CPU

ARQUITECTURA DE COMPUTADORAS

CPU:

La unidad central de procesamiento es el hardware dentro de un computador u otros dispositivos programables, que interpreta las instrucciones de un programa ordenador mediante la realización de las operaciones básicas aritméticas, lógicas y de entrada/salida del sistema.

Una computadora puede tener más de una cpu esto se llama multiprocesamiento. Todas las CPU modernas son microprocesadores, lo que significa que contienen un solo chip. Algunos circuitos integrados pueden contener varias cpus en un solo chip; estos IC son denominados procesadores multi-core. Un CI que contiene una cpu también puede contener los dispositivos periféricos, y otros componentes de un sistema informático; esto se llama un sistema de chip .

ARQUITECTURAS DE CPU

Los bloques funcionales básicos son: la unidad de procesamiento central (CPU), la memoria principal, y el procesador de Entrada - Salida.

Unidad de proceso central: esta es la responsable de la interpretación y ejecución de instrucciones contenidas en la memoria principal, las comunicaciones entre la CPU y la memoria principal se realizan a través de 2 canales funcional mente distintos: el de direcciones y el de datos.

Para introducir en la memoria, una instrucción especifica, la CPU envía a dicha memoria la dirección de la instrucción por el canal de direcciones y recibe por el mismo medio la instrucción que está en esa dirección.

Parte de la instrucción es utilizada por la CPU para identificar la operación. Esta parte se llama código de operación de la instrucción. La información restante se utiliza para determinar la o las localidades de los datos con los cuales se va a efectuar la operación.

La acción de leer una instrucción en la CPU y prepararla para su ejecución se denomina ciclo de búsqueda. Para completar una instrucción la CPU decodifica el código de operación, genera las señales de control que se necesitan para introducir los operandos requeridos y controla la ejecución de la instrucción.

CARACTERÍSTICAS DEL CPU

Procesador: Comúnmente se la conoce como CPU, que significa unidad central de procesos (Central Processing unit), es el dispositivo más importante y el que más influye en su velocidad al analizar información, ya que en ella se encuentra la unidad de control y la unidad aritmético-lógica, las cuales en constante interacción con la memoria principal (también conocida como memoria interna) permiten manipular y procesar la información, y controlar los demás dispositivos de la unidad computacional.

Memoria RAM o memoria principal: Es un chip en el que el procesador almacena de manera temporal los datos e instrucciones con los que trabaja.

Memoria ROM: Es la que contiene las instrucciones fundamentales para hacer funcionar la computadora, nunca cambia y retiene su información, así la computadora reciba o no corriente.

Memoria Caché: Es una unidad pequeña de memoria ultra rápida en la que se almacena información a la que se ha accedido recientemente o a la que se accede con frecuencia, lo que evita que el microprocesador tenga que recuperar esta información de circuitos de memoria más lentos.

Memoria externa: También se la conoce como memoria auxiliar, ésta es la encargada de brindar seguridad a la información almacenada, por cuanto guarda los datos de manera permanente e independiente de que el computador esté en funcionamiento, 

Puertos: Para la conexión de periféricos. En la parte posterior de su computadora existen enchufes denominados puertos, donde se conectan al computador los periféricos.

Tarjeta Madre: Es una tarjeta plástica sobre la que están montados los principales componentes del PC (el procesador, la memoria RAM, la memoria ROM, la tarjeta de sonido, etcétera.

Disco Duro: Instala y guarda los programas. Almacena de manera permanente la información que se le suministra al computador.

FUNCIONAMIENTO DEL CPU (ALU, UNIDAD DE CONTROL, BUSES INTERIORES)

La unidad aritmético lógica, también conocida como ALU (siglas en inglés de arithmetic logic unit), es un circuito digial que calcula operaciones aritméticas (como suma, resta, multiplicación, etc.) y operaciones lógicas (si, y, o, no), entre dos números.

Muchos tipos de circuitos electrónicos necesitan realizar algún tipo de operación aritmética, así que incluso el circuito dentro de un reloj digital tendrá una ALU minúscula que se mantiene sumando 1 al tiempo actual, y se mantiene comprobando si debe activar el sonido de la alarma

La unidad de control es uno de los tres bloques funcionales principales en los que se divide una unidad central de procesamiento (CPU). Los otros dos bloques son la unidad de procesos y el bus de entrada/salida.

Su función es buscar las instrucciones en la memoria principal, decodificarlas (interpretación) y ejecutarlas, empleando para ello la unidad de proceso.

Existen 2 tipos de unidades de control, las cableadas, usadas generalmente en máquinas sencillas, y las micro-programadas, propias de máquinas más complejas. En el primer caso, los componentes principales son el circuito de lógica secuencial, el de control de estado, el de lógica y el de emisión de reconocimiento de señales de control. En el segundo caso, la micro-programación de la unidad de control se encuentra almacenada en una micro-memoria, a la cual se accede de manera secuencial para posteriormente ir ejecutando cada una de las micro-instrucciones.

En informática, a un bus se le denomina todo un conjunto de cables que se conectan entre los componentes de un computador con el fin de comunicar datos direcciones y comandos entre ellos. Existen dos tipos de buses, en paralelo y en serie

MEMORIA

En informática, la memoria es el dispositivo que retiene, memoriza o almacena datos informáticos durante algún intervalo de tiempo. La memoria proporciona una de las principales funciones de la computación moderna: el almacenamiento de información y conocimiento. Es uno de los componentes fundamentales de la computadora, que interconectada a la unidad central de procesamiento (CPU, por las siglas en inglés de Central Processing Unit) y los dispositivos de entrada/salida, implementan lo fundamental del modelo de computadora de la arquitectura de von Neumann.

TIPOS DE CPU

Computadoras de un sólo núcleo

La CPU de un sólo núcleo es el tipo más antiguo disponible y en un principio éste fue el único que podía ser utilizado en las computadoras. Éstas sólo podían iniciar una operación a la vez, así que no eran muy buenas a la hora de hacer muchas tareas. Esto significó, en su momento, una disminución notable en el rendimiento de las aplicaciones que se ejecutaban. Aunque sólo una operación podría ser iniciada en un momento, otra podía ser activada antes de que la primera se terminara, pero con cada nueva operación el equipo era más lento. El rendimiento en este tipo de CPU fue en gran parte dependiente de sus velocidades de reloj, que era una medida de su poder.

CPU de dos núcleos

Una CPU de doble núcleo es una sola, pero funciona como dos en una. A diferencia de las de núcleo único en el que el procesador tenía que alternarse entre diferentes conjuntos de flujos de datos, si más de una operación estaba en marcha, las de doble núcleo podían manejar múltiples tareas de manera más eficiente. Para sacar el máximo provecho de éstas, tanto el sistema operativo como los programas que se ejecutaban en él, debían tener un código especial llamado SMT (Tecnología Multihilo Simultáneo). Las CPU de doble núcleo son más rápidas que las de uno sólo, pero no tanto como las de cuatro que las han sustituido

MANEJO DE LA MEMORIA

El manejo de memoria se da de varios tipos que pueden ser:


· Almacenamiento primario


· Almacenamiento secundario


· Almacenamiento terciario


· Almacenamiento de red


· Direcciones de la información




MEMORIA PRINCIPAL

Memoria primaria (MP), memoria principal, memoria central o memoria interna es la memoria de la computadora donde se almacenan temporalmente tanto los datos como los programas que la unidad central de procesamiento (CPU) está procesando o va a procesar en un determinado momento. Por su función, la MP debe ser inseparable del microprocesador o CPU, con quien se comunica a través del bus de datos y el bus de direcciones. El ancho del bus determina la capacidad que posea el microprocesador para el direccionamiento de direcciones en memoria.

En algunas oportunidades suele llamarse “memoria interna” porque a diferencia de los dispositivos de memoria secundaria, la MP no puede extraerse tan fácilmente.

Esta clase de memoria es volátil, es decir que cuando se corta la energía eléctrica, se borra toda la información que estuviera almacenada en ella.

La MP es el núcleo del subsistema de memoria de un sistema informático, y posee una menor capacidad de almacenamiento que la memoria secundaria, pero una velocidad millones de veces superior. Cuanto mayor sea la cantidad de memoria, mayor será la capacidad de almacenamiento de datos.

MANEJO DE LA ENTRADA Y SALIDA

En informática un periférico de Entrada/Salida (E/S), es un dispositivo que permite la comunicación entre un sistema de procesamiento de información, tal como la computadora y el mundo exterior, y posiblemente un humano u otro sistema de procesamiento de información.

Los periféricos de E/S son utilizados por una persona (o sistema) para comunicarse con computadoras.

Por ejemplo, las pantallas táctiles o multitáctiles se consideran periféricos de E/S. En cambio, un teclado, ratón o escáner pueden ser periféricos de E para una computadora, mientras que los monitores, parlantes e impresoras se consideran los dispositivos de S de la computadora.

Dispositivos o periféricos de comunicación entre computadoras, tales como módems y tarjetas de red, por lo general sirven para entrada y salida. También, los dispositivos de almacenamiento de datos, como los discos rígidos, las unidad de estado sólido, las memorias flash, las disqueteras, entre otros, se pueden considerar periféricos de E/S.

MÓDULOS DE ENTRADA Y SALIDA

Módulos De Entrada Discreta

Estas tarjetas electrónicas se usan como enlace o interfaces entre los dispositivos externos, denominados también sensores, y la CPU del PLC.

Estos sensores son los encargados de leer los datos del sistema, que para este caso sólo son del tipo discreto, además, tienen la característica de comunicar los dos estados lógicos: activado o desactivado, o lo que es lo mismo, permitir el paso o no de la señal digital (1 ó 0). Los sensores pueden ser de tipo manual (pulsadores, conmutadores, selectores, etc.) o del tipo automático.

Módulos De Salida Discreta

Al igual que los módulos de entrada discreta, estos módulos se usan como interfase entre la CPU del controlador programable y los dispositivos externos (actuadores), en la que sólo es necesario transmitirle dos estados lógicos, activado o desactivado. Los actuadores que se conectan a estas interfases pueden ser: contactores, relés, lámparas indicadoras, electroválvulas, displays, anunciadores

Módulos De Salida Discreta Tipo Transistor

Su principio de funcionamiento es a base de transistores, lo que significa una constitución íntegramente en estado sólido con características para trabajar en corriente continua (DC) de larga vida útil y con bajo nivel de corriente.

Módulos De Salida Discreta Tipo Relé

Estos módulos a diferencia de los anteriores, están compuestos por dispositivos electrónicos y un micro relé electromagnético de conmutación. Su campo de acción le permite trabajar en AC y DC y con diferentes niveles de tensión, con la ventaja de manejar corrientes más elevadas pero con el inconveniente de una corta vida útil debido al desgaste de la parte móvil de los contactos.

Durante su funcionamiento estos módulos se caracterizan respecto a los de estado sólido, por el reconocible sonido de los contactos de conmutación que emiten los micro- relés.

ENTRADA Y SALIDA PROGRAMADA

Los datos se intercambian entre el CPU y el módulo de E/S. El CPU ejecuta un programa que controla directamente la operación de E/S, incluyendo la comprobación del estado del dispositivo, el envío de la orden de lectura o escritura y la transferencia del dato. Cuando el CPU envía la orden debe esperar hasta que la operación de E/S concluya. Si el CPU es más rápido, éste estará ocioso. El CPU es el responsable de comprobar periódicamente el estado del módulo de E/S hasta que encuentre que la operación ha finalizado.

El dispositivo de E/S no tiene acceso directo a la memoria, una transferencia de un dispositivo de E/S a memoria que la CPU ejecute varias instrucciones, incluyendo una instrucción de entrada.

ENTRADA Y SALIDA MEDIANTE INTERRUPCIONES

El problema con E/S programada es que el CPU tiene que esperar un tiempo considerable a que el módulo de E/S en cuestión esté preparado para recibir o transmitir los datos. El CPU debe estar comprobando continuamente el estado del módulo de E/S. Se degrada el desempeño del sistema.

Una alternativa es que el CPU tras enviar una orden de E/S continué realizando algún trabajo útil. El módulo de E/S interrumpirá al CPU para solicitar su servicio cuando esté preparado para intercambiar datos. El CPU ejecuta la transferencia de datos y después continúa con el procesamiento previo.

Se pueden distinguir dos tipos: E/S síncrona y E/S asíncrona

E/S Síncrona: cuando la operación de E/S finaliza, el control es retornado al proceso que la generó. La espera por E/S se lleva a cabo por medio de una instrucción wait que coloca al CPU en un estado ocioso hasta que ocurre otra interrupción. Aquellas máquinas que no tienen esta instrucción utilizan un loop. Este loop continúa hasta que ocurre una interrupción transfiriendo el control a otra parte del sistema de operación. Sólo se atiende una solicitud de E/S por vez. El sistema de operación conoce exactamente que dispositivo está interrumpiendo. Esta alternativa excluye procesamiento simultáneo de E/S.

E/S Asíncrona: retorna al programa usuario sin esperar que la operación de E/S finalice. Se necesita una llamada al sistema que le permita al usuario esperar por la finalización de E/S (si es requerido). También es necesario llevar un control de las distintas solicitudes de E/S. Para ello el sistema de operación utiliza una tabla que contiene una entrada por cada dispositivo de E/S (Tabla de Estado de Dispositivos).

ACCESO ALA MEMORIA DIRECTA

El acceso directo a memoria (DMA, del inglés direct memory access) permite a cierto tipo de componentes de una computadora acceder a la memoria del sistema para leer o escribir independientemente de la unidad central de procesamiento (CPU) principal. Muchos sistemas hardware utilizan DMA, incluyendo controladores de unidades de disco,tarjetas gráficas y tarjetas de sonido DMA es una característica esencial en todos los ordenadores modernos, ya que permite a dispositivos de diferentes velocidades comunicarse sin someter a la CPU a una carga masiva de interrupciones.

Una transferencia DMA consiste principalmente en copiar un bloque de memoria de un dispositivo a otro. En lugar de que la CPU inicie la transferencia, la transferencia se lleva a cabo por el controlador DMA. Un ejemplo típico es mover un bloque de memoria desde una memoria externa a una interna más rápida. Tal operación no ocupa al procesador y, por ende, éste puede efectuar otras tareas. Las transferencias DMA son esenciales para aumentar el rendimiento de aplicaciones que requieran muchos recursos.

Cabe destacar que aunque no se necesite a la CPU para la transacción de datos, sí se necesita el bus del sistema (tanto bus de datos como bus de direcciones), por lo que existen diferentes estrategias para regular su uso, permitiendo así que no quede totalmente acaparado por el controlador DMA.