos la palabra que se quiere escribir.
• La memoria almacena en la dirección el dato.

Tipos de memoria:

• RAM (SRAM): Donde se almacenan los programas mientras están en ejecución.
• ROM (EEPROM): Programa de arranque del PC (TEST y carga del SO).
• RAM con pila (CMOS): Datos del hardware que necesita la BIOS para arrancar.

Entrada/Salida (E/S o I/O)

La unidad de E/S lleva a cabo la comunicación entre la CPU, la memoria y los periféricos.

Controlador de E/S

• Componente al que se conecta el periférico. Específico de cada uno, puede ir incorporado en el propio periférico.
• Traduce las instrucciones digitales recibidas a señales eléctricas.

Interfaz de E/S

• Punto de acceso de los buses hacia y desde el periférico.
• Gestiona la comunicación entre CPU y controlador.

Placas Base

La placa base es la principal placa de circuito impreso. Contiene los buses (caminos eléctricos para los datos), determina su tamaño y características que la hacen compatible con la fuente de alimentación y la caja. Los más populares son ATX, micro ATX y mini-ITX.

Socket y Chipset

El socket es el conector en la placa base para instalar la CPU. Determina el procesador que soporta la placa base. Es importante observar en las especificaciones de la placa base los procesadores que puede soportar. Puede ser que un socket soporte un procesador, pero el chipset no lo permita.

Métodos de conexión procesadores-socket:

• Pin Grid Array (PGA): El socket tiene agujeros donde encajan los pines de la parte inferior del chip del procesador.
• Land Grid Array (LGA): Del socket sobresalen contactos que coinciden con los del procesador. Hace mejor contacto que PGA.
• Ball Grid Array (BGA): Realmente no es un socket. El procesador presenta bolas de estaño que se sueldan directamente a la placa base.

Sockets Procesadores Intel

Nombre Familia LGA 1155 LGA 2011

Sockets Procesadores AMD

AMD suele usar PGA para sockets en equipos de escritorio. Nombre Familia AM2 FM2

Chipset

Conjunto de chips que trabajan conjuntamente con el procesador para controlar la memoria, buses y periféricos.

Chipsets Intel

• Northbridge y Southbridge en arquitectura Hub. Ampliamente utilizado hasta procesadores Intel iCore. Usa una arquitectura de hub acelerado para interconectar buses.
• Northbridge: Hub rápido. Contiene controlador gráfico y de memoria. Conecta directamente al procesador mediante bus de 64 bits FSB (Front Side Bus).
• Southbridge: Hub lento. Contiene controlador de I/O (ICH). Adoptada por otros fabricantes. En desuso.

Buses Intel para comunicación CPU-Chipset:

• QPI (QuickPath Interconnect): Altas prestaciones, versiones servidor o gama alta. Permite conectar varias CPUs en un sistema multiprocesador o conectar CPU con northbridge en CPUs sin controlador de memoria ni GPU integrados.
• DMI (Direct Media Interface): Menores prestaciones que QPI, pensado para el acceso desde la CPU a los periféricos a través del PCH (southbridge).
• FDI (Flexible Display Interface): Permite una conexión directa del procesador gráfico integrado en la CPU con los monitores, sin necesidad de un adaptador gráfico.

Chipsets AMD

• Series 9 y Series 8, para PCs de escritorio. Pensados para mejorar capacidades gráficas (CrossFire). Soporta overclocking.
• Series A, para equipos ligeros, notebooks, portátiles, etc. Eliminan FSB mediante bus HyperTransport. La comunicación entre northbridge y southbridge es a través del bus UMI (Unified Media Interface).

Los nuevos CPU también integran controlador de memoria y gráfico, por lo que se comunican directamente con la memoria y pueden hacerlo con el monitor, a través del southbridge.

Buses

Los buses son pistas (líneas) de circuito impresas en la placa base. Hay 3 tipos:

• Datos: Por el que se envían o reciben los datos. Actualmente de 32 o 64 bits.
• Direcciones: Indica las direcciones de memoria (bits) que se van a leer o escribir con los datos.
• Control: Envía los bits que indican las instrucciones a realizar con el dato.

Las pistas transmiten los bits:

• ON, equivale a un 1.
• OFF, equivale a un 0.

Buses según qué dispositivos conecten:

Buses locales (más rápidos):

• CPU ↔ memoria
• CPU ↔ northbridge
• Northbridge ↔ southbridge

Buses de expansión (lentos, conecta tarjetas de expansión, periféricos):

• Southbridge ↔ dispositivos PCI, PCI Express, Serial ATA

Procesadores

Las CPUs se fabrican mediante circuitos electrónicos integrados (chip o microprocesador). Son una pastilla semiconductora, Silicio fundamentalmente, sobre la que se realiza un circuito electrónico. Los componentes fundamentales de estos circuitos son los transistores. Se cubre de un plástico aislante (encapsulado) y se le añaden contactos para su conexión a un circuito externo (placas base).

El rendimiento (mayor número de operaciones o instrucciones por segundo) y la eficiencia (menor consumo eléctrico y menor temperatura) de un procesador dependen de:

• Diseño del circuito electrónico. Cuanto más complejo, mayor rendimiento, pero mayor consumo energético. Cuanto más sencillo sea, más eficiente. Arquitectura RISC frente a CISC.

CISC (Complex Instruction Set Computing): Más instrucciones, más complejas, mayor gasto de energía, complejo (PC).

RISC (Reduced Instruction Set Computing): Sencillo, instrucciones reducidas, mejor eficiencia (Servidor).

Mejores diseños y mayor integración permiten:

• Mayores velocidades de reloj: El procesador sincroniza la ejecución de instrucciones a los ciclos que marca el reloj. Una instrucción por ciclo.
• Mayor ancho de palabra: Tamaño máximo de los datos que la CPU puede procesar. Limita la cantidad de memoria a la que el CPU puede acceder.

Funcionamiento interno del procesador:

• La unidad de control busca las instrucciones en memoria principal y las pasa al decodificador de instrucciones.
• El decodificador de instrucciones interpreta y ejecuta las instrucciones.
• La ALU y la FPU se encargan de realizar las operaciones con números enteros y reales, respectivamente.
• Los registros actúan como memoria, almacenan contadores, datos, instrucciones y direcciones que las ALUs procesan.
• La memoria caché (L1, L2 y L3) almacena bloques de instrucciones que se van a procesar. Reduce el acceso lento a la RAM externa.
• Los buses dentro del procesador comunican sus distintos componentes. Son más rápidos (mayor frecuencia) que el bus que da acceso a la memoria y el chipset de la placa base (Bus del sistema).

La velocidad a la que el procesador opera suele ser múltiplo de la del bus externo. Existe un multiplicador, que en algunas placas se puede modificar desde la BIOS para hacer overclocking. Los procesadores actuales se mueven entre 1 (portátiles y móviles) y 4 GHz de frecuencia.

El bus y los registros internos de las CPUs actuales son de 64 bits, aunque compatibles con los de 32 bits. Los procesadores de 32 bits se denominan x86. Los procesadores de 64 bits, compatibles con 32 bits, se llaman x86-64: Para AMD son AMD64 e Intel EM64T. Los procesadores de 64 bits se denominan x64 ó IA64.

Multinúcleo (Multicore)

Tradicionalmente, cada microprocesador (chip) contenía una única U.C., U.A.L. (podría haber 2) y registros (núcleo o core). Se aumentaba el rendimiento aumentando la velocidad del reloj (hasta 3.8 GHz). Los procesadores se calentaban en exceso.

Paralelismo

• Varios cores trabajando simultáneamente en el mismo ciclo de reloj.
• Puede haber dos hilos de ejecución por cada core (hyperthreading).
• Ejecución de varias instrucciones a la vez.
• Cores más sencillos, más eficientes.

Caché

• L1 es la que se encuentra dentro de cada núcleo.
• L2 es de mayor capacidad que L1 y permite almacenar de manera temporal mayor cantidad de código de programa.
• L3 se usa como caché compartida entre todos los núcleos para ejecutar código común.

Nuevos Buses del Sistema

Hasta 2010, el bus del sistema era FSB (Front Side Bus). Intel utiliza Quick Path Interconnect (QPI) o Direct Media Interface (DMI). AMD emplea Hypertransport (HTT).