El Corazón del Ordenador: La CPU y sus Componentes
¿Qué es la CPU?
La CPU (Central Processing Unit) o Unidad Central de Procesamiento es el componente del ordenador que se ocupa del control y el proceso de los datos.
Componentes Principales del Microprocesador
Los elementos fundamentales que componen el microprocesador son:
- La Unidad de Control (UC).
- La Unidad Aritmético-Lógica (UAL o ALU).
- Los registros de trabajo o de propósito general.
La Unidad de Control (UC)
La Unidad de Control interpreta y ejecuta las instrucciones máquina almacenadas en la memoria principal y genera las señales de control necesarias para ejecutarlas. Sus componentes son:
- Contador de Programa (CP): Almacena la dirección de la siguiente instrucción a ejecutar.
- Registro de Instrucción (RI): Contiene la instrucción que se está ejecutando en cada momento.
- Decodificador de Instrucción (DI): Se encarga de extraer y analizar el código de operación de la instrucción en curso (contenida en el RI) y genera las señales de control necesarias para ejecutarla correctamente.
- Reloj y Secuenciador: Proporcionan los impulsos eléctricos y la sincronización necesarios para coordinar las operaciones.
La Unidad Aritmético-Lógica (UAL o ALU)
La UAL recibe los datos sobre los que efectúa operaciones de cálculo y comparaciones, toma decisiones lógicas (determina si una afirmación es cierta o falsa mediante las reglas del álgebra de Boole) y devuelve el resultado, todo ello bajo la supervisión de la unidad de control.
Para llevar a cabo una operación, la UAL necesita el código de operación que indique la acción a efectuar. Por ejemplo, para una suma, se debe indicar el código de la suma, las direcciones de memoria de los operandos y la celda donde se almacenará el resultado.
Dentro de la UAL también se aloja la Unidad de coma flotante o FPU (Floating Point Unit), especializada en operaciones con números decimales.
Registros del Procesador
Los registros internos son celdas de memoria de alta velocidad ubicadas en el interior del procesador que permiten a la CPU almacenar datos temporalmente mientras se efectúa alguna operación. Constituyen el almacenamiento interno de la CPU.
Tipos de Registros
Existen diferentes tipos de registros, entre ellos:
Registros Visibles al Usuario
- Registros de dirección: Para gestionar direcciones de memoria.
- Registros de datos: Para almacenar datos temporalmente.
- Registros de condición: Almacenan información sobre el resultado de la última operación (flags).
Registros de Control y de Estado
Son cuatro los registros clave que intervienen en la ejecución de las instrucciones:
- Contador de programa (CP)
- Registro de instrucción (RI)
- Registro de dirección de memoria (RDM)
- Registro de intercambio de memoria (RIM)
El Funcionamiento Interno: Instrucciones y Datos
Ciclo de Ejecución de una Instrucción
La ejecución de una instrucción se divide en dos fases principales:
- Fase de búsqueda: Consiste en localizar la instrucción a ejecutar dentro de la memoria principal y llevarla a la UC para procesarla.
- Fase de ejecución: Es la realización de las acciones que llevan asociadas las instrucciones, como una suma o una resta.
El proceso detallado que involucra a los registros de control es el siguiente:
- El Contador de Programa (CP) contiene la dirección de memoria de la próxima instrucción. Para buscarla, el contenido de esa posición se pasa al Registro de Dirección de Memoria (RDM).
- La instrucción apuntada por el RDM se carga en el Registro de Intercambio de Memoria (RIM) y, desde aquí, pasa al Registro de Instrucción (RI).
- A continuación, el decodificador de instrucciones interpreta el contenido del RI y se generan las órdenes oportunas para su ejecución.
- Finalmente, el Contador de Programa (CP) se incrementa en 1 para apuntar a la siguiente instrucción a ejecutar.
Buses del Sistema
Los buses del sistema son los caminos a través de los cuales las instrucciones y los datos circulan entre las distintas unidades del ordenador. Se trata de un conjunto de circuitos o conexiones que conecta la CPU a los dispositivos de almacenamiento (disco duro), de entrada (teclado, ratón) y de salida (monitor, impresora).
Memoria y Almacenamiento
La Memoria RAM
En la memoria RAM (Random Access Memory) se almacena el programa o secuencia de instrucciones a ejecutar y los datos que manejan dichas instrucciones.
Jerarquía de Memoria
Los distintos tipos de memoria se organizan según una jerarquía basada en su velocidad y coste:
- Registros de la CPU (la más rápida)
- Memoria caché
- Memoria principal (RAM)
- Memoria secundaria o de disco
- Memoria Auxiliar (la más lenta)
Capacidad de Almacenamiento
La memoria RAM está formada por un conjunto de casillas o posiciones de memoria capaces de almacenar un dato o una instrucción. Cada casilla contiene 8 bits, es decir, un byte. De esta manera, si una RAM es de 1 kilobyte (KB) (2¹⁰ = 1024 bytes), dispondrá de 1024 celdas de memoria y podrá almacenar 1024 caracteres. Si la memoria es de 1 megabyte (MB), podrá almacenar 2²⁰ bytes, es decir, 1.048.576 caracteres.
Conceptos de Software
Clasificación del Software
El software se puede clasificar según diferentes criterios:
Según el Método de Distribución
- Shareware: Software distribuido con limitaciones, que requiere un pago para desbloquear todas sus funciones.
- Freeware: Software gratuito, pero con derechos de autor.
Según su Función
- Software multimedia: Programas para la creación y reproducción de contenido de audio y vídeo.
- Software de uso específico: Aplicaciones diseñadas para una tarea concreta (ej. contabilidad, diseño gráfico).
Tipos de Sistemas Operativos por Acceso
Según el acceso del usuario a sus servicios, los sistemas operativos pueden ser:
- De red: Conectan dos o más ordenadores a través de algún medio de comunicación con el objetivo de compartir recursos e información. El usuario debe saber la sintaxis de los comandos y la ubicación de los recursos. Ejemplos: Novell Netware, Windows Server, Linux o UNIX.
- Distribuidos: En estos sistemas, un conjunto de ordenadores conectados entre sí funciona como un servicio único e integrado. El usuario no necesita saber la ubicación de los recursos, ya que los conoce por su nombre y los usa como si fueran locales. Están diseñados para que muchos usuarios trabajen de forma conjunta. Ejemplos: Solaris-MC, Mach o Chorus.