Unidad Central de Procesamiento o CPU: ¿Qué es, para qué se utiliza y qué tipos hay?

La Unidad Central de Procesamiento de un equipo es el componente más importante del mismo. Se encarga, principalmente y como indica su nombre, de procesar cualquier tipo de información y de ofrecer aquellos puertos que son completamente necesarios para que se puedan conectar periféricos al mismo.

La CPU, como es denominada dentro del mundo de la informática, está formada por una serie de componentes que unidos hacen que el ordenador funcione correctamente. Estas microunidades son la unidad aritmético-lógica (UAL) y la unidad de control (UC). La unión de ambas es lo que se conoce como microprocesador, un procesador (o, mejor dicho, un conjunto de decenas de procesadores) de dimensiones reducidas.

En este texto vamos a intentar resolver todas las dudas que se plantean acerca del concepto de Unidad Central de Procesamiento, las características que tienen sus componentes y su funcionamiento. Además, vamos a definir las CPUs que se conocen y otros datos curiosos acerca de dicho concepto como, por ejemplo, en qué se diferencia de una unidad gráfica o GPU.

¿Qué es una CPU y para qué se utiliza en informática?

Como se ha indicado inicialmente, la Unidad Central de Procesamiento (procesador, UCP ó CPU) es la parte más importante de un ordenador y de otros aparatos que la incluyen como puede ser, por ejemplo, un televisor inteligente o un smartphone. De hecho, se trata del lugar donde se llevan a cabo todos los procedimientos relacionados con la información.

Esta tiene una estructura basada en un circuito integrado denominado microprocesador, que puede cambiar y de hecho lo hace entre las diferentes marcas de ordenadores que existen en el mercado.

Se trata de un dispositivo que interpreta una serie de instrucciones que están contenidas dentro de un programa, o bien, que se definen en las entradas e inician la ejecución del proceso de los datos. 

Cumple con diferentes funciones:

• Ejecución de programas. Se ocupa de que se aborden las instrucciones de los mismos para su arranque y puesta en funcionamiento.
• Programación. Se refiere a la compenetración de todas las funciones del sistema a través de una preparación de organigrama previo. Así, se evita la saturación del sistema y se controla lo que este puede soportar en todo momento a nivel de disco y memoria.
• Comunicación con todas las unidades de entrada-salida. Se realiza el acuerdo entre cada una de las unidades, de manera que los periféricos puedan responder sin que se produzca un colapso entre ellos y, por lo general, de manera inmediata.
• Almacenamiento primario. Esto equivale a una buena gestión de la memoria, de manera que se controla con los programas tengan el espacio necesario para que puedan funcionar correctamente, asignándoselo a cada cual que precise en función de sus características y del uso que se les esté dando en cada momento.

Evolución del concepto de CPU

En los primeros ordenadores que existieron, se diseñaban las unidades centrales de procesamiento de manera que se trabajase con un ordenador mucho más grande. Por este motivo, las máquinas se manejaban con mecanismos muy sencillos, mecánicos. De hecho, al principio, estos ordenadores tenían que irse recableando para que pudieran realizar diferentes tareas.

Los primeros ordenadores que disponían de CPU eran los ordenadores con programa almacenado. Esto se instauró con el modelo ENIAC creado en 1945 y cuya arquitectura fue preparada por el matemático que ha marcado el mundo de la informática, John Von Neumann.

Lo que se pretendía con este equipo era que realizara operaciones de diferentes tipos que estaban almacenadas en la memoria del ordenador, lo cual implicaba que no hubiera que hacer cambios físicos en el cableado del ordenador para evitar consumir tiempo y esfuerzo y que se produjesen errores.

Inicialmente se creaban las unidades centrales de procesamiento a medida, pero esto no es demasiado operativo y, por este motivo, hace tiempo que se consideró la estandarización de procesadores para que se adapten a varios propósitos. Esto se hizo posible gracias a la aparición del circuito integrado (CI), que ha permitido que las UCP sean cada vez más complejas en espacios pequeños.

Debemos hacernos a la idea de que hoy en día los microprocesadores se encuentran en todas partes, desde coches y camiones hasta móviles o juguetes de niños. El inicio de mejoras para este tipo de unidades comenzó con la aparición del transistor en los años 50. Con él se podían crear UCP más complejas sobre tarjetas de circuito impreso.

Las que están basadas en circuitos integrados son referidas como dispositivos de pequeña escala de integración (SSI). Estos contenían transistores siempre múltiplos de diez. Los completos requerían miles de chips individuales, pero consumiendo el mínimo espacio.

En 1964, IBM introdujo la arquitectura System/360, la cual permitía que una serie de ordenadores pudieran ejecutar el mismo programa a velocidades diferentes. Por ello, aunque los ordenadores eran incompatibles entre sí, la arquitectura era la misma. En ese momento, se pudo comprobar que los transistores permitían que el procesador operara a velocidades mucho más altas por el tiempo de conmutación que éste les ofrecía.

Con el paso del tiempo, apareció el concepto de microprocesador para procesadores fabricados con un pequeño número de circuitos integrados; generalmente solo uno. La disminución de tamaño hizo que los tiempos de conmutación fueran más rápidos. Por este motivo, el diseño, complejidad y tamaño no ha cambiado demasiado con el paso de los años una vez se dio la aparición de este microelemento.

Componentes y características de la CPU de la computadora ¿Qué partes de hardware lo conforman?

La Unidad Central de Procesamiento está formada por una serie de componentes que iremos definiendo por separado para conocer el alcance de sus funcionalidades:

Unidad de Control

Se trata de uno de los bloques que conforman la CPU. Su función principal es la de buscar instrucciones en la memoria, decodificarlas y ejecutarlas mediante la Unidad de Proceso. En otras palabras, la UC es todo el conjunto de circuitos que controlan el flujo de datos que se producen en el procesador.

Hay muchos componentes que se encuentran dentro de este bloque. Estos son:

• Registro de instrucción. Lugar donde se almacena la instrucción durante el tiempo en que se está ejecutando.
• Contador de programa. Contiene la dirección de memoria de la siguiente instrucción que se va a ejecutar.
• Controlador y decodificador. Interpreta la instrucción extrayendo el código de la operación que se tiene que realizar.
• Reloj. Proporciona impulsos eléctricos a intervalos con cierta constancia.
• Secuenciador. Genera micrórdenes que son necesarias para que se pueda ejecutar una instrucción.

Unidad de Proceso

Se trata de otro de los bloques más importantes de este elemento. Su función reside en ejecutar todas las tareas que le pasa la unidad de control.

Para llevar estos procesos a cabo, precisa la ayuda de los elementos que se describen a continuación:

• Unidad de coma flotante. Sirve para realizar operaciones matemáticas con números reales.
• Unidad aritmético-Lógica (ALU). Sirve para hacer las operaciones aritméticas básicas, funciones lógicas, comparaciones o rotaciones de bits.
• Registro de estado. Guarda algunos indicadores sobre el resultado de las operaciones que se han hecho.
• Registro acumulador. Conserva los operandos y los resultados de las operaciones.

Registros

Un registro es una memoria de alta velocidad integrada dentro del propio procesador. Sirve para conservar datos de manera transitoria y poder acceder a los valores más utilizados. De hecho, es la mejor manera que tiene el sistema de conservar datos. Los registros se miden por el número de bits que permiten almacenar. Si tu equipo tiene, por ejemplo, 64 bits, esto indica que se permiten almacenar registros de 64 bits.

Los tipos de registros que existen son los que se indican a continuación:

• Registros de coma flotante. Guardan datos en forma de coma flotante.
• Registros constantes. Tienen valores que se crean para utilizarse en modo solo lectura. Son elaborados cuando se crea el propio hardware.
• Registros de datos. Conservan números enteros.
• Registros de memoria. Guardan únicamente direcciones de memoria.
• Registros de propósito específico. Conservan información relativa al estado del sistema como, por ejemplo, el puntero de una pila.
• Registros de propósito general. Conservan tanto datos como direcciones. Se usan sobre todo en la arquitectura de Von Neumann la cual, por otro lado, es la típica.

Bus de entrada y salida

El bus se utiliza para transportar datos entre componentes de un ordenador. Son pistas sobre un circuito integrado que se pueden transferir de dos maneras:

• Paralelo. El bus permite que se transmitan varios bits al mismo tiempo.
• Serie. El bus solo puede transferir los datos bit a bit a través de un único cable transmisor de información.

En los primeros ordenadores, los buses siempre trabajaban en paralelo, pero en los últimos años estos se han ido sustituyendo por los buses en serie. Aunque los últimos son más difíciles de implementar, la velocidad de transferencia que consiguen es mucho mayor.

¿Cómo trabaja una CPU?

Esta realiza múltiples operaciones, pero lo que más destaca de todo es la ejecución de programas. Los programas, vistas desde la parte interior, son un conjunto de instrucciones que están representadas por números que se almacenan en la memoria del ordenador antes de ser ejecutados. Todos los sistemas que poseen arquitectura Von Neumann ejecutan cuatro pasos para realizar sus operaciones. Estos son leer, decodificar, ejecutar y escribir.

FETCH (Leer)

Durante este paso, se recoge la instrucción representada por una secuencia de números de la memoria.

El contador de Programa (PC, no confundir con ordenador personal o Personal Computer) es el encargado de almacenar la dirección de memoria donde están dichas instrucciones.

Tras realizar la lectura, el PC se incrementa para cambiar la posición y ubicarse en la unidad de memoria donde se encuentra la dirección de la siguiente instrucción que debe ejecutar. En este caso, se utiliza la memoria lenta y su velocidad de respuesta está relacionada con la memoria caché y el procesador del equipo.

DECODE (Decodificar)

Una vez que ya tenemos la instrucción, esta se divide en diferentes partes que se interpretarán por las unidades del procesador. Una parte de los números indica la operación que se debe realizar (opcode) y las partes siguientes corresponden a información relativa a la ejecución de dicha operación. Por ejemplo, en el caso de que la instrucción sea una suma, será necesario comprender el operador que indica suma y los operandos que se pretenden sumar.

Estos pueden venir definidos por un valor o por una dirección de memoria, de donde se coge el dato que se quiera sumar. En CPU’s más complejas se ha creado un microprograma que traduce las instrucciones, de manera que la decodificación se convierte en algo más sencillo.

EXECUTE (Ejecutar)

En el momento en que llega este paso, el procesador conecta con sus unidades implicadas en la instrucción para que se pueda llevar a cabo la operación que se pide en el programa.

Cuando se realiza la operación de adición que hemos comentado anteriormente, se conecta la unidad aritmético-lógica (ALU) para realizar las operaciones, con las entradas y salidas donde se encuentren los números a sumar y el lugar donde se coloque el resultado de las mismas.

WRITEBACK (Escribir)

En este paso, únicamente se produce la escritura de los resultados de la instrucción ejecutada. Estos pueden mantenerse en la memoria volátil o conservarse en la memoria principal, que puede ser un poco más lenta.

Tras finalizar el último paso, el proceso se repite con el siguiente ciclo de instrucción para poder leer la siguiente e incrementar el contador de programa. En procesadores complejos, se pueden leer múltiples instrucciones de a una para poder luego ejecutarlas.

¿Cuántos tipos de Unidades Centrales de Procesamiento existen?

Existen varios tipos en cuanto a la Unidad Central de Procesamiento, los cuales se clasifican en función del número de núcleos con que cuenta:

CPU de un núcleo

Se denomina CPU core. Apareció con el inicio de los conceptos de computación. Se trataba de un procesador con un solo núcleo, donde la ejecución de tareas básicas era muy lenta, realizándose una a una, aunque por aquel entones, como puedes imaginar por lo que ya hemos comentado, era un equipo revolucionario que permitió reducir cuantiosamente el porcentaje de errores así como la derivación de recursos a otros menesteres.

Procesadores de doble núcleo

Fue todo un avance en el mundo de la tecnología: combinar dos núcleos dentro de un procesador; no fue tarea fácil. Hay que controlar la sobrecarga en el sistema de administración, lo que no permite duplicar la velocidad de un procesador.

Se utilizaban en entornos multitarea ya que, en él, los programas y subprocesos luchan por el tiempo del procesador. Si existe un segundo núcleo, uno de los subprocesos se ejecutarían en un equipo y el otro en el otro. Esta UCP ofrece un 75% de rendimiento más alto que un procesador uninúcleo, no pudiendo hablar de un rendimiento que se duplica. Eso sí, trabaja dos tareas y lo hace de manera más rápida.

CPU de cuatro núcleos

Se trata de un tipo de procesador denominado quadcore. Este está formado por cuatro núcleos y es mucho más rápido que los dos modelos anteriores. Es capaz de realizar varias tareas al mismo tiempo y a gran velocidad.

Por lo general, es el tipo de procesador que encontramos en los teléfonos móviles de gama media y media-alta.

CPU de seis y ocho núcleos

Estos son los que se utilizan actualmente en ordenadores. Son capaces de realizar una gran cantidad de tareas de enorme exigencia a una velocidad pasmosa. Según su capacidad pueden ejecutar entre seis y ocho tareas principales al mismo tiempo sin que la experiencia del usuario se vea deslucida.

¿Qué diferencias encontramos entre una CPU y una GPU?

Es normal que te lo preguntes porque ambos son elementos de equipos informático-tecnológicos y sus nombres son muy similares.

Comencemos por hacerte saber que, en ambos casos, hablamos de unidades de procesamiento. Esto significa que la finalidad de ambos es la misma: procesar.

Sin embargo, la diferencia es clara:

• La unidad central de procesamiento se encarga de, redundando, procesar todo tipo de actos e información, siendo de propósito o carácter general, trabajando en serie. Puede trabajar con elementos gráficos. El número de procesos con que carga es más reducido.
• La GPU trabaja específicamente en el procesamiento de elementos gráficos, es decir, de imagen y vídeo, y lo hace en paralelo, según el Modelo Circundante. Ello supone restar carga al procesador, que queda libre para trabajar sobre el resto de elementos. Por este motivo resulta interesante invertir tiempo es escoger una buena tarjeta gráfica para que el procesador no se colapse, por muy bueno que sea. Carga con muchos más procesos pero debiendo ser específicos.