El documento describe la unidad central de procesamiento (CPU) y su funcionamiento. La CPU interpreta y ejecuta instrucciones de programas mediante cuatro pasos: 1) leer instrucciones de la memoria, 2) decodificar las instrucciones, 3) ejecutar las operaciones especificadas, y 4) almacenar los resultados. Las CPU han evolucionado de componentes discretos a microprocesadores integrados en un solo chip, lo que ha permitido aumentar su complejidad y velocidad.

1. Fecha
UNIDAD CENTRAL DE
PROCESAMIENTO
Emmanuel Mohzo Kim

2. ¿Qué es?
✤ La unidad central de procesamiento o unidad de procesamiento central (conocida por las siglas CPU, del inglés: central processing unit), es el
hardware dentro de un ordenador u otros dispositivos programables, que interpreta las instrucciones de un programa informático mediante la
realización de las operaciones básicas aritméticas, lógicas y de entrada/salida del sistema. El término, y su acrónimo, han estado en uso en la
industria de la Informática por lo menos desde el principio de los años 1960.1
La forma, el diseño de CPU y la implementación de las CPU

3. Multiprocesamiento
✤ Un ordenador puede tener más de una CPU; esto se llama multiprocesamiento. Todas las CPU modernas son microprocesadores, lo que significa
que contienen un solo circuito integrado (chip). Algunos circuitos integrados pueden contener varias CPU en un solo chip; estos son denominados
procesadores multinúcleo. Un circuito integrado que contiene una CPU también puede contener los dispositivos periféricos, y otros componentes de
un sistema informático; a esto se llama un sistema en un chip (SoC).
Dos componentes típicos de una CPU son la unidad aritmético lógica (ALU), que realiza operaciones aritméticas y lógicas, y la unidad de control (CU),
que extrae instrucciones de la memoria, las decodifica y las ejecuta, llamando a la ALU cuando sea necesario.
No todos los sistemas computacionales se basan en una unidad central de procesamiento. Una matriz de procesador o procesador vectorial tiene
múltiples elementos cómputo paralelo, sin una unidad considerada el "centro". En el modelo de computación distribuido, se resuelven problemas
mediante un conjunto interconectado y distribuido de procesadores.

4. Microprocesadores
✤ En la década de 1970 los inventos fundamentales de Federico Faggin (ICs Silicon Gate MOS con puertas autoalineadas junto con su nueva
metodología de diseñ o de ló gica aleatoria) cambió el diseñ o e implementació n de las CPU para siempre. Desde la introducció n del primer
microprocesador comercialmente disponible, el intel 2004 en 1970 y del primer microprocesador ampliamente usado, el Intel 8080, en 1974, esta
clase de CPU ha desplazado casi totalmente el resto de los métodos de implementació n de la Unidad Central de procesamiento. Los fabricantes de
mainframes y miniordenadores de ese tiempo lanzaron programas de desarrollo de IC propietarios para actualizar sus
arquitecturas de computadoras más viejas y eventualmente producir microprocesadores con conjuntos de instrucciones que eran retrocompatibles
con sus hardwares y softwares más viejos. Combinado con el advenimiento y el eventual vasto éxito de la ahora ubicua computadora personal, el
término "CPU" es aplicado ahora casi exclusivamente

5. Microprocesadores
✤ Las generaciones previas de CPU fueron implementadas como componentes discretos y numerosos circuitos integrados de pequeñ a escala de
integració n en una o más tarjetas de circuitos. Por otro lado, los microprocesadores son CPU fabricados con un número muy pequeñ o de IC;
usualmente solo uno. El tamañ o más pequeñ o del CPU, como resultado de estar implementado en una simple pastilla, significa tiempos de
conmutació n más rápidos debido a factores físicos como el decrecimiento de la capacitancia parásita de las puertas. Esto ha permitido que los
microprocesadores síncronos tengan tiempos de reloj con un rango de decenas de megahercios a varios gigahercios. Adicionalmente, como ha
aumentado la capacidad de construir transistores excesivamente pequeñ os en un IC, la complejidad y el número de transistores en un simple CPU
también se ha incrementado dramáticamente. Esta tendencia ampliamente observada es descrita por la ley de Moore, que ha demostrado hasta la
fecha, ser una predicció n bastante exacta del crecimiento de la complejidad de los CPUs y otros IC.

6. Historia
✤ Los primeros ordenadores, como el ENIAC, tenían que ser físicamente recableados para realizar diferentes tareas, lo que hizo que estas máquinas
se denominaran "ordenadores de programa fijo". Dado que el término "CPU" generalmente se define como un dispositivo para la ejecució n de
software (programa informático), los primeros dispositivos que con razó n podríamos llamar CPU vinieron con el advenimiento del
ordenador con programa almacenado.
✤ La idea de un ordenador con programa almacenado ya estaba presente en el diseñ o de John Presper Eckert y en el ENIAC de
John William Mauchly, pero esta característica se omitió inicialmente para que el aparato pudiera estar listo antes. El 30 de junio de 1945, antes de
que se construyera la ENIAC, el matemático John von Neumann distribuyó el trabajo titulado First Draft of a Report on the EDVAC (Primer Borrador
de un Reporte sobre el EDVAC). Fue el esbozo de un ordenador de programa almacenado, que se terminó en agosto de 1949.2 EDVAC fue
diseñ ado para realizar un cierto número de instrucciones (u operaciones) de varios tipos. Significativamente, los programas escritos para el EDVAC
se crearon para ser almacenados en la memoria de alta velocidad del ordenador y no para que los especificara el cableado físico del ordenador. Esto
superó una severa limitació n del ENIAC, que era el importante tiempo y esfuerzo requerido para volver a configurar el equipo para realizar una
nueva tarea. Con el diseñ o de von Neumann, el programa o software que corría EDVAC podría ser cambiado simplemente cambiando el contenido
de la memoria. Sin embargo, EDVAC no fue el primer ordenador de programa almacenado; la
Máquina Experimental de Pequeñ a Escala de Mánchester, un pequeñ o prototipo de ordenador de programa almacenado, ejecutó su primer
programa el 21 de junio de 19483 y la Manchester Mark I ejecutó su primer programa en la noche del 16 al 17 junio de 1949.

7. ENIAC y EDVAC
✤ Fueron de los primeros ordenadores

8. CPU de transitores y de circuitos
integrados.
✤ confiables. La primera de esas mejoras vino con el advenimiento del transistor. Las CPU transistorizadas durante los añ os 1950 y los añ os 1960 no
tuvieron que ser construidos con elementos de conmutació n abultados, no fiables y frágiles, como los tubos de vacío y los relés eléctricos. Con esta
mejora, fueron construidas CPU más complejas y más confiables sobre una o varias tarjetas de circuito impreso que contenían componentes
discretos (individuales).
Durante este período, ganó popularidad un método de fabricar muchos transistores en un espacio compacto. El circuito integrado (IC) permitió que una
gran cantidad de transistores fueran fabricados en una simple oblea basada en semiconductor o "chip". Al principio, solamente circuitos digitales muy
básicos, no especializados, como las puertas NOR fueron miniaturizados en IC. Las CPU basadas en estos IC de "bloques de construcció n"
generalmente son referidos como dispositivos de pequeñ a escala de integració n "small-scale integration" (SSI). Los circuitos integrados SSI, como
los usados en el computador guía del Apollo (Apollo Guidance Computer), usualmente contenían transistores que se contaban en números de
múltiplos de diez. Construir un CPU completo usando IC SSI requería miles de chips individuales, pero todavía consumía mucho menos espacio y
energía que diseñ os anteriores de transistores discretos. A medida que la tecnología microelectró nica avanzó , en los IC fue colocado un número
creciente de transistores, disminuyendo así la cantidad de IC individuales necesarios para una CPU completa. Los circuitos integrados MSI y el LSI
(de mediana y gran escala de integració n) aumentaron el número de transistores a cientos y luego a mil

9. transitores integrados

10. Fetch
El primer paso, leer, implica el recuperar una instrucció n, (que es representada por un número o una secuencia de números), de la memoria de programa.
La localizació n en la memoria del programa es determinada por un contador de programa (PC), que almacena un número que identifica la direcció n de la
siguiente instrucció n que se debe buscar. Después se lee una instrucció n, el PC es incrementado por la longitud de la instrucció n en términos de
unidades de memoria de modo que contendrála direcció n de la siguiente instrucció n en la secuencia.nota 3
Frecuentemente, la instrucció n a ser leída debe
ser recuperada de memoria relativamente lenta, haciendo detener al CPU mientras espera que la instrucció n sea devuelta. Esta cuestió n se trata en
gran medida en los procesadores modernos por los cachés y las arquitecturas pipeline (ver abajo).

11. Decode
✤ En el paso de decodificació n, la instrucció n es dividida en partes que tienen significado para otras unidades de la CPU. La manera en que el valor
de la instrucció n numérica es interpretado estádefinida por la arquitectura del conjunto de instrucciones (el ISA) de la CPU.nota4
A menudo, un grupo de
números en la instrucció n, llamados opcode, indica qué operació n realizar. Las partes restantes del número usualmente proporcionan informació n
requerida para esa instrucció n, como por ejemplo, operandos para una operació n de adició n. Tales operandos se pueden dar como un valor
constante (llamado valor inmediato), o como un lugar para localizar un valor, que según lo determinado por algún modo de direcció n, puede ser un
registro o una direcció n de memoria. En diseñ os más viejos las unidades del CPU responsables de decodificar la instrucció n eran dispositivos de
hardware fijos. Sin embargo, en CPUs e ISAs más abstractos y complicados, es frecuentemente usado un microprograma para ayudar a traducir
instrucciones en varias señ ales de configuració n para el CPU. Este microprograma es a veces reescribible de tal manera que puede ser modificado
para cambiar la manera en que el CPU decodifica instrucciones incluso después de que haya sido fabricado.

12. Execute
✤ Execute[
Después de los pasos de lectura y decodificació n, es llevado a cabo el paso de la ejecució n de la instrucció n. Durante este paso, varias unidades del
CPU son conectadas de tal manera que ellas pueden realizar la operació n deseada. Si, por ejemplo, una operació n de adició n fue solicitada, una
unidad aritmético ló gica (ALU) seráconectada a un conjunto de entradas y un conjunto de salidas. Las entradas proporcionan los números a ser
sumados, y las salidas contendrán la suma final. La ALU contiene la circuitería para realizar operaciones simples de aritmética y ló gica en las
entradas, como adició n y operaciones de bits (bitwise). Si la operació n de adició n produce un resultado demasiado grande para poder ser manejado
por el CPU, también puede ser ajustada una bandera (flag) de desbordamiento aritmético localizada en un registro de banderas (ver abajo la
secció n sobre rango de números enteros).

13. Writeback
✤ paso final, la escritura, simplemente «El paso final, la escritura, simplemente «escribe»los resultados del paso de ejecució n a una cierta forma de
memoria. Muy a menudo, los resultados son escritos a algún registro interno del CPU para acceso rápido por subsecuentes instrucciones. En otros
casos los resultados pueden ser escritos a una memoria principal más lenta pero más barata y más grande. Algunos tipos de instrucciones manipulan
el contador de programa en lugar de directamente producir datos de resultado. Estas son llamadas generalmente "saltos" (jumps) y facilitan
comportamientos como bucles, la ejecució n condicional de programas (con el uso de saltos condicionales), y funciones en programas.nota 5
Muchas
instrucciones también cambiarán el estado de dígitos en un registro de "banderas". Estas banderas pueden ser usadas para influenciar có mo se
comporta un programa, puesto que a menudo indican el resultado de varias operaciones. Por ejemplo, un tipo de instrucció n de "comparació n"
considera dos valores y fija un número, en el registro de banderas, de acuerdo a cuál es el mayor. Entonces, esta bandera puede ser usada por una
posterior instrucció n de salto para determinar el flujo de programa»