PARTES DE UN MICROPROCESADOR

JULIAN ANDRES MUÑOZ MARTINEZ

ING. AIRETH AMAYA

ARQUITECTURA DE HARDWARE

FUNDACIÓN UNIVERSITARIA COFREM-UNIPANAMERICANA

VILLAVICENCIO-META 2015

PARTES DE UN MICROPROCESADOR

La memoria

Es el lugar donde el procesador encuentra sus instrucciones de programa y sus

datos. Tanto los datos como las instrucciones están almacenados en memoria, y

el procesador los toma de ahí. La memoria es una parte interna de la computadora

y su función esencial es proporcionar un espacio de trabajo para el procesador.

Memoria principal

La memoria principal es el dispositivo que conserva durante todo el tiempo de

trabajo del ordenador las instrucciones y los datos necesarios para el desarrollo

del proceso.

Funciona mediante un conjunto de células numeradas (al número que identifica a

una célula se le llama dirección). Una vez determinada la dirección de una célula,

se puede leer la información que contiene o escribir una nueva información en su

interior. Para poder realizar estas operaciones, la memoria dispone de dos

registros especiales: el registro de dirección de memoria y el registro de

intercambio o de datos. El registro de dirección de memoria indica el número de la

célula afectada y el registro de intercambio de datos contiene la información leída

o la que hay que escribir en la célula en cuestión.

En ella se almacenan dos tipos de información: el programa o secuencia de

instrucciones a ejecutar, y los datos que manejarán dichas instrucciones. Las

operaciones que se realizan sobre esta unidad se reducen a dos: lectura y

escritura. Evidentemente, las operaciones de escritura destruyen la información

almacenada en la célula, al sustituirla por una nueva información. No ocurre así

con las de lectura.

La memoria caché

Es una memoria ultrarrápida que emplea el micro para tener a mano ciertos datos

que prediciblemente serán utilizados en las siguientes operaciones sin tener que

acudir a la memoria RAM reduciendo el tiempo de espera. Por ejemplo: en una

biblioteca, en lugar de estar buscando cierto libro a través de un banco de ficheros

de papel se utiliza las computadoras, y gracias a la memoria cache, obtiene de

manera rápida la información. Todos los micros compatibles con PC poseen la

llamada cache interna de primer nivel o L1; es decir, la que está más cerca del

micro, tanto que está encapsulada junto a él. Los micros más modernos (Pentium

III Coppermine, Athlon Thunderbird, etc.) incluyen también en su interior otro nivel

de caché, más grande aunque algo menos rápida, la caché de segundo nivel o L2.

Unidad de control

Esta unidad se ocupa de controlar y coordinar el conjunto de operaciones

necesarias para realizar el oportuno tratamiento de la información. Su objetivo

consiste en extraer de la memoria principal la instrucción a ejecutar. Para ello

dispone de un registro, denominado contador de instrucciones, en el que

almacena la dirección de la célula que contiene la próxima instrucción a ejecutar, y

de un segundo registro, llamado de instrucción, en el que deposita la instrucción

propiamente dicha.

Este último está dividido en dos zonas: una contiene el código que identifica la

operación a ejecutar, y la segunda la dirección de la célula en la que está

almacenado el operando.

Una vez conocido el código de la operación, la unidad de control ya sabe qué

circuitos de la unidad aritmético-lógica deben intervenir, y puede establecer las

conexiones eléctricas necesarias a través del secuenciador.

A continuación extrae de la memoria principal los datos necesarios para ejecutar la

instrucción en proceso. Para ello simplemente ordena la lectura de la célula cuya

dirección se encuentra en la segunda zona del registro de instrucción.

Posteriormente, ordena a la unidad aritmético-lógica que ejecute las oportunas

operaciones elementales. El resultado de este tratamiento se deposita en un

registro especial de la unidad aritmético-lógica, denominado «acumulador». Si la

instrucción ha proporcionado nuevos datos, estos son almacenados en la memoria

principal.

Por último, incrementa en una unidad el contenido del contador de instrucciones,

de tal forma que coincida con la dirección de la próxima instrucción a ejecutar.

También consta de un reloj. El reloj es el oscilador electrónico que hace que el

microprocesador vaya de un paso al siguiente al ejecutar las instrucciones (cada

instrucción de la máquina ocupa varios ciclos del reloj). La velocidad del reloj se

mide en megaherzios.

Unidad aritmético-lógica

La unidad aritmético-lógica (ALU, arithmeticalogicalunit) es el dispositivo

encargado (te ejecutar las operaciones aritméticas y lógicas, almacenando el

resultado en un registro llamado acumulador. Todas estas operaciones las realiza

siguiendo las indicaciones dadas por la unidad de control.

La unidad lógico-aritmética está conectada al mundo exterior a través del «bus»,

canal de señales que une la ALU con las otras áreas de la unidad central de

proceso, y ésta con dispositivos internos y externos. La ALU puede así recoger los

datos entrada y dar salida a los resultados.

Decodificador de instrucciones: Allí se interpretan las instrucciones que van

llegando y que componen el programa. Aquí entra en juego los compiladores e

intérpretes.

DESCRIPCIÓN DEL FUNCIONAMIENTO: Los programas de computación son

“recetas” con instrucciones escritas una debajo de otra, de modo que para que

funcionen, primero debe leerse la orden que se encuentra en la fila 1, luego la de

la fila 2, y así sucesivamente, del mismo modo que leeríamos una receta de

cocina.

Si en algún momento el programa tiene que saltar a otro punto, es necesario

romper con la secuencia, hay una llamada que indica exactamente en qué línea se

debe seguir, al igual que ocurre cuando leemos un revista y, al final de la nota,

aparece un cartel que dice “continúa en la página xx”.

Cuando ejecutamos un programa instalado en el disco rígido de la PC, por

ejemplo, Word, lo que ocurre es que su secuencia de instrucciones se copia en la

memoria principal de la computadora, memoria RAM, y luego, por bloques, pasa a

la memoria caché, que es la memoria interna del microprocesador.

Cuando el microprocesador empieza a realizar su trabajo, lee una orden detrás de

otra, ya sea desde su caché interno (en caso de que la instrucción se encuentre

allí) o desde la RAM, y procede a ejecutarla. Cuando esto ocurre, Word, Excel o el

programa que sea empiezan a funcionar.

Cuando las instrucciones están en la memoria, el microprocesador las lee y

ejecuta. Sin embargo, cabe preguntarse ¿por qué algunas computadoras arrancan

más rápido que otras, abren Word más velozmente, muestran antes las imágenes

en el monitor, etc.? Una de las principales razones es que su microprocesador es

mejor y puede entender y procesar más rápido las órdenes que se le dan.

Podríamos preguntarnos, entonces qué determina que un microprocesador sea

mejor que otro. A continuación, se enumeran los puntos clave de los que depende

el desempeño del CPU:

Su rapidez de trabajo.

La comunicación que tiene con la placa madre.

Su eficiencia.

La cantidad de memoria interna que posee.

Paginación de memoria 

En sistemas operativos de computadoras, los sistemas

de paginación de memoria dividen los programas en pequeñas partes o páginas.

Del mismo modo, la memoria es dividida en trozos del mismo tamaño que las

páginas llamados marcos de página. De esta forma, la cantidad de memoria

desperdiciada por un proceso es el final de su última página, lo que minimiza la

fragmentación interna y evita la externa.

En un momento cualquiera, la memoria se encuentra ocupada con páginas de

diferentes procesos, mientras que algunos marcos están disponibles para su uso.

El sistema operativo mantiene una lista de estos últimos marcos, y una tabla por

cada proceso, donde consta en qué marco se encuentra cada página del proceso.

De esta forma, las páginas de un proceso pueden no estar contiguamente

ubicadas en memoria, y pueden intercalarse con las páginas de otros procesos.

En la tabla de páginas de un proceso, se encuentra la ubicación del marco que

contiene a cada una de sus páginas. Las direcciones lógicas ahora se forman

como un número de página y de un desplazamiento dentro de esa página

(conocido comúnmente como offset). El número de página es usado como un

índice dentro de la tabla de páginas, y una vez obtenida la dirección del marco de

memoria, se utiliza el desplazamiento para componer la dirección real o dirección

física. Este proceso se realiza en una parte del computador específicamente

diseñada para esta tarea, es decir, es un proceso hardware y no software.

De esta forma, cuando un proceso es cargado en memoria, se cargan todas sus

páginas en marcos libres y se completa su tabla de páginas.

El coprocesador matemático

Correctamente la FPU (Unidad de coma flotante). Que es la parte del micro

especializada en esa clase de cálculos matemáticos, antiguamente estaba en el

exterior del micro en otro chip. Esta parte está considerada como una parte

“lógica” junto con los registros, la unidad de control, memoria y bus de datos.

El coprocesador matemático es un procesador especial que sirve como

complemento del microprocesador principal.

El coprocesador matemático puede encargarse de operaciones como la aritmética

de punto flotante, gráficos, procesamiento de señales, procesamiento de cadenas,

encriptación, del filtro de Savitzky–Golay (método para cálculo de derivadas), etc.

Por lo tanto, el coprocesador no es un procesador de propósito general. Algunos

coprocesadores no pueden buscar instrucciones desde la memoria, ejecutar

instrucciones de control de flujo, hacer operaciones de entrada/salida, administrar

la memoria, entre otras cosas, que sí pueden hacer los procesadores de propósito

general.

El coprocesador depende de un procesador anfitrión o "host" para entregarle

instrucciones al coprocesador.

De todas maneras, en algunas arquitecturas, el coprocesador tiene un

funcionamiento más de propósito general, pero con un limitado rango de funciones

y siempre bajo la supervisión del procesador principal.

El uso de coprocesadores disminuyó debido a la dificultad de integrar este con los

nuevos microprocesadores de altas velocidades. De todas maneras hay un

resurgimiento de estos, especialmente para aquellos dedicados a los gráficos, que

cada vez son más complejos en los juegos.

El encapsulado

Es lo que rodea a la oblea de silicio en si, para darle consistencia, impedir su

deterioro (por ejemplo, por oxidación por el aire) y permitir el enlace con los

conectores externos que lo acoplaran a su zócalo a su placa base.

La comunicación de un microprocesador con el exterior, esto es, con la memoria

principal unidades de control de los periféricos, se realiza mediante señales de

información y señales de control que son enviadas a través del patillaje del

microprocesador. Posteriormente, estas señales viajarán por el bus del sistema

que comunica al procesador con los demás componentes situados en la placa

base, pasando a continuación al bus de E/S hasta llegar

al periférico correspondiente. El número y tamaño de las patillas ha ido variando

con el tiempo según las necesidades y las tecnologías utilizadas. Para

comunicarse con el resto del sistema informático el procesador utiliza las líneas de

comunicación a través de sus patillas (pines). Se define como encapsulado la

forma en que se empaqueta la oblea de silicio para efectuar su conexión con el

sistema.

DIP (Dual in-line package).

DIP, o Dual in-line package por sus siglas en inglés, es una forma de

encapsulamiento común en la construcción de circuitos integrados. La forma

consiste en un bloque con dos hileras paralelas de pines, la cantidad de éstos

depende de cada circuito. Por la posición y espaciamiento entre pines, los circuitos

DIP son especialmente prácticos para construir prototipos en tablillas

de protoboard. Concretamente, la separación estándar entre dos pines o

terminales es de 0.1“ (2.54 mm).

Disipador de calor 

Es fundamental para un rendimiento optimo de los mismos. Esto es debido a que

en todo semiconductor, el flujo de la corriente produce una pérdida de energía que

se transforma en calor. El calor produce un incremento de la temperatura de

dispositivo. Si este incremento es excesivo e incontrolado, inicialmente provocara

una reducción de la vida útil del elemento y en el peor de los casos lo destruirá.

Con el aumento de la cantidad de transistores integrados en un procesador, el

consumo de energía se ha elevado a niveles en los cuales la disipación calórica

natural del mismo no es suficiente para mantener temperaturas aceptables y que

no se dañe el material semiconductor, de manera que se hizo necesario el uso de

mecanismos de enfriamiento forzado, esto es, la utilización de disipadores de

calor.

Entre ellos se encuentran los sistemas sencillos, tales como disipadores metálicos,

que aumentan el área de radiación, permitiendo que la energía salga rápidamente

del sistema. También los hay con refrigeración líquida, por medio de circuitos

cerrados.

En los procesadores más modernos se aplica en la parte superior del procesador,

una lámina metálica denominada IHS que va a ser la superficie de contacto del

disipador para mejorar la refrigeración uniforme del die y proteger las resistencias

internas de posible toma de contacto al aplicar pasta térmica. Varios modelos de

procesadores, en especial, los Athlon XP, han sufrido cortocircuitos debido a una

incorrecta aplicación de la pasta térmica.

Los registros

Son básicamente un tipo de memoria pequeña con fines especiales que el micro

tiene disponible para algunos usos particulares. Hay varios grupos de registros en

cada procesador. Un grupo de registros está diseñado para control del

programador y hay otros que no son diseñados para ser controlados por el

procesador pero que CPU los utiliza en algunas operaciones en total son treinta y

dos registros.

Los registros del procesador se emplean para controlar instrucciones en ejecución,

manejar direccionamiento de memoria y proporcionar capacidad aritmética. Los

registros son espacios físicos dentro del microprocesador con capacidad de 4 bits

hasta 64 bits dependiendo del microprocesador que se emplee. Los registros son

direccionables por medio de una viñeta, que es una dirección de memoria. Los

bits, por conveniencia, se numeran de derecha a izquierda (15,14,13…. 3,2,1,0),

los registros están divididos en seis grupos los cuales tienen un fin especifico. Los

registros se dividen en:

Registros de segmento

Registros de apuntadores de instrucciones

Registros apuntadores

Registros de propósitos generales

Registro índice

Registro de bandera.

Dentro del procesador, hay un conjunto de registros que ofrecen un nivel de

memoria que es más rápido y pequeño que la memoria principal. Los registros del

procesador sirven para dos funciones: 

Registros visibles de usuario: Un programador de lenguaje de máquina o

ensamblador puede minimizar las referencias a memoria principal mediante

un uso óptimo de estos registros. Con lenguajes de alto nivel, un compilador

que optimice código intentará hacer una selección inteligente de qué

variables asignar a registros y cuáles a ubicaciones de la memoria principal.

Algunos lenguajes de alto nivel, como C, permiten que el programador

indique al compilador qué variables se deben almacenar en registros.

Registros de control y de estado: Son utilizados por el procesador para el

control de las operaciones o por rutinas privilegiadas del sistema operativo

para controlar la ejecución de los programas.

No hay una separación clara de los registros en estas dos categorías. Por

ejemplo, en algunas máquinas el contador de programa es visible para los

usuarios, pero en otras muchas no lo es. Sin embargo, para el propósito de la

discusión que viene a continuación, es conveniente emplear estas categorías.

Funciones

Los registros de datos principalmente funcionan como lugares de memoria

electrónica temporal de frecuente y fácil acceso a través de la CPU de una

computadora. Esta accesibilidad se debe a la ubicación de los registros dentro de

los microprocesadores. Como resultado de ello, la CPU puede acceder a ellos con

mayor rapidez que los módulos de memoria de acceso aleatorio (RAM por sus

siglas en inglés de Random Access Memory) y otros lugares de almacenamiento

electrónicos como memoria de sólo lectura (ROM por sus siglas en inglés de Read

Only Memory) y memoria flash. Un microprocesador normal contiene múltiples

matrices de estos registros y cada uno está fabricado para mantener sólo una

pequeña cantidad de datos binarios. Un registro en funcionamiento tiene una

capacidad de memoria de 8, 16, 32 o 64 bits; estos valores dependen de la

arquitectura del microprocesador.

Operaciones

Los registros en un microprocesador funcionan como datos en tiempo real que

llevan unidades de memoria electrónica. Esto significa que cuando un usuario da

una orden a una aplicación de software (a través de un clic del ratón o pulsando

una tecla), se traduce en una declaración binaria y se envía al microprocesador.

Estas declaraciones son recibidas por registros del microprocesador, que los

mantienen durante unos nanosegundos si el procesador ya está ocupado, y luego

las envía a petición del procesador. Estos registros también tienen los bits

procesados en tiempo real de datos cuando se transmitieron los bits de datos

previamente procesados, así como también mantienen las ubicaciones y los

comandos asociados con los valores de entrada o los datos procesados.