PRIMER CAPITULO: LA CPU

Arquitectura de ordenadores

Capítulo: La unidad central de proceso


Funciones que realiza
La Unidad central de proceso o CPU, se puede definir como un circuito microscópico que interpreta y ejecuta instrucciones. La CPU se ocupa del control y el proceso de datos en los ordenadores. Habitualmente, la CPU es un microprocesador fabricado en un chip, un único trozo de silicio que contiene millones de componentes electrónicos. El microprocesador de la CPU está formado por una unidad aritmético lógica que realiza cálculos y comparaciones, y toma decisiones lógicas (determina si una afirmación es cierta o falsa mediante las reglas del álgebra de Boole); por una serie de registros donde se almacena información temporalmente, y por una unidad de control que interpreta y ejecuta las instrucciones. Para aceptar órdenes del usuario, acceder a los datos y presentar los resultados, la CPU se comunica a través de un conjunto de circuitos o conexiones llamado bus. El bus conecta la CPU a los dispositivos de almacenamiento (por ejemplo, un disco duro), los dispositivos de entrada (por ejemplo, un teclado o un ratón) y los dispositivos de salida (por ejemplo, un monitor o una impresora).
Elementos que la componen
- Unidad de control: controla el funcionamiento de la CPU y por tanto de el computador.
- Unidad aritmético-lógica (ALU): encargada de llevar a cabo las funciones de procesamiento de datos del computador.
- Registros: proporcionan almacenamiento interno a la CPU.
- Interconexiones CPU: Son mecanismos que proporcionan comunicación entre la unidad de control, la ALU y los registros.

La CPU es el motor del ordenador, es la cabeza pensante del cuerpo, en definitiva es el ordenador

 A lo largo de la historia de la Informática han sido muchas las CPU’s que han pasado por los ordenadores, pero al final, en el tema de los compatibles ha sido la serie X86 la que se ha llevado la palma.

 Cuando IBM se planteó la construcción de su Personal Computer, barajó una serie de CPU’s que cumplían una serie de requisitos, pero fue el 8086 el elegido para el PC.    

 El CPU 8086 fue uno de los primeros CPU’s de 16 Bits que salió al mercado, y era muy avanzado a su época. Sus principales características son:

 -Ancho de bus de 16 Bits.

 -Un bus de direccionamiento de 20 Bits.

 -Alimentación única a +5V

Los primeros ordenadores basados en 8086, todos ellos de IBM, tenían una memoria de 64KB.  Nos puede parecer extraño que pudiendo manejar 1MB sólo lo hiciera con 64KB; debemos tener en cuenta que en aquella época la memoria era muy cara y no estaba al alcance de todo el mundo, so pena de encarecer el precio final del ordenador.  Además, el software no era tan exigente como el actual.

los 8086/8088 tenían poca facilidad para el cálculo matemático complejo, de manera que hubo que diseñar un chip específico para dichas operaciones.  A este chip se le denominó coprocesador matemático y su nombre fue 8087.

Qué es un coprocesador matemático?  Como su nombre indica, es un chip destinado única y exclusivamente a operaciones matemáticas complejas, tales como senos, cosenos, potenciación, exponenciación, etc.  Este chip va conectado al CPU mediante los buses de datos y direcciones.

El uso del coprocesador permitió ejecutar programas complejos de diseño y cálculo, pero con el poco rendimiento del 8086/8088 no se aprovechó bien, de manera que hubo que pensar una manera de mejorar los PC´s.  La solución se llamó 80286.

Las características del 286 eran:

-Bus de datos de 16Bits.

-Direccionamiento ampliado de 24Bits.

-Optimización del tiempo de ejecución de instrucciones.

-Dos modos de trabajo: Real y Protegido.

 Con 24Bits de bus de direcciones, el 286 permitía la ampliación de memoria hasta valores inimaginados:  16MB de  RAM. 

 A pesar de esto, era raro el 286 que tenía más de 4MB de RAM, pues el precio de la memoria en aquellos tiempos era muy caro:  Llegó a ser de hasta 10.000 Ptas el MB.

 Antes hemos dicho que el 286 tenía dos modos de trabajo: Real y Protegido.  El modo real de trabajo es el estándar del 8088/8086, con la limitación de 1MB de RAM.  Este modo se implantó para tener la compatibilidad con los sistemas antiguos.

 El modo Protegido se implantó para la integración del 286 en los sistemas multiusuario y multiprocesador de aquella época, que eran las primitivas versiones de OS/2  y UNIX.  En este modo se pueden utilizar la máxima memoria de la que se disponga, mediante la carga de un driver en el CONFIG.SYS de la máquina, ya sea en MS-DOS ó DR-DOS.

 Para conseguir la “multitarea” de los sistemas anteriormente reseñados, al 286  “no se le puede dejar solo” con la memoria.  Es por ello por lo que el 286 incorpora una especie de “coprocesador” encargado de las colas de instrucciones y el manejo de la memoria, conceptos estos que provocan una especie de “modo de supervisión” del trabajo realizado, concepto ya desarrollado por Motorola en su serie 68000.

Sin embargo, con el 286 comenzaron los errores de Intel, ya que había un error en el modo de trabajo virtual:  En determinadas circunstancias, no se podía volver al modo real, quedando el ordenador colgado.  Este fue uno de las motivos que impidió el avance del DOS.  Por aquella época,  se estaba preparando la versión 4.0 del MS-DOS.  Esta versión incluía una serie de órdenes que permitían el trabajo en modo protegido en DOS, lo cual hubiera acabado en posteriores versiones en una especie de DOS multitarea.  Lamentablemente, el fallo del 286 truncó esa esperanza, de manera que el MS-DOS 4.0 acabó con una serie de funciones y órdenes que no están documentadas en ningún sitio para que no se usen, que utilizaban las prestaciones avanzadas del 286.

 Esto hubiera supuesto la muerte de la compatibilidad, ya que también se habría acabado con la barrera de los 640KB.  Aún así, como opinión personal, creo que al final hubiera sido mejor para todos.

 Por supuesto, también apareció el coprocesador de turno, denominado 80287, con una serie de mejoras en el cálculo y en velocidad de ejecución.

 Sin embargo, no se siguió investigando para aumentar las prestaciones del 286, ya que estaba a punto de aparecer el CPU que marcó la revolución:  El 80386.

 Partes de un microprocesador

            Un microprocesador está formado por:

             - Una ALU o Unidad Aritmética Lógica, que se encarga de las operaciones y los cálculos internos.

            - Unos registros o zonas de “memoria” en los cuales se cargan determinados valores para que la ALU los procese o bien recibe en ellos resultados de la ALU.  Los registros en un CPU utilizado en un PC son de 16 Bits, de 32 Bits y algunos de 64 Bits de ancho.

            - La CPU se comunica con el exterior mediante “buses” o grupos de líneas por las que recibe o envía datos.  Los buses  de una CPU son fundamentalmente tres:

             -El bus de datos, por donde la CPU recibe datos del exterior o por donde la CPU manda  datos  al exterior.                                                                                  

            -El bus de direcciones, que es el utilizado por la CPU para mandar el valor de la dirección de memoria o de un periférico externo al que la CPU quiere acceder.                   

            -El bus de control, con una serie de líneas por las que salen o entran diversas señales de control utilizadas para mandar acciones a otras partes del ordenador.

            Por supuesto, la CPU también tiene  terminales de alimentación, por donde se recibe los voltajes desde la fuente de alimentación del ordenador.

            El siguiente componente del ordenador es el que le marca el compás, el que le dicta a que velocidad va a ejecutarse cualquier operación.  Nos referimos al reloj del sistema, un circuito oscilador a cristal de cuarzo, que oscila varios millones de veces por segundo.

            Uno de los factores a tener en cuenta al comprar un ordenador es su velocidad, que se mide en MHz.  De hecho, esa velocidad es la del reloj del sistema, el “corazón”.