La unidad central de proceso CPU 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).
Sus partes principales son Las siguientes:
- El
Procesador (P). Que a su vez se compone de:
- La unidad de control (UC).
- La unidad aritmético – lógica (UAL).
- La Memoria Central (MC).
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.
Una aproximación a diseño interno de un
microprocesador es el siguiente
Como vemos en el esquema 1, la unidad de control y la
unidad aritmético–lógica constituyen lo que se ha venido a denominar el procesador
central del sistema; este elemento es parte de la unidad central de
proceso encargada del control y ejecución de las operaciones del sistema. Estos
elementos en un ordenador personal se encuentran integrados en un único chip
llamado microprocesador. Las funciones principales de la CPU de un ordenador
son:
- Ejecutar
las instrucciones de los programas almacenados en la memoria del sistema.
- Controlar
la transferencia entre la CPU y la memoria o las unidades de E/S
- Responder
a las peticiones de servicio procedente de los periféricos.
Todo programa tiene como objetivo realizar diferentes
funciones o aplicaciones, solo limitadas por la capacidad e imaginación del
programador.
Para que un programa sea ejecutado el mismo se debe
hallar en determinadas posiciones de memoria y escrito en un lenguaje que la CPU pueda entender. La CPU lo único que comprende es lenguaje binario.
La CPU lee en forma ordenada la lista de
instrucciones, luego las interpreta, y posteriormente controla su ejecución de
cada una de ellas. Las ejecuciones se realizan en forma consecutiva una tras
otra.
Para ejecutar cada instrucción la CPU 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
- 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
- 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 CPU.
- Vuelve
al primer paso para empezar una nueva instrucción.
La anterior es una lista simplificada de los pasos que
ejecuta el microprocesador.
La ejecución de cada instrucción implica el movimiento
de datos, como estos pasos deben ser se deben realizar en forma
secuencial y ordenada, para lo cual la CPU siguen las señales dadas por un reloj.
El reloj es un elemento simple pero de gran importancia como se verá luego.
Para una mejor compresión del funcionamiento de la CPU la misma se puede
dividir en dos unidades la unidad de control y la unidad
aritmético-lógica.
Unidad de control (UC)
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
RCS tomará la dirección de la instrucción que se tenga que ejecutar a
continuación; esta dirección la extraerá de la propia instrucción en curso.
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 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
aritmético–lógica (UAL)
Esta unidad es la encargada de realizar las
operaciones elementales de tipo aritmético (generalmente sumas o restas) y de
tipo lógico (generalmente comparaciones). Para realizar su función, consta de
los siguientes elementos:
- 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.
La memoria central
(MC)
Es la parte de la unidad central de proceso de una
computadora donde están almacenadas las instrucciones y los datos necesarios
para que un determinado proceso pueda ser realizado.
La memoria central está constituida por una multitud
de celdas o posiciones de memoria, numeradas de forma consecutiva, capaces de
retener, mientras la computadora esté conectada, la información necesaria.
Por otra parte, es una memoria de acceso directo, es
decir, puede accederse a una de sus celdas conociendo su posición. Para esta
memoria el tiempo de acceso es más corto que para Las memorias auxiliares, por
tanto, los datos que manejan los procesos deben residir en ella en el momento
de su ejecución.
Es importante no confundir los términos celda o
posición de memoria con el de palabra de computadora, ya que esta última es el
conjunto de posiciones de memoria que pueden introducirse o extraerse de la
memoria de una solo vez (simultáneamente).
La memoria central tiene asociados dos registros para
la realización de operaciones de lectura o escritura, y un dispositivo
encargado de seleccionar una celda de memoria en coda operación de acceso sobre
la misma:
- Registro de dirección de memoria (RDM). Contiene la dirección de memoria donde se encuentran o va a ser almacenada la información (instrucción o dato), tanto si se trata de una lectura como de una escritura de o en memoria central, respectivamente.
- Registro de intercambio de memoria (RIM). Si se trata de una operación de lectura, el RIM es quien recibe el dato de la memoria señalado por el RDM, para su posterior envío a uno de Los registros de la UAL. Si se trata de una operación de escritura, la información a grabar tiene que ester en el RIM, para que desde él se transfiera a la posición de memoria indicada por el RDM.
- Selector
de memoria (SM). Es el dispositivo que, tras una orden de lectura o escritura, conecta
la celda de memoria cuya dirección figure en el RDM con el RIM,
posibilitando la transferencia de Los dates en un sentido o en otro.
La memoria central suele ser direccionable por octeto
o byte; por tanto, una celda o posición de memoria contiene 8 bits. Una de Las
características fundamentales de una computadora es su capacidad de
memoria interna (memoria central), la cual se mide en un múltiplo del
byte denominado Kilobyte, Kbyte, Kb o simplemente K, y que
equivale a 1 024 bytes (1 024 = 2'°). Otro múltiplo utilizado ampliamente en
Los últimos tiempos es el Megabyte o simplemente Mega, que
equivale a 1 024 * 1 024 Bytes; es decir, a 1 048 576 bytes.
Tipos de instrucciones
Nos referiremos en este apartado a instrucciones del
lenguaje máquina. Son aquellas que puede ejecutar directamente el hardware de
la computadora.
Las instrucciones máquina se pueden clasificar por la
función que desempeñan en:
- Instrucciones
de transferencia de datos.
- Instrucciones
de ruptura de secuencia.
- Instrucciones
aritméticas y lógicas.
- Instrucciones
declarativas.
- Etcétera.
O por su contenido, teniendo en cuenta que
todas ellas tienen en primer lugar lo que se llama código de operación
(CO), que indica qué operación se debe realizar por el procesador, y
aquellas en Las que su misión sea hacer alguna operación con determinados
dates; llevarán, además, implícita o explícitamente dichos dates, que
denominaremos operandos.
Instrucciones de tres
operandos
También se denominan instrucción es de tres
direcciones. En primer lugar constan de un código de operación al que siguen
tres operandos, de Los cuales, Los dos primeros son Los operandos y el tercero
es la dirección donde se depositará el resultado. Este formato de instrucción
es el más cómodo de trabajar, pero es el que precise mayor número de bits.
Esquema siguiente.
Código de
operación
|
Operando1
|
Operando2
|
Operando3
|
Instrucciones de dos
operandos
Constan de un código de operación, seguido de dos
operandos, de Los cuales uno de ellos actúa además como receptor del resultado.
También se denominan instrucciones de dos direcciones.
En el siguiente esquema se ve la Instrucción de dos
operandos.
Código de
operación
|
Operando 1
|
Operando2
|
Instrucciones de un
operando
También denominadas instrucciones de una dirección.
Son Las que se utilizan generalmente en máquinas cuya arquitectura funciona con
filosofía de acumulador.
El acumulador es un registro especial, en el que se
encuentra uno de Los operandos para este tipo de instrucciones y donde además
se guarda el resultado.
En la instrucción se encuentra el código de operación
seguido del segundo operando
Código de
operación
|
Operando 1
|
Instrucciones sin Operandos
También denominadas instrucciones sin ninguna
dirección. Este tipo de instrucciones se utilizan generalmente en computadoras
cuya arquitectura tiene filosofía de pila.
Una pila está formada por dates almacenados en orden
consecutivo en la memoria, existiendo un registro especial denominado puntero
de pila que nos indica la dirección del último dato introducido en ella. Cuando
un dato es sacado de ella, el puntero de pila decrece, apuntando al dato que
está a continuación en la pila hacia el fondo de la misma y que será aquel dato
que se introdujo en primer lugar. Cuando se trata de introducir un dato en ella
el puntero toma la dirección de memoria siguiente en orden ascendente y se
introduce en dicha dirección.
Estas instrucciones sólo llevan código de operación,
de tal forma que cuando se trata de una operación, se sacan Los operandos de la
pila (previamente introducidos) y el resultado se introduce en la misma.
código de
operación
|
Una computadora en su lenguaje máquina puede tener
instrucciones de las anteriores, según sea su arquitectura.
Metodos de
direccionamiento
Se habla de direccionamiento en una instrucción al
modo de indicar en la misma el lugar donde está situado el dato que va a
intervenir en ella. Los direccionamientos utilizados en Las instrucciones son
Los siguientes:
- Direccionamiento
inmediato: En
él, el dato a utilizar se halla en la propia instrucción, en el acumulador
o en la pila.
- Direccionamiento
directo: En
este caso la instrucción contiene la dirección de memoria central donde se
encuentra el dato.
- Direccionamiento
indirecto: La
instrucción contiene la dirección de memoria central donde se encuentra la
dirección de memoria que contiene el dato.
- Direccionamiento
indexado: En el
la dirección de memoria central donde se encuentra el dato, se obtiene
sumándole a la dirección que lleva la instrucción una cantidad, que se
encuentra en un registro especial llamado índice.
