Qué es la Unidad Central de Procesamiento (CPU)

Unidad central de procesamiento (CPU), parte principal de cualquier digital sistema informático, generalmente compuesto por la memoria principal, la unidad de control y la unidad aritmético-lógica.

Se constituye el corazón físico de todo el sistema informático; a él está vinculado varios equipos periféricos, incluidos dispositivos de entrada / salida y unidades de almacenamiento auxiliares, aprende con más detalles qué es la unidad de procesamiento en este blog

En las computadoras modernas, la CPU está contenida en un chip de circuito integrado llamado microprocesador. La unidad de control de la unidad central de procesamiento regula e integra las operaciones de la computadora.

Selecciona y recupera instrucciones de la memoria principal en la secuencia adecuada y las interpreta para activar los demás elementos funcionales del sistema en el momento adecuado para realizar sus respectivas operaciones.

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    Qué es la Unidad Central de procesamiento (CPU)

    La unidad central de procesamiento (CPU) o procesador, es la unidad que realiza la mayor parte del procesamiento dentro de una computadora. Procesa todas las instrucciones recibidas por el software que se ejecuta en la PC y por otros componentes de hardware, y actúa como una poderosa calculadora.

    El CPU se coloca en un zócalo específico de forma cuadrada que se encuentra en todas las placas base insertando sus conectores metálicos o pines que se encuentran en la parte inferior. Cada zócalo está construido con un diseño de pines específico para admitir solo un tipo específico de procesador.

    Qué es la Unidad Central de Procesamiento (CPU)
    Qué es la Unidad Central de Procesamiento (CPU)

    Como las unidades centrales modernas generan mucho calor y tienden a recalentarse, deben mantenerse frescas con ventiladores o sistemas de ventilación adecuados y cubrirse con un disipador de calor y pasta de calor.

    Para controlar el control y el flujo de datos hacia y desde otras partes de la computadora, el procesador se basa en gran medida en un conjunto de chips, un grupo de microprocesadores ubicados en la placa madre.

    Componentes de la unidad central de procesamiento (CPU)

    La unidad central de procesamiento (CPU) tiene tres componentes:

    1. Unidad de control

    La unidad de control extrae instrucciones de la memoria, las decodifica y ejecuta. La unidad de control actúa como un intermediario que decodifica las instrucciones enviadas al procesador, le dice a las otras unidades como la Unidad Aritmética Lógica (abajo) qué hacer al proporcionar señales de control, y luego envía los datos procesados ​​a la memoria.

    Unidad de control
    Unidad de control

    2. Unidad aritmética lógica (ALU)

    Una unidad aritmética lógica (ALU) es un circuito digital dentro del procesador que maneja operaciones aritméticas y lógicas cargando datos de registros de entrada.

    Unidad aritmética lógica (ALU)
    Unidad aritmética lógica (ALU)

    Una vez que la unidad de control proporciona a la ALU las instrucciones sobre las operaciones que deben realizarse, la ALU las completa conectando varios transistores y luego almacena los resultados en un registro de salida. La unidad de control luego moverá estos datos a la memoria.

    Para funcionar correctamente, la CPU depende del reloj del sistema, la memoria, el almacenamiento secundario, llos buses de datos y direcciones. Los dispositivos más pequeños como teléfonos móviles, calculadoras, sistemas de juegos portátiles y tabletas utilizan procesadores de menor tamaño conocidos como CPU ARM para adaptarse a su tamaño y espacio reducidos.

    3. Microprocesador

    Además, el microprocesador tiene un bus interno para comunicarse con la memoria caché interna, llamado bus trasero. El bus principal para la transferencia de datos hacia y desde la CPU, la memoria, el conjunto de chips y el zócalo AGP se denomina bus frontal. La CPU contiene unidades de memoria interna, que se denominan registros.

    Microprocesador
    Microprocesador

    Estos registros contienen datos, instrucciones, contadores y direcciones que se utilizan en el procesamiento de la información de la ALU. Algunas computadoras utilizan dos o más procesadores. Estos consisten en microprocesadores físicos separados ubicados uno al lado del otro en la misma placa o en placas separadas.

    Varios procesadores son ideales para tareas paralelas intensivas que requieren multitarea. También son comunes las CPU multinúcleo, en las que un solo chip contiene varias CPU. Desde que Intel lanzó el primer microprocesador en noviembre de 1971, las CPU han multiplicado varias veces su potencia informática.

    El procesador Intel 4004 más antiguo solo realizó 60,000 operaciones por segundo, mientras que un procesador Intel Pentium moderno puede realizar aproximadamente 188,000,000 de instrucciones por segundo.

    4. Memoria o Unidad de Almacenamiento / Registros (RAM)

    Se llama memoria de acceso aleatorio (RAM). Almacena temporalmente datos, programas y resultados intermedios y finales del procesamiento. Por lo tanto, actúa como un área de almacenamiento temporal que contiene los datos temporalmente, que se utiliza para ejecutar la computadora.

    Memoria o Unidad de Almacenamiento / Registros (RAM)
    Memoria o Unidad de Almacenamiento / Registros (RAM)

    Tipos de CPU

    Las CPU son fabricadas principalmente por Intel y AMD, cada una de las cuales fabrica sus propios tipos de CPU. En los tiempos modernos, hay muchos tipos de CPU en el mercado. Algunos de los tipos básicos de CPU se describen a continuación:

    1. CPU de un solo núcleo

    Single Core es el tipo más antiguo de CPU de computadora, que se usó en la década de 1970. Tiene un solo núcleo para procesar diferentes operaciones. Solo puede iniciar una operación a la vez; la CPU alterna entre diferentes conjuntos de flujos de datos cuando se ejecuta más de un programa.

    CPU de un solo núcleo
    CPU de un solo núcleo

    Por lo tanto, no es adecuado para realizar múltiples tareas, ya que el rendimiento se reducirá si se ejecuta más de una aplicación. El rendimiento de estas CPU depende principalmente de la velocidad del reloj. Todavía se usa en varios dispositivos, como teléfonos inteligentes.

    2. CPU de doble núcleo

    Como su nombre indica, la CPU de doble núcleo contiene dos núcleos en un solo circuito integrado (IC). Aunque cada núcleo tiene su propio controlador y caché, están vinculados para funcionar como una sola unidad y, por lo tanto, pueden funcionar más rápido que los procesadores de un solo núcleo y pueden manejar la multitarea de manera más eficiente que los procesadores de un solo núcleo.

    CPU de doble núcleo
    CPU de doble núcleo

    3. CPU de cuatro núcleos

    Este tipo de CPU viene con dos procesadores de doble núcleo en un circuito integrado (IC) o chip. Entonces, un procesador de cuatro núcleos es un chip que contiene cuatro unidades independientes llamadas núcleos.

    CPU de cuatro núcleos
    CPU de cuatro núcleos

    Estos núcleos leen y ejecutan instrucciones de la CPU. Los núcleos pueden ejecutar varias instrucciones simultáneamente, lo que aumenta la velocidad general de los programas que son compatibles con el procesamiento en paralelo.

    La CPU de cuatro núcleos utiliza una tecnología que permite que cuatro unidades de procesamiento independientes (núcleos) se ejecuten en paralelo en un solo chip. Por lo tanto, al integrar varios núcleos en una sola CPU, se puede generar un mayor rendimiento sin aumentar la velocidad del reloj.

    Sin embargo, el rendimiento aumenta solo cuando el software de la computadora admite multiprocesamiento. El software que admite multiprocesamiento divide la carga de procesamiento entre varios procesadores en lugar de utilizar un procesador a la vez.

    Cómo funciona un CPU

    Las CPU funcionan en un ciclo que es gestionado por la unidad de control y sincronizado por el reloj de la CPU. Este ciclo se denomina ciclo de instrucción de la CPU y consta de una serie de componentes de recuperación / decodificación / ejecución.

    La instrucción, que puede contener datos estáticos o punteros a datos variables, se recupera y se coloca en el registro de instrucciones.

    La instrucción se decodifica y los datos se colocan en los registros de datos A y B. La instrucción se ejecuta utilizando los registros A y B,  el resultado se coloca en el acumulador. Luego, la CPU aumenta el valor del puntero de instrucción por la longitud del anterior y comienza de nuevo.

    La necesidad de velocidad

    Aunque la CPU básica funciona bien, las CPU que se ejecutan en este ciclo simple se pueden usar de manera aún más eficiente. Existen múltiples estrategias para aumentar el rendimiento de la CPU, y aquí analizamos dos de ellas.

    Sobrecarga del ciclo de instrucción

    Un problema que encontraron los primeros diseñadores de CPU fue la pérdida de tiempo en los diversos componentes de la CPU. Una de las primeras estrategias para mejorar el rendimiento de la CPU fue superponer las partes del ciclo de instrucción de la CPU para utilizar las diversas partes de la CPU de manera más completa.

    Por ejemplo, cuando se ha decodificado la instrucción actual, se busca la siguiente y se coloca en el registro de instrucciones. Tan pronto como eso ocurra, el puntero de instrucción se actualiza con la dirección de memoria de la siguiente instrucción

    Tiene un aspecto agradable y fluido, pero factores como la espera de E / S pueden interrumpir el flujo. No tener los datos o instrucciones adecuados en la caché requiere que la MMU localice los correctos y los mueva a la CPU, y eso puede llevar algún tiempo.

    Ciertas instrucciones también requieren más ciclos de CPU para completarse que otras, lo que interfiere con una superposición suave. Sin embargo, esta es una estrategia poderosa para mejorar el rendimiento de la CPU.

    Hyperthreading

    Otra estrategia para mejorar el rendimiento de la CPU es el hyperthreading. Hyperthreading hace que un solo núcleo de procesador funcione como dos CPU al proporcionar dos flujos de datos e instrucciones.

    Agregar un segundo puntero de instrucción y un registro de instrucción a nuestra CPU hipotética, hace que funcione como dos CPU, ejecutando dos secuencias de instrucciones separadas durante cada ciclo de instrucción.

    Además, cuando un flujo de ejecución se detiene mientras espera datos (nuevamente, las instrucciones también son datos), el segundo flujo de ejecución continúa procesando. Cada núcleo que implementa hyperthreading equivale a dos CPU en su capacidad para procesar instrucciones.

    Terminologías de CPU

    El procesador Intel es un paquete que se conecta a un solo zócalo en la placa base. El paquete del procesador contiene seis núcleos. Cada núcleo es capaz de hyperthreading, por lo que cada uno puede ejecutar dos subprocesos simultáneos para un total de 12 CPU.

    Núcleo: un núcleo es la unidad física de hardware más pequeña capaz de realizar la tarea de procesamiento. Contiene una ALU y uno o dos conjuntos de registros de soporte. El segundo conjunto de registros y circuitos de apoyo permite el hiperproceso. Se pueden combinar uno o más núcleos en un solo paquete físico.

    CPU: una unidad lógica de hardware capaz de procesar un único hilo de ejecución. El uso moderno del término unidad central de procesamiento se refiere al número total de subprocesos que un paquete de procesador es capaz de ejecutar simultáneamente.
    Un procesador de un solo núcleo que no admite hyperthreading es el equivalente a una sola CPU.

    En este caso, CPU y núcleo son sinónimos. Un procesador de hyperthreading con un solo núcleo es el equivalente funcional de dos CPU. Un procesador de hyperthreading con ocho núcleos es el equivalente funcional de 16 CPU.

    Paquete: el componente físico que contiene uno o más núcleos, como el que se muestra en la Figura 1 anterior.

    Procesador: Dispositivo que procesa las instrucciones del programa para manipular datos. 2) Se utiliza con frecuencia como sinónimo de paquete.

    Socket: a veces se usa como otro sinónimo de paquete, pero se refiere con mayor precisión al socket físico de la placa base en el que se inserta el paquete del procesador. Los términos socket, procesador y paquete a menudo se usan indistintamente, lo que puede causar cierta confusión.

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