Arquitectura de Von-Neumann: La Unidad Central de Proceso (CPU)

Estructura y funcionamiento.

La Unidad Central de Proceso o CPU controla y coordina todas las operaciones del ordenador. Está constituida por dos elementos básicos: la Unidad de Control (UC) y la Unidad Aritmético-Lógica (ALU).

  • La Unidad de Control es la encargada de controlar la ejecución de las instrucciones en el orden indicado en el programa, secuencia de operaciones necesarias para ejecutar cada instrucción. Realiza la coordinación entre la ALU, la memoria principal y el resto de componentes. La UC consta de una serie de registros, un decodificador y un reloj:
    • Los registros se encargan de almacenar la información que utiliza la UC en un momento dado. Entre los principales registros están los siguientes:
      • Registro CP (Contador de Programa): almacena la dirección de memoria de la siguiente instrucción que se debe ejecutar. Los programas de ordenador constan de varias instrucciones que han de estar en memoria principal al ser ejecutados.
      • Registro RI (Registro de Instrucción): almacena la instrucción que se está ejecutando en cada momento.
      • Registros de propósito general: pequeñas zonas de memoria de acceso muy rápido que almacenan los datos a los que se va a acceder de forma inmediata.
  • El decodificador está compuesto por los circuitos encargados de determinar qué se debe hacer teniendo en cuenta el código de la instrucción a ejecutar y los valores del registro de estado.
  • El reloj indica el momento en que se debe ejecutar cada paso de la ejecución de una instrucción. La velocidad del reloj se mide en Hertzios (pulsos de reloj por segundo).
  • La Unidad Aritmético-Lógica (ALU), es la encargada de realizar las operaciones aritméticas (sumas, restas, multiplicaciones,…) y lógicas (NOT, AND, OR, XOR,…) que le ordene la Unidad de Control (UC). Está compuesta por:
    • Circuitos digitales que realizan las operaciones solicitadas por la Unidad de Control.
    • Registros que almacenan los operandos participantes en las operaciones.
    • Registro acumulador que almacena el resultado.
    • Registro de estado que proporciona información sobre el estado de la última operación. Después de realizar ciertas operaciones se toman decisiones en función del resultado y almacenar características del resultado en un solo bit sirve para ser más rápido al evaluar la condición.

 

El siguiente esquema muestra la estructura de la ALU:

Unidad Aritmético-Lógica

 

NOTA: Para saber si 2 números son iguales el ordenador realiza la operación de restarlos y si el resultado es 0 es que son iguales. En vez de comprobar que todos los bits son 0, sólo hay que comprobar si bit del registro de estado asociado al resultado es 0.

 

El microprocesador

En los ordenadores actuales, la CPU básica está implementada en un chip que llamamos microprocesador o procesador, aunque en ordenadores avanzados la CPU está compuesta por varios procesadores. El microprocesador es por tanto el elemento físico que realiza las operaciones asignadas a la CPU.

 

Microprocesador

 

Internamente, los procesadores contienen unos circuitos electrónicos básicos denominados transistores. Un circuito integrado es una pequeña pastilla de silicio que, con la tecnología actual, pueden llegar a incluir  miles de millones de transistores. El procesador de un ordenador es un circuito integrado. La enorme cantidad de transistores que utiliza hoy día un procesador hace que genere mucho calor por lo que se suele colocar un ventilador encima del mismo para ayudar a eliminarlo.

La velocidad actual de los procesadores es de varios Megahertzios (MHz). Un procesador será más potente cuantos más MHz tenga, aunque no es el único criterio a tener en cuenta: otro factor es el tipo de instrucciones (simples o complejas) que el procesador es capaz de realizar en cada pulso de reloj.

Según la ley de Moore, cada año y medio se duplica el número de transistores de un circuito integrado, lo que lleva en la práctica a duplicar la velocidad de los ordenadores y su capacidad de almacenamiento. Es una ley que se viene cumpliendo desde 1965.

 

NOTA: Se estima que el número de transistores que se venden cada año supera en 100 veces al número de hormigas que hay en la tierra.

 

Fuente: http://www.cpraviles.com/materiales/pcpi/PCPI/indexfee9.html?page_id=891