2. El término "procesador" puede referirse a los siguientes definiciones:
Microprocesador informático o simplemente procesador, un circuito integrado que contiene
todos los elementos de la CPU.
CPU, el elemento que interpreta las instrucciones y procesa los datos de los programas de
computadora.
Graphics Processing Unit o Unidad de Procesamiento Gráfico, es un procesador dedicado a
procesamiento de gráficos o coma flotante. Es el elemento principal de toda tarjeta gráfica.
Physics processing unit o Unidad de Procesamiento Físico es un microprocesador dedicado,
diseñado para manejar cálculos físicos.
Procesador digital de señal (DSP), un sistema digital generalmente dedicado a interpretar
señales analógicas a muy alta velocidad.
Front end processor es un pequeño computador que sirve de a un computador host como interfaz
para un número de redes.
Data Processor es un sistema que procesa datos.
Procesador de textos, un software informático destinado a la creación y edición de documentos
de texto.
Procesador de audio analógico, un aparato frecuentemente utilizado en los estudios de
grabación y estaciones de radio.
Procesador de alimentos, un electrodoméstico de cocina también llamado multiprocesador.
3. El procesador (CPU, por Central Processing Unit o Unidad
Central de Procesamiento), es por decirlo de alguna manera, el
cerebro del ordenador. Permite el procesamiento de
información numérica, es decir, información ingresada en
formato binario, así como la ejecución de instrucciones
almacenadas en la memoria.
El primer microprocesador (Intel 4004) se inventó en 1971. Era
un dispositivo de cálculo de 4 bits, con una velocidad de 108
kHz. Desde entonces, la potencia de los microprocesadores ha
aumentado de manera exponencial. ¿Qué son exactamente
esas pequeñas piezas de silicona que hacen funcionar un
ordenador?
4. Funcionamiento
El procesador (denominado CPU, por Central Processing Unit) es un circuito
electrónico que funciona a la velocidad de un reloj interno, gracias a un
cristal de cuarzo que, sometido a una corriente eléctrica, envía pulsos,
denominados "picos". La velocidad de reloj (también denominada ciclo),
corresponde al número de pulsos por segundo, expresados en Hertz (Hz). De
este modo, un ordenador de 200 MHz posee un reloj que envía 200.000.000
pulsos por segundo. Por lo general, la frecuencia de reloj es un múltiplo de la
frecuencia del sistema (FSB, Front-Side Bus o Bus de la Parte Frontal), es
decir, un múltiplo de la frecuencia de la placa madre.
Con cada pico de reloj, el procesador ejecuta una acción que corresponde a
su vez a una instrucción o bien a una parte de ella. La medida CPI (Cycles Per
Instruction o Ciclos por Instrucción) representa el número promedio de ciclos
de reloj necesarios para que el microprocesador ejecute una instrucción. En
consecuencia, la potencia del microprocesador puede caracterizarse por el
número de instrucciones por segundo que es capaz de procesar. Los MIPS
(millions of instructions per second o millones de instrucciones por segundo)
son las unidades que se utilizan, y corresponden a la frecuencia del
procesador dividida por el número de CPI.
5. Instrucciones
Una instrucción es una operación elemental que el procesador puede cumplir.. Las instrucciones se almacenan en
la memoria principal, esperando ser tratadas por el procesador. Las instrucciones poseen dos campos:
el código de operación, que representa la acción que el procesador debe ejecutar;
el código operando, que define los parámetros de la acción. El código operando depende a su vez de la operación.
Puede tratarse tanto de información como de una dirección de memoria.
Código de Operación Campo de Operación
El número de bits en una instrucción varía de acuerdo al tipo de información (entre 1 y 4 bytes de 8 bits).
Las instrucciones pueden agruparse en distintas categorías. A continuación presentamos algunas de las más
importantes:
Acceso a Memoria: acceso a la memoria o transferencia de información entre registros.
Operaciones Aritméticas: operaciones tales como suma, resta, división o multiplicación.
Operaciones Lógicas: operaciones tales como Y, O, NO, NO EXCLUSIVO, etc.
Control: controles de secuencia, conexiones condicionales, etc.
6. Registros
Cuando el procesador ejecuta instrucciones, la información almacena en forma
temporal en pequeñas ubicaciones de memoria local de 8, 16, 32 o 64 bits,
denominadas registros. Dependiendo del tipo de procesador, el número total de
registros puede variar de 10 a varios cientos.
Los registros más importantes son:
el registro acumulador (ACC), que almacena los resultados de las operaciones
aritméticas y lógicas;
el registro de estado (PSW, Processor Estado: Word o Palabra de Estado del
Procesador), que contiene los indicadores de estado del sistema (lleva dígitos,
desbordamientos, etc.);
el registro de instrucción (RI), que contiene la instrucción que está siendo
procesada actualmente;
el contador ordinal (OC o PC por Program Counter, Contador de Programa), que
contiene la dirección de la siguiente instrucción a procesar;
el registro del búfer, que almacena información en forma temporal desde la
memoria.
7. Memoria caché
La memoria caché (también memoria buffer) es una memoria rápida que permite reducir los tiempos de espera de
las distintas informaciones almacenada en la RAM (Random Access Memory o Memoria de Acceso Aleatorio). En
efecto, la memoria principal del ordenador es más lenta que la del procesador. Existen, sin embargo, tipos de
memoria que son mucho más rápidos, pero que tienen un costo más elevado. La solución consiste entonces, en
incluir este tipo de memoria local próxima al procesador y en almacenar en forma temporal la información
principal que se procesará en él. Los últimos modelos de ordenadores poseen muchos niveles distintos de memoria
caché:
La Memoria caché nivel 1 (denominada L1 Cache, por Level 1 Cache) se encuentra integrada directamente al
procesador. Se subdivide en dos partes:
la primera parte es la caché de instrucción, que contiene instrucciones de la RAM que fueron decodificadas durante su paso por las
canalizaciones.
la segunda parte es la caché de información, que contiene información de la RAM, así como información utilizada recientemente
durante el funcionamiento del procesador.
El tiempo de espera para acceder a las memorias caché nivel 1 es muy breve; es similar al de los registros internos
del procesador. La memoria caché nivel 2 (denominada L2 Cache, por Level 2 Cache) se encuentra ubicada en la
carcasa junto con el procesador (en el chip). La caché nivel 2 es un intermediario entre el procesador con su caché
interna y la RAM. Se puede acceder más rápidamente que a la RAM, pero no tanto como a la caché nivel 1.
La memoria caché nivel 3 (denominada L3 Cache, por Level 3 Cache) se encuentra ubicada en la placa madre.
Todos estos niveles de caché reducen el tiempo de latencia de diversos tipos de memoria al procesar o transferir
información. Mientras el procesador está en funcionamiento, el controlador de la caché nivel 1 puede
interconectarse con el controlador de la caché nivel 2, con el fin de transferir información sin entorpecer el
funcionamiento del procesador. También, la caché nivel 2 puede interconectarse con la RAM (caché nivel 3) para
permitir la transferencia sin entorpecer el funcionamiento normal del procesador.
8. Señales de Control
Las señales de control son señales
electrónicas que orquestan las diversas
unidades del procesador que participan en la
ejecución de una instrucción. Dichas señales
se envían utilizando un elemento
denominado secuenciador. Por ejemplo, la
señal Leer/Escribir permite que la memoria se
entere de que el procesador desea leer o
escribir información
9. Unidades Funcionales
El procesador se compone de un grupo de unidades interrelacionadas (o unidades de control).
Aunque la arquitectura del microprocesador varía considerablemente de un diseño a otro, los
elementos principales del microprocesador son los siguientes:
Una unidad de control que vincula la información entrante para luego decodificarla y enviarla a la
unidad de ejecución:La unidad de control se compone de los siguientes elementos:
secuenciador (o unidad lógica y de supervisión ), que sincroniza la ejecución de la instrucción con la velocidad
de reloj. También envía señales de control:
contador ordinal, que contiene la dirección de la instrucción que se está ejecutando actualmente;
registro de instrucción, que contiene la instrucción siguiente.
Una unidad de ejecución (o unidad de procesamiento), que cumple las tareas que le asigna la
unidad de instrucción. La unidad de ejecución se compone de los siguientes elementos:
la unidad aritmética lógica (se escribe ALU); sirve para la ejecución de cálculos aritméticos básicos y
funciones lógicas (Y, O, O EXCLUSIVO, etc.);
la unidad de punto flotante (se escribe FPU), que ejecuta cálculos complejos parciales que la unidad
aritmética lógica no puede realizar;
el registro de estado;
el registro acumulador.
Una unidad de administración del bus (o unidad de entrada-salida) que administra el flujo de
información entrante y saliente, y que se encuentra interconectado con el sistema RAM
10.
11. Transistor
Con el fin de procesar la información, el microprocesador posee un grupo de instrucciones,
denominado "conjunto de instrucciones", hecho posible gracias a los circuitos electrónicos. Más
precisamente, el conjunto de instrucciones se realiza con la ayuda de semiconductores, pequeños
"conmutadores de circuito" que utilizan el efecto transistor, descubierto en 1947 por John Barden,
Walter H. Brattain y William Shockley, quienes recibieron por ello el premio Nobel en 1956.
Un transistor (contracción de los términos transferencia y resistor) es un componente electrónico
semi-conductor que posee tres electrodos capaces de modificar la corriente que pasa a través
suyo, utilizando uno de estos electrodos (denominado electrodo de control). Éstos reciben el
nombre de "componentes activos", en contraste a los "componentes pasivos", tales como la
resistencia o los capacitores, que sólo cuentan con dos electrodos (a los que se denomina
"bipolares").
El transistor MOS (metal, óxido, silicona) es el tipo de transistor más común utilizado en el diseño
de circuitos integrados. Los transistores MOS poseen dos áreas con carga negativa, denominadas
respectivamente fuente (con una carga casi nula), y drenaje (con una carga de 5V), separadas por
una región con carga positiva, denominada sustrato. El sustrato posee un electrodo de control
superpuesto, denominado puerta, que permite aplicar la carga al sustrato.
12. Circuitos Integrados
Una vez combinados, los transistores pueden constituir circuitos lógicos que, al combinarse,
forman procesadores. El primer circuito integrado data de 1958 y fue construido por Texas
Instruments.
Los transistores MOS se componen, entonces, de láminas de silicona (denominadas obleas),
obtenidas luego de múltiples procesos. Dichas láminas de silicona se cortan en elementos
rectangulares para formar un "circuito". Los circuitos se colocan luego en carcasas con conectores
de entrada-salida, y la suma de esas partes compone un "circuito integrado". La minuciosidad del
grabado, expresado en micrones (micrómetros, se escribe µm) define el número de transistores
por unidad de superficie. Puede haber millones de transistores en un sólo procesador.
La Ley de Moore, escrita en 1965 por Gordon E. Moore, cofundador de Intel, predijo que el
rendimiento del procesador (por extensión del número de transistores integrados a la silicona) se
duplicaría cada 12 meses. Esta ley se revisó en 1975, y se cambió el número de meses a 18. La Ley
de Moore sigue vigente hasta nuestros días.
Dado que la carcasa rectangular contiene clavijas de entrada-salida que parecen patas, en Francia
se utiliza el término "pulga electrónica" para referirse a los circuitos integrados.
