LA CPU (GRUPO 3)

Unidad central de procesamiento (CPU)

La unidad central de procesamiento o unidad de procesamiento central (conocida por las siglas CPU, del inglés: central processing unit), es el hardware dentro de un ordenador u otros dispositivos programables, que interpreta las instrucciones de un programa informático mediante la realización de las operaciones básicas aritméticas, lógicas y de entrada/salida del sistema. El término, y su acrónimo, han estado en uso en la industria de la Informática por lo menos desde el principio de los años 1960. La forma, el diseño de CPU y la implementación de las CPU ha cambiado drásticamente desde los primeros ejemplos, pero su operación fundamental sigue siendo la misma.

Un ordenador puede tener más de una CPU; esto se llama multiprocesamiento. Todas las CPU modernas son microprocesadores, lo que significa que contienen un solo circuito integrado (chip). Algunos circuitos integrados pueden contener varias CPU en un solo chip; estos son denominados procesadores multinúcleo. Un circuito integrado que contiene una CPU también puede contener los dispositivos periféricos, y otros componentes de un sistema informático; a esto se llama un sistema en un chip (SoC).

Dos componentes típicos de una CPU son la unidad aritmético lógica (ALU), que realiza operaciones aritméticas y lógicas, y la unidad de control (CU), que extrae instrucciones de la memoria, las decodifica y las ejecuta, llamando a la ALU cuando sea necesario.

No todos los sistemas computacionales se basan en una unidad central de procesamiento. Una matriz de procesador o procesador vectorial tiene múltiples elementos cómputo paralelo, sin una unidad considerada el "centro". En el modelo de computación distribuido, se resuelven problemas mediante un conjunto interconectado y distribuido de procesadores.

Historia

Los primeros ordenadores, como el ENIAC, tenían que ser físicamente recableados para realizar diferentes tareas, lo que hizo que estas máquinas se denominan "ordenadores de programa fijo". Dado que el término "CPU" generalmente se define como un dispositivo para la ejecución de software (programa informático), los primeros dispositivos que con razón podríamos llamar CPU vinieron con el advenimiento del ordenador con programa almacenado.

La idea de un ordenador con programa almacenado ya estaba presente en el diseño de John Presper Eckert y en el ENIAC de John William Mauchly, pero esta característica se omitió inicialmente para que el aparato pudiera estar listo antes. El 30 de junio de 1945, antes de que se construyera la ENIAC, el matemático John von Neumann distribuyó el trabajo titulado First Draft of a Report on the EDVAC (Primer Borrador de un Reporte sobre el EDVAC). Fue el esbozo de un ordenador de programa almacenado, que se terminó en agosto de 1949.​ EDVAC fue diseñado para realizar un cierto número de instrucciones (u operaciones) de varios tipos. Significativamente, los programas escritos para el EDVAC se crearon para ser almacenados en la memoria de alta velocidad del ordenador y no para que los especificara el cableado físico del ordenador. Esto superó una severa limitación del ENIAC, que era el importante tiempo y esfuerzo requerido para volver a configurar el equipo para realizar una nueva tarea. Con el diseño de von Neumann, el programa o software que corría EDVAC podría ser cambiado simplemente cambiando el contenido de la memoria. Sin embargo, EDVAC no fue el primer ordenador de programa almacenado; la Máquina Experimental de Pequeña Escala de Mánchester, un pequeño prototipo de ordenador de programa almacenado, ejecutó su primer programa el 21 de junio de 1948​ y la Manchester Mark I ejecutó su primer programa en la noche del 16 al 17 junio de 1949.

Las primeras CPU fueron diseñadas a medida como parte de un ordenador más grande, generalmente un ordenador único en su especie. Sin embargo, este método de diseñar las CPU a medida, para una aplicación particular, ha desaparecido en gran parte y se ha sustituido por el desarrollo de clases de procesadores baratos y estandarizados adaptados para uno o varios propósitos. Esta tendencia de estandarización comenzó generalmente en la era de los transistores discretos, computadoras centrales y microcomputadoras y fue acelerada rápidamente con la popularización del circuito integrado (IC), éste ha permitido que sean diseñados y fabricados CPU más complejas en espacios pequeños en la orden de nanómetros). Tanto la miniaturización como la estandarización de las CPU han aumentado la presencia de estos dispositivos digitales en la vida moderna mucho más allá de las aplicaciones limitadas de máquinas de computación dedicadas. Los microprocesadores modernos aparecen en todo, desde automóviles hasta teléfonos móviles o celulares y juguetes de niños.

Si bien von Neumann muchas veces acreditado por el diseño de la computadora con programa almacenado debido a su diseño del EDVAC, otros antes que él, como Konrad Zuse, habían sugerido y aplicado ideas similares. La denominada arquitectura Harvard del Harvard Mark I, que se completó antes de EDVAC, también utilizó un diseño de programa almacenado usando cinta de papel perforada en vez de memoria electrónica. La diferencia clave entre las arquitecturas de von Neumann y la de Harvard es que la última separa el almacenamiento y tratamiento de instrucciones de la CPU y los datos, mientras que el primero utiliza el mismo espacio de memoria para ambos. La mayoría de los CPU modernos son de diseño von Neumann, pero los CPU con arquitectura Harvard se ven así, sobre todo en aplicaciones embebidas; por ejemplo, los microcontroladores Atmel AVR son procesadores de arquitectura Harvard.

Los relés eléctricos y los tubos de vacío (válvulas termoiónicas) eran usados comúnmente como elementos de conmutación; un ordenador útil requiere miles o decenas de miles de dispositivos de conmutación. La velocidad global de un sistema depende de la velocidad de los conmutadores. Los ordenadores de tubo, como el EDVAC, tendieron en tener un promedio de ocho horas entre fallos, mientras que los ordenadores de relés, (anteriores y más lentos), como el Harvard Mark I, fallaban muy raramente. Al final, los CPU basados en tubo llegaron a ser dominantes porque las significativas ventajas de velocidad producidas generalmente pesaban más que los problemas de confiabilidad. La mayor parte de estas tempranas CPU síncronas corrían en frecuencias de reloj bajas comparadas con los modernos diseños microelectrónicos. Eran muy comunes en este tiempo las frecuencias de la señal del reloj con un rango desde 100 kHz hasta 4 MHz, limitado en gran parte por la velocidad de los dispositivos de conmutación con los que fueron construidos.

Partes de la CPU

Placa base

La placa base o placa madre es el dispositivo sobre el que se montan los distintos elementos que se encuentran en el interior de la CPU. Sus funciones incluyen, anclaje de los distintos elementos, comunicación y conexionado para periféricos externos como pueden ser teclados, ratones o el monitor.

Los circuitos y conexiones que encuentras sobre cualquier placa base es lo que denominamos chipset. Algunos modelos de placas disponen de tarjeta gráfica o de sonido integradas. En estos puedes optar por no añadir una adicional si es suficiente para tus necesidades. Esto te permite en por ejemplo en equipos pensado para trabajar en oficina donde la gráfica no es muy importante poder ahorrar algo de dinero no teniendo que comprar una discreta.

Es muy importante, al elegir una placa base conocer qué cantidad máxima de memoria RAM puedes añadir, número y tipo de conexiones externas que tiene, y que procesadores soporta.

Memoria RAM

El sistema de memoria de un PC funciona de un modo jerarquizado. En el extremo más alejado se encuentra el disco duro. En este se almacenan los programas y datos esperando que el procesador los necesite incluso aunque no esté conectado a la corriente eléctrica.

Pero los discos duros son demasiados lentos para estar accediendo a ellos continuamente. Es por esto que existe la memoria RAM. En ella se almacenan los programas y datos mientras se ejecutan, pero al apagar el PC se borra esta memoria y por lo tanto no puede ser usada para dejar nada de forma permanente. Esta memoria es miles de veces más rápida que cualquier disco duro, aunque también tiene mucha menor capacidad.

La memoria RAM debe ser compatible, como no podría ser de otra forma, con tu placa base y tu procesador. Estos últimos cada vez más incorporan en su interior el controlador de la memoria y por lo tanto te definen el tipo y velocidad máxima de los módulos de RAM que puedes usar.

Procesador

 

Es el cerebro del sistema. Se encarga de leer las instrucciones y datos que componen los programas y actúa en consecuencia.

Su importancia, para el rendimiento, es por tanto crucial. Si es lento, lastrara a todo el PC, haciendo que este no funcione de forma fluida. El procesador no sólo trabaja con los programas sino que tiene que estar atento a toda la información que tú le introduces vía teclado o ratón.

Puedes consultar más información sobre como funciona un procesador en el enlace.

Al elegir un procesador, determinas los tipos de placa base que puedes elegir y viceversa. Por ejemplo un micro Intel no puede funcionar con una placa base que tenga un chipset de AMD.

La arquitectura, el número de núcleos, la cantidad de memoria cache, la frecuencia de funcionamiento, el consumo, son elementos que distinguen a un procesador de otro.

Tarjeta Gráfica 

Es la encargada de ayudar al procesador a realizar las operaciones relacionadas con la representación de los gráficos en la pantalla de tu PC. Como te he comentando anteriormente a veces esta funcionalidad se encuentra integrada en la placa base y por tanto no es necesario un dispositivo adicional.

Cualquier tarjeta gráfica moderna es capaz de realizar gran número de tareas. Entre ellas están desde la creación y representación de esos mundos tridimensionales que ves en los juegos a la reproducción de películas de alta calidad.

Este es un elemento que ha pasado de ser independiente, a integrase en la placa base y finalmente a acabar en el interior del propio procesador. En poco tiempo será extraño ver un equipo con una tarjeta gráfica no integrada.

Disco Duro 

Su funcionalidad es clara y la realiza de forma eficiente desde que aparecieron los primeros PCs, es el encargado de almacenar los datos cuando el equipo no está conectado a la corriente eléctrica. Sus características principales serán por tanto la velocidad y el tamaño.

A menos que te dediques de forma intensa al procesado de video, la velocidad si eliges un disco duro clásico no es un aspecto importante.

La última novedad en relación a este elemento son los discos duros SSD. Gracias a no tener partes móviles y a estar compuestos de memoria de estado sólido no tienen ciertos inconvenientes que si tienen los discos duros normales como pueden ser el ruido, su poco aguante a los golpes y son mucho más rápidos. El único problema de estos elementos es el precio.