Funcionamiento Interno del Procesador y Arquitectura de Computadores

Ciclo de Vida de una Orden

El proceso comienza cuando el usuario introduce una orden mediante un dispositivo de entrada (teclado o ratón). El programa se carga desde el disco duro a la RAM, donde la CPU toma las instrucciones, las interpreta y ejecuta. Finalmente, el resultado se muestra en un dispositivo de salida (pantalla).

• Programa: Archivo guardado en el disco duro (estado pasivo).
• Proceso: Programa ejecutándose en la RAM (estado activo).

La CPU: El Cerebro del Ordenador

La CPU es el componente principal del sistema y se divide en:

• UC (Unidad de Control): Controla y dirige las instrucciones, además de gestionar otros componentes.
• UAL (Unidad Aritmético Lógica): Realiza operaciones aritméticas y lógicas.
• Registros: Memoria de alta velocidad integrada en la CPU.

Buses de Comunicación

Son los canales que comunican la CPU, la memoria y los dispositivos:

• Bus de datos: Transporta la información.
• Bus de direcciones: Indica la posición de memoria del dato.
• Bus de control: Coordina y controla las operaciones.

Ciclo de Instrucción

La CPU opera bajo un lenguaje propio mediante tres fases:

1. Fetch: Recoge la instrucción de la RAM.
2. Decode: Interpreta la instrucción.
3. Execute: Ejecuta la operación.

Nota: El lenguaje ensamblador permite al programador dar instrucciones que se transforman en código máquina (ceros y unos) para que la CPU pueda procesarlas.

Arquitectura y Rendimiento

• Procesadores Multicore: Procesadores con varias CPU integradas.
• Multihilo (Multithreading): Procesadores con varios hilos, donde cada hilo gestiona una tarea.

El rendimiento del procesador depende de la frecuencia de reloj y de la complejidad del lenguaje utilizado.

Memoria Interna y Jerarquía

La memoria interna almacena temporalmente los datos y programas que utiliza la CPU, permitiendo un acceso rápido (se borra al apagar el equipo). La memoria caché es una memoria ultrarrápida que almacena datos frecuentes para evitar el uso constante de la RAM.

Regla de oro: Cuanto más cerca está la memoria de la CPU, es más cara, más rápida y de menor capacidad. El disco duro no se considera memoria interna, ya que la UC no puede acceder directamente a él y su información es persistente.

Estrategias de Optimización

• Principio de localidad temporal: Si un dato se acaba de usar, es probable que se use próximamente.
• Principio de localidad espacial: Si un dato se acaba de usar, es probable que se utilicen datos en direcciones de memoria próximas.

Gestión de Dispositivos de Entrada/Salida (E/S)

• Programada: La CPU visita el módulo de E/S periódicamente.
• Dirigida por interrupciones: Es bidireccional; el periférico avisa de nuevos datos. Un exceso de interrupciones puede ralentizar el sistema.
• Acceso directo a memoria (DMA): Independiente de la CPU. Los periféricos transfieren datos directamente a la RAM sin pasar por la CPU. Esto evita la sobrecarga, aunque puede generar conflictos si varios dispositivos acceden a la RAM simultáneamente.