Que es la unidad central de proceso (UCP)

La unidad central de proceso o CPU -siglas que corresponden a las iníciales en inglés de Central Processing Unit - es el componente principal de una computadora. La CPU se encarga de realizar las operaciones de cálculo y también de controlar el flujo de datos entre los diversos elementos que forman una computadora.

La unidad central de proceso UCP es el verdadero cerebro de la computadora, su misión consiste en coordinar y controlar o realizar todas las operaciones del sistema. Se compone de elementos cuya naturaleza es exclusivamente electrónica (circuitos), el cual se compone a su vez de la Unidad Aritmética Lógica y de la Unidad de Control. Esta unidad trabaja en base a un reloj maestro que interpreta y coordina la ejecución de todas las operaciones y las que realiza el microprocesador. La unidad central de proceso también incorpora un cierto número de registros rápidos (pequeñas unidades de memoria) de propósito especial, que son utilizados internamente por la misma.

CPU: Es un circuito microscópico que interpreta y ejecuta instrucciones, también se ocupa del control y el proceso de datos en los ordenadores. Es la unidad fundamental de la computadora, realiza todas las funciones (inteligentes) en la computadora. Es el dispositivo que interpreta las instrucciones contenidas en los programas o definidas por las entradas y ejecuta el procesamiento de los datos. Es el que caracteriza a la computadora por su programación y ejecución de múltiples tareas.

El usuario proporciona a la computadora de bits (entrada) según el dispositivo periférico y éste sigue las instrucciones para transformar esa entrada en bits (salida) para un archivo y devolverla al usuario.

Estas transformaciones son realizadas por la CPU o procesador, que interpreta y lleva a cabo las instrucciones de los programas, efectúa manipulaciones aritméticas y lógicas con los datos y se comunica con las demás partes del sistema. Una CPU está formada por un chip de silicio con varios circuitos que transporta las señales que ejecutan todo el procesamiento que ocurre dentro de la computadora, puesto que el chip es tan pequeño se lo denomina Microprocesador.

Los microprocesadores están hechos de silicio incrustado con transistores. Un transistor es un semiconductor, un componente que puede servir como conductor o como aislador, dependiendo del voltaje de electricidad que fluya por el. Un semiconductor hace pasar corriente eléctrica de un voltaje mínimo determinado. Esta es una propiedad óptima para las comunicaciones de computadora, porque proporciona un medio para representar dos estados de código binario: “voltaje conducido” y “voltaje no conducido”, por tanto estos transistores perciben señales binarias, en realidad instrucciones, codificadas que indican a la computadora que realice diferentes operaciones. En la computadora, el 0 se representa con un circuito abierto, a través del cual no fluye corriente, y el 1 representa con un circuito cerrado, por el cual fluye corriente.

A los semiconductores electrónicos de las computadoras se les llama circuitos integrados, porque hay un gran número de circuitos integrados en cada chip de silicio. La CPU está compuesta por una Unidad Aritmética Lógica, la Unidad de Control, Banco de registros (Pequeñas Memorias) que llevan a cabo las funciones de almacenamiento y procesamiento de datos.

Dispositivos controlados por el CPU

Además de la Unidad Aritmético Lógica, Unidad de Control y la memoria, existen otros elementos que forman parte de la computadora y son controlados por la UCP tales como: disco duro, disquetera, unidad de CD-ROM, tarjetas de expansión como la de sonido, las de comunicaciones, etc. estos son los llamados dispositivos periféricos. Tendremos los que están situados dentro de la misma caja o carcasa que contiene la unidad central de proceso como los anteriormente nombrados, y los externos (teclado, mouse, pantalla, altavoces, impresora...) que son componentes independientes conectados al gabinete central que contiene la CPU mediante conectores y cables externos.

El procesador es el que se encarga de ejecutar las instrucciones especificadas por el programa.Funciones básicas del CPU: Captar instrucciones. El procesador debe leer instrucciones de la memoria Interpretar instrucciones. La instrucción debe decodificarse para determinar qué acción es

necesaria Captar datos. La ejecución puede exigir leer datos de la memoria o de un módulo de E/S Procesar datos. La ejecución de una instrucción puede exigir llevar a cabo alguna operación

aritmética o lógica Escribir datos. Los resultados de una ejecución pueden tener que ser escritos en la memoria o

en un módulo de E/S

Para ejecutar cada instrucción la UCP realiza la siguiente serie de pasos:

Lee de la memoria la instrucción que hay que ejecutar y la guarda en un registro interior de la UCP.

Identifica la instrucción que acaba de leer Comprueba si la instrucción necesita utilizar nuevos de memoria, si fuera así, determina donde

debe ir a buscarlos. Busca los datos en la memoria y los trae en UCP. Ejecuta la instrucción propiamente dicha. El resultado de la misma puede ser que se almacene o invoque la necesidad de tener que

comunicarse con la memoria o con otro elemento externo a la propia UCP. Vuelve al primer paso para empezar una nueva instrucción.

Unidad de Control: La unidad de control se encarga de la interpretación y ejecución de las instrucciones del programa, también controla todos los componentes de un computador por medio de líneas de conexión llamadas buses.

Esta unidad es el elemento central de toda la maquina y se encarga de enviar señales de coordinación a todas las demás unidades.

Para realizar su tarea la UC necesita, por un lado la instrucción y por otro, una serie de informaciones adicionales que deberá tener en cuenta para coordinar de forma correcta la ejecución de la instrucción. El resultado de las interpretaciones de dichas informaciones son una serie de órdenes a los diferentes elementos de la computadora. La UC no ejecuta todas las órdenes a la vez, sino siguiendo una determinada secuencia. Es decir, que es necesario esperar el resultado de una operación para ejecutar otra.

Por lo tanto, la unidad de control toma el resultado y almacena en la memoria interna para luego buscar la siguiente instrucción, decodificarla y colocarla en la UAL la cual efectúa la instrucción. La Unidad de Control, almacena el resultado en la memoria interna y así sucesivamente hasta que ejecuta todo el programa, o sucede algo que detiene el ciclo. Como se puede ver, se realizan 4 funciones en cada ciclo, Busca, Ejecuta, Decodifica y Almacena, a esto se lo llama ciclo maquina y cuanto más rápido sea más rápida será la ejecución de la instrucción.

La Unidad de Control está formada, básicamente por un elemento que interpreta las instrucciones denominado registro. Unos de estos registros almacena la instrucción mientras el intérprete está traduciendo su significado (decodificador), por lo que se denomina registro de instrucción (RI). Posteriormente transforma la información de este registro en una información más amplia e inteligible para el secuenciador. El secuenciador analiza e interpreta la salida del decodificador, y en función de esta información ejecuta un microprograma contenido en la memoria de control que produce las instrucciones necesarias para que se ejecute la acción.

El resto de las instrucciones permanecen en la memoria, esperando que les toque su turno de ejecución.

La unidad de control (UC) es el centro nervioso de la computadora; desde ella se controla y gobiernan todas las operaciones (búsqueda, decodificación, y ejecución de la instrucción). Para realizar su función, consta de los siguientes elementos:

Registro de contador de programas (CP) Registro de Instrucciones (RI)

Decodificador (D)

Reloj (R)

Generador de Señales o Secuenciador (S)

Registro de contador de programas (CP).También denominado registro de control de Secuencia (RCS), contiene permanentemente la dirección de memoria de la próxima instrucción a ejecutar. Si la instrucción que se está ejecutando en un instante determinado es de salto o de ruptura de secuencia, el CP tomará la dirección de la instrucción que se tenga que ejecutar a continuación.

Como ya se dijo el primer paso para la ejecución de una instrucción, consiste en ir a buscarla en memoria, el CP indica cual es la dirección de memoria donde se halla esa instrucción. Una vez obtenida y antes de continuar con los siguientes pasos una señal de control incrementa el CP en una unidad, por lo cual los programas deben estar escritos (cargados) en posiciones consecutivas de memoria. El CP pasa la dirección al Registro de Direcciones

Registro de Direcciones (RD). Contiene la dirección de memoria donde se encuentra la próxima instrucción y esta comunicado con el Bus de Direcciones. El tamaño de este registro determina el tamaño de la memoria que puede direccionar. Si es de 32 bits se puede direccionar 232=4.294.967296 (4 GB posiciones de memoria). Con la dirección de memoria, se transfiere a través el Bus de Datos desde la memoria central al Registro de Datos en la UC la instrucción correspondiente. Esta transferencia se realiza mediante señales de control. Una vez que la instrucción se encuentra en la UCP, el código de la instrucción pasa al registro de instrucciones.

Registro de Instrucciones (RI). Contiene la instrucción que se está ejecutando en cada momento. Esta instrucción llevará consigo el código de operación (CO), acción de que se trata, y en su caso los operandos o las direcciones de memoria de los mismos. Pasa el código de Operación (CO) al decodificador.

Decodificador (D). Se encarga de extraer y analizar el código de operación de la instrucción en curso (que está en el RI) y dar las señales necesarias al resto de los elementos para su ejecución por medio del Generador de Señales.

Generador de Señales(GS). En este dispositivo se generan órdenes muy elementales (microórdenes) que, sincronizadas por los impulsos del reloj, hacen que se vaya ejecutando poco a poco la instrucción que está cargada en el RI.

Reloj (R). Proporcionar una sucesión de impulsos eléctricos a intervalos constantes (frecuencia constante), que marcan los instantes en que han de comenzar los distintos pasos de que consta cada instrucción.

Unidad Aritmética LógicaEsta unidad está encargada de realizar las operaciones lógicas y aritméticas usando como base la operación de suma y la notación del complemento de dos.

Por ejemplo, si se desea sumar dos números almacenados en dos posiciones de memoria, estos se deben traer a la unidad aritmética donde se lleva a cavo la operación. El resultado se almacena nuevamente en una posición de memoria.

Todos los cálculos y operaciones para el procesamiento de los datos se efectúan en la UAL.

Las principales operaciones aritméticas realizadas en la ALU son suma, la resta y complemento a dos. Las principales operaciones lógicas son la AND, la OR, la NOT, la OR, la EXOR y la comparación.

También realiza esta unidad operaciones con los registros internos como desplazamiento, rotación y traslado de información digital.

Las operaciones que realiza la UAL son cuantitativas. En cambio las comparaciones lógicas (como por ejemplo el comparar dos números para cual de los dos es el mayor) son operaciones cualitativas.

En la Unidad Aritmética los datos sobre los que se realizan las operaciones se denominan operandos. Al elemento encargado de ejecutar las operaciones se le denomina operador, y está formado por una serie de circuitos electrónicos que son capaces de sumar dos números binarios o hacer las operaciones lógicas elementales: disyunción, conjunción y negación; todos los operadores (mediante el adecuado software o firmware) son capaces de multiplicar, dividir y realizar otras operaciones más complejas.

Para que el operador realice la operación, los operandos se llevan a la UAL y se guardan en unos registros denominados registros de trabajo. El resultado de la operación se guarda también en un registro antes de ser llevado a la memoria o a las unidades de entradas y salidas. Frecuentemente se utiliza un mismo registro para guardar uno de los operando y, también, el resultado, denominado registro acumulador.

El operador, además de calcular el valor de la operación, modifica el registro de estado según el resultado de la operación. Así, si el resultado es un valor negativo, se modifica un BIT de dicho registro, llamado BIT negativo o BIT N, poniéndose a 1; por el contrario, el bit N permanecerá en estado 0 mientras el contenido del acumulador no sea negativo. De igual forma indicara la UAL a la UC si el resultado ha sido 0, o si ha producido algún acarreo, etc.

Banco de registros (BR). Está constituido por 8, 16 ó 32 registros de tipo general que sirven para situar dates antes de cada operación, para almacenar datos intermedios en las operaciones y para operaciones internas del procesador.

Circuitos operadores (CIROP). Compuesto de uno o varios circuitos electrónicos que realizan operaciones elementales aritméticas y lógicas (sumador, complementador, desplazador, etc).

Registro de resultado (RR). Se trata de un registro especial, en el que se depositan los resultados que producen los circuitos operadores.

Señalizadores de estado (SE). Registro con un conjunto de biestables en los que se deja constancia de algunas condiciones que se dieron en la última operación realizada.