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.
