Qué Es La Unidad Central De Proceso O CPU, Tipos Y Para Que Se Usa

La CPU o la Unidad Central De Proceso es el componente más importante de un ordenador. Este componente se encarga esencialmente, y como su nombre indica, de procesar cualquier clase de información y de proporcionar aquellos puertos que son totalmente necesarios para conectar dispositivos periféricos al mismo.

En este post trataremos de solucionar todas las dudas que surjan sobre el concepto de unidad central de proceso, las particularidades de sus componentes y su funcionamiento. Igualmente vamos a definir las CPUs conocidas y otros datos curiosos sobre el concepto, como la diferencia con una unidad gráfica o un procesador gráfico.

¿Qué es la unidad central de proceso y para que se usa?

El CPU, como se conoce en el mundo de la informática, se encuentra formado por un conjunto de componentes que, en unión, garantizan el buen funcionamiento del ordenador. Estos microbloques son la unidad aritmética y lógica (UAL) y la unidad de control (UC). La combinación de ambos es lo que se conoce como microprocesador, que es un procesador (o más bien un conjunto de decenas de procesadores) de tamaño reducido.

Como se dijo en un principio, la unidad central de procesamiento (CPU, procesador central) es la parte más importante de una computadora y de otros dispositivos que la incluyen, como una tv inteligente o un Smartphone, por ejemplo. Además, es el sitio donde se realizan todos los procedimientos que se relacionan con la información.

Cuenta una estructura basada en un circuito integrado llamado microprocesador, que puede modificarse, y de hecho lo hace, entre las distintas marcas de computadoras del mercado. Es un dispositivo que interpreta un conjunto de instrucciones que se encuentran en un programa o definidas en los datos de entrada e inicia la ejecución del procesamiento de datos.

Realiza diferentes funciones:

• Ejecución del programa. Asegura que sus instrucciones se ejecuten en el arranque y la puesta en marcha.
• Comunicación con todos los dispositivos de E/S. Se establece un acuerdo entre cada uno de los módulos para que los dispositivos periféricos puedan responder sin provocar un colapso entre ellos, y normalmente de forma inmediata.
• Programación. Tiene que ver con la comprensión de todas las funciones del sistema mediante la preparación previa del organigrama. Esto evita que el sistema se sature y controla lo que se puede manejar en cualquier momento a nivel de disco y memoria.
• Almacenamiento primario. Esto semeja a una buena gestión de la memoria, para que los programas dispongan del espacio que se necesita para que puedan funcionar de manera correcta, controlado mediante la asignación de la misma a cada uno de los que la necesiten, en función de sus funcionalidades y uso, que se les da en cada momento. .

Evolución del concepto de CPU

En las primeras computadoras, las unidades centrales de proceso estaban diseñadas para manejar equipos mucho más grandes. Por ello, las máquinas funcionaban con mecanismos mecánicos muy simples. Es por ello, al comienzo había que reconfigurar estos ordenadores para que pudieran ejecutar diversas tareas.

Los primeros computadores con procesadores eran ordenadores con programas guardados. Esto se estableció con el modelo ENIAC creado en el año 1945, cuya arquitectura fue preparada por el matemático John von Neumann, el cual dejó una gran marca en el mundo de la informática.

Este hardware estaba diseñado para realizar varios tipos de operaciones que se almacenan en la memoria del ordenador, lo que significaba que no era necesario hacer ningún cambio físico en el cableado del ordenador para evitar perder tiempo, esfuerzo y que se generen errores.

En un principio se crearon unidades centrales de procesamiento individuales, pero esto no era muy conveniente, y por esta razón, desde hace tiempo se considera la estandarización de los procesadores para diferentes propósitos. Esto fue posible gracias a la aparición de los circuitos integrados (CI), que permitieron que las CPU fueran cada vez más sofisticadas en espacios reducidos.

Ya de debería estar acostumbrado a la idea de que en la actualidad los microprocesadores se encuentran en todas partes, desde coches y camiones hasta teléfonos móviles e incluso juguetes para los más pequeños. El inicio de las mejoras para este tipo de dispositivos inició con la llegada del transistor en los años 50, que permitió construir procesadores de mayor complejidad en placas de circuito impreso.

Los que se basan en circuitos integrados se denominaron dispositivos de integración a pequeña escala (SSI). Poseían transistores, siempre múltiplos de diez. Los completos necesitaban miles de fichas individuales, pero ocupaban el menor espacio.

En el año 1964, IBM añadió la arquitectura System / 360, que permitía a un conjunto de ordenadores ejecutar el mismo programa a varias velocidades. Así, aunque las computadoras eran incompatibles entre sí, la arquitectura era exactamente la misma. En esa época se descubrió que los transistores permitían que el procesador funcionara a una velocidad mucho mayor gracias a los tiempos de conmutación que brindaba.

Con el tiempo, el concepto de microprocesador surgió para los procesadores con un número reducido de circuitos integrados; normalmente uno solo. La reducción del tamaño permitió acortar los tiempos de conmutación. Es por ello que, el diseño, la complejidad y el tamaño no han cambiado mucho desde la aparición de este microprocesador.

Componentes y características del procesador ¿De qué partes del hardware se compone?

La unidad central de proceso o CPU se encuentra formada por un conjunto de componentes, que definiremos por separado para así conocer el alcance de sus funciones:

1- Unidad de control

Es uno de los bloques que componen la CPU. Su función esencial es hallar instrucciones en la memoria, descodificarlas y ejecutarlas a través de la Unidad de Proceso. La unidad central de proceso en otras palabras es la serie de circuitos que controlan el flujo de datos que se generan en la CPU.

Existen muchos componentes en esta unidad. Estos son:

• Controlador y decodificador. Se encarga de interpretar la instrucción extrayendo el código de la operación a ejecutar.
• Registro de instrucción. Es el lugar donde se guarda la instrucción durante su ejecución.
• Contador de instrucciones. Posee la dirección de memoria de la próxima instrucción a ejecutar.
• Secuenciador. Genera los microcomandos necesarios para que se ejecute una instrucción.
• Reloj. Suministra impulsos eléctricos a determinados intervalos con cierta regularidad.

2- Unidad de proceso

Es este otro de los bloques más importantes de este elemento. Su función es ejecutar todas las tareas que la unidad de control le pasa. Para realizar estos procesos necesitará la ayuda de los elementos que se describen ahora:

• Unidad de coma flotante. Se utiliza para realizar operaciones matemáticas con números reales.
• Registro de estado. Almacena varios indicadores del resultado de las operaciones realizadas.
• Unidad aritmético-lógica (ALU). Se usa para realizar operaciones aritméticas básicas, comparaciones, funciones lógicas y también rotación de bits.
• Registro acumulador. Almacena los operandos y también los resultados de las operaciones.

3- Registros

Es una memoria de gran velocidad integrada en el mismo procesador. Se utiliza para almacenar temporalmente los datos y para acceder a los valores más usados. De hecho, es la mejor opción para que un sistema guarde datos. Los registros son medidos por el número de bits que dejan almacenar. Si tu ordenador es de 32bits, por ejemplo, esto significa que se pueden guardar registros de 64 bits.

Existen los siguientes tipos de registros:

• Registros permanentes. Poseen valores que se crean para ser usados en modo de sólo lectura. Se elaboran cuando se crea el propio hardware.
• Registros de coma flotante. Almacenan los datos en forma de coma flotante.
• Registros de datos. Almacenan números enteros.
• Registros de memoria. Sólo almacenan direcciones de memoria.
• Registros de propósito general. Almacenan tanto datos como direcciones. Se utilizan sobre todo en la arquitectura von Neumann, que por otra parte es típica.
• Registros con fines especiales. Contienen información del estado del sistema, como el puntero de la pila.

4- Bus de entrada y salida

El bus se usa para transferir datos entre los componentes de una computadora. Se trata de pistas sobre el circuito integrado que pueden transmitirse de dos formas:

• Paralelo. El bus permite la transmisión simultánea de varios bits.
• Serie. El bus solamente puede transmitir datos bit a bit por medio de un único cable para transmitir información.

En las primeras Pc, los buses siempre funcionaban en paralelo, aunque en los últimos años han sido cambiados por buses en serie. Aunque estos últimos son más difíciles a la hora de implementar, las velocidades de transmisión que alcanzan son mucho mayores.

¿Cómo funciona un procesador?

Realiza varias operaciones, aunque lo que más destaca es la ejecución de programas. Los programas, vistos desde dentro, son un conjunto de instrucciones representadas por números que se guardan en la memoria del ordenador antes de su ejecución. Todos los sistemas con arquitectura von Neumann tienen cuatro pasos para ejecutar sus operaciones. Estos son leer, decodificar, ejecutar y escribir.

1- FETCH (leer)

En este paso, la instrucción representada por un conjunto de números, se recoge de la memoria. El contador de programa (PC, que no se debe confundir con PC u ordenador personal) se encarga de guardar la dirección de la memoria donde residen estas instrucciones.

Luego de realizar una lectura, el PC se incrementa para modificar de posición y encontrarse en un bloque de memoria donde se localiza la dirección de la siguiente instrucción a ejecutar. En este caso, se usa una memoria lenta, cuya velocidad de respuesta depende de la memoria caché y del procesador del ordenador.

2- DECODE (descodificador)

Luego de que se tiene una instrucción, se divide en varias partes para ser interpretada por los procesadores. Una parte de los números indica la operación a ejecutar (código de operación) y las siguientes partes corresponden a la información relativa a la ejecución de la operación especificada. Por ejemplo, si la instrucción es una suma, es bueno entender el operador que especifica la suma y los operandos a sumar.

Pueden definirse por el valor o la dirección de memoria de la que se toman los datos a añadir. En los procesadores más complejos se ha creado un firmware que traduce las instrucciones para que la descodificación sea algo más simple.

3- EJECUTE (Ejecutar)

Cuando se produce este paso, el procesador se conecta a sus bloques implicados en la instrucción para lograr ejecutar la operación solicitada en el programa.

Luego de que se realiza la operación de suma que comentamos antes, se conecta una unidad aritmética y lógica (ALU) para ejecutar las operaciones, con entradas y salidas donde están los números a sumar y donde se coloca el resultado de la misma.

4- WRITEBACK (Escribir)

En este paso, solamente se escriben los resultados de la instrucción que se ejecuta. Pueden almacenarse en la memoria volátil o en la memoria principal, que puede ser un poco más lenta.

Después del último paso, el proceso se repite con el siguiente ciclo de instrucción para que se pueda leer el siguiente ciclo e incrementar el contador de programa. En los procesadores complejos, se pueden leer varias instrucciones de una en una para luego ser ejecutadas.

¿Cuántos tipos de unidades centrales de procesos hay?

Una unidad central de proceso se divide en varios tipos, que se clasifican por el número de núcleos:

1- CPU de un solo núcleo

Se le conoce como CPU core. Surgió con el inicio del concepto de informática. Se trataba de un procesador de un solo núcleo en el que las tareas fundamentales eran muy lentas y se ejecutaban una tras otra, aunque en su momento, como puedes imaginar por lo que ya hemos mencionado, fue revolucionario porque permitía una tasa de error mucho menor, así como una desviación de recursos a otras tareas.

2- Procesadores de doble núcleo

Esto supuso un gran salto en el mundo de la tecnología: la combinación de dos núcleos en un procesador; no era una tarea simple. El sistema de control necesitaba controlar la sobrecarga, lo que hacía imposible la duplicación  de la velocidad del procesador.

Se usaban en entornos multitarea porque tenían programas e hilos compitiendo por el tiempo del procesador. Si hay un segundo núcleo, uno de los procesos segundarios se ejecutará en una máquina y el otro en la otra. Este procesador ofrece un 75% más de rendimiento que un procesador de un solo núcleo, por no hablar del doble de rendimiento. Por supuesto, hace dos tareas y lo hace de una forma más rápida.

3- Procesador de cuatro núcleos

Este es un tipo de procesador que se conoce como quadcore. Este consta de cuatro núcleos y es mucho más rápido que los dos modelos anteriores. Es capaz de ejecutar varias tareas al mismo tiempo y a una buena velocidad.

En definitiva, esta es la clase de procesador que se encuentra en los teléfonos móviles de gama media y alta.

4- Procesador de seis y ocho núcleos

Estos son los que se usan hoy en día en los ordenadores. Son capaces de realizar un gran número de tareas complejas a una velocidad asombrosa. Dependiendo de sus capacidades, pueden ejecutar de seis a ocho tareas básicas a la vez sin incomodar al usuario.

Diferencias entre un CPU y un GPU?

Es muy normal que te preguntes esto porque ambos son elementos de hardware informático y sus nombres son muy parecidos. Empecemos por saber que en ambos casos se trata de procesadores. Esto quiere decir que la finalidad de ambos es exactamente la misma: procesar.

No obstante, la diferencia es evidente:

• La unidad central de proceso se encarga de procesar de forma redundante toda clase de acciones e información de propósito o naturaleza general, trabajando de forma secuencial. Puede trabajar con elementos gráficos, y el número de procesos con los que se carga es menor.
• El procesador gráfico o GPU trabaja específicamente para procesar elementos gráficos, o sea, imágenes y vídeo, y lo hace en paralelo, según el modelo del entorno. Esto significa restar la carga del procesador que puede trabajar en el resto de los elementos. Por ello, es interesante dedicar tiempo a elegir con precisión una excelente tarjeta gráfica para que el procesador no colapse, por muy bueno que sea. Carga muchos más procesos, aunque deben ser específicos.