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Central Processing Unit (CPU)

 

También llamado procesador, interpreta y realiza las instrucciones básicas que opera la computadora. El CPU impacta significativamente todo el poder de la computadora y maneja la mayoría de las operaciones de la computadora. El CPU contiene el “control unit” y el “arithmetic/logic unit”. Algunos autores incluyen como un tercer componente del CPU el “Input/Output interface”.

 

Control Unit

El control unit, un componente del CPU, dirige y coordina la mayoría de las operaciones de la computadora. Interpreta cada instrucción enviada por un programa e inicia la acción apropiada para realizar esa instrucción. Para cada instrucción, el control unit repite un grupo de cuatro operaciones básicas:

 

1.    “fetching” – es el proceso de obtener una instrucción de un programa o datos de la memoria.

2.    “decoding” – es el proceso de traducir la instrucción en comandos que la computadora pueda ejecutar.

3.    “executing” – es el proceso de realizar los comandos

4.    “storing” – es el proceso de escribir el resultado a la memoria.

 

Estas cuatro operaciones componen el ciclo de máquina (machine cycle) o ciclo de instrucción (instruction cycle). El tiempo de instrucción (instruction time, i-time) es el tiempo que toma al control unit para realizar el “fetch” y el “decode”. El tiempo de ejecución (execution time, e-time) es el tiempo que toma al control unit para ejecutar y guardar (execute, store). Se puede computar el tiempo total requerido para el ciclo de máquina añadiendo el i-time y el e-time. Algunos profesionales en el campo de la computadora miden la velocidad del CPU de acuerdo a cuantos millones de instrucciones por segundo (MIPS) puede procesar.

 


 

Arithmetic/Logic unit (ALU)

El ALU es otro componente del CPU. Realiza las operaciones de aritmética, comparación y de lógica. Las operaciones de aritmética incluyen suma, resta, multiplicación y división. Las operaciones de comparación se utilizan para comparar un dato con otro para determinar si el primer dato es mayor que, igual a, o menor que el segundo dato. Dependiendo del resultado de la comparación, se pueden realizar diferentes acciones. Las operaciones de lógica utilizan condiciones junto con los operadores de lógica tales como AND, OR y NOT.

 

Pipelining

En algunas computadoras, el CPU procesa solo una instrucción a la vez. El CPU debe esperar hasta que una instrucción complete las cuatro operaciones del ciclo de máquina antes de comenzar a trabajar en la próxima instrucción. Con pipelining, el CPU comienza a ejecutar una segunda instrucción antes de completar la primera. Cuando un CPU realiza pipelining, procesa con mayor rapidez. Aunque el pipelining se realizaba solo en computadoras de alto desempeño, actualmente es muy común encontrar CPU que utilicen pipelining en computadoras personales.

 


 

Registros

El CPU contiene localizaciones de almacenamiento de alta velocidad, llamados registros, que almacenan datos e instrucciones en forma temporera. Un CPU tiene varios registros diferentes, que realizan funciones específicas como guardar la localización de una instrucción, etc.

 

System Clock

El CPU sincroniza o controla el tiempo de todas las operaciones de la computadora utilizando un pequeño chip llamado system clock. Así como el corazón de una persona late a un ritmo regular para mantener el cuerpo funcionando, el system clock genera pulsos electrónicos regulares, o “ticks”, que establece el ritmo de operación de los componentes del system unit. Cada tick es un ciclo de reloj (clock cycle). Actualmente, muchos CPU pueden ejecutar más de una instrucción por ciclo del reloj.

La velocidad del reloj (clock speed o clock rate) es la velocidad a la que un procesador ejecuta instrucciones. Mientras más rápido sea el reloj, más instrucciones puede procesar el CPU por segundo. Los manufactureros de computadoras expresan la velocidad del reloj en megaherts y gigahertz. Una computadora que opera a 933 MHz (megahertz) tiene 933 millones (mega) de ciclos de reloj en un segundo (hertz).

El poder del CPU frecuentemente es determinado por cuán rápido procesa datos. El system clock es uno de los factores mayores que influencian la velocidad de la computadora. Un CPU con mayor velocidad de reloj puede procesar más instrucciones por segundo que un CPU con menor velocidad de reloj. Es importante mantener en mente que la velocidad del reloj afecta solo al CPU; no tiene efectos en otros equipos como impresoras y lectores de disco (disk drives).

 

Instalación de procesadores y actualizaciones (“upgrade”)

En vez de comprar una nueva computadora, es posible que se desee realizar una mejora (upgrade) al procesador para aumentar el desempeño de la computadora. Los “upgrades” a los procesadores se pueden realizar en una de tres maneras:

1.    chip-for-chip – se reemplaza el procesador actual con uno nuevo

2.    piggyback upgrade – se coloca el nuevo procesador sobre el procesador actual.

3.    daughterboard upgrade – es una pequeña tarjeta de circuito que se conecta al motherboard, por lo general para añadir capacidades adicionales al motherboard.

 


 

 

Heat sinks, heat pipes

Los nuevos procesadoras generan mucho calor, lo que puede causar que el chip se queme. Por lo general, el abanico principal de la computadora genera suficiente flujo de aire para enfriar el procesador. Sin embargo, en algunas ocasiones el procesador requiere un heat sink – especialmente cuando se añade un procesador más poderoso. Un heat sink es un componente pequeño de cerámica o metal que absorbe y ventila el calor producido por los componentes eléctricos. Algunos heat sink se empacan como parte del procesador. Otros se instalan sobre o al lado del chip. Dado que el heat sink ocupa mucho espacio, un pequeño equipo llamado heat pipe enfría el procesador en las computadoras portátiles (notebook).

 

Coprocesador

Otra forma de aumentar el desempeño de una computadora es a través de un coprocesador, que es un chip procesador especial que ayuda al procesador principal a realizar tareas específicas. Los usuarios que ejecutan aplicaciones de ingeniería, científicas o gráficas, notarán un aumento dramático en la velocidad de las aplicaciones al usar un coprocesador. En la actualidad, la mayoría de las computadoras incluyen el coprocesador.

 

Procesamiento paralelo

Algunas computadoras usan más de un procesador para acelerar el tiempo de procesamiento. Este método, conocido como procesamiento paralelo, utiliza múltiples procesadores simultáneamente para ejecutar los programas. Las supercomputadoras usan procesamiento paralelo para aplicaciones como predicción del tiempo.