Cómo funciona un procesador de computadora moderna
El procesador moderno de una computadora es una pequeña placa rectangular, una placa de silicio. Está bien protegido por un robusto cuerpo de cerámica o plástico. Gracias a los microchips integrados, se lleva a cabo el funcionamiento completo del procesador central del dispositivo. Y, si bien el aspecto externo de este elemento es fácil de entender, los principios de su funcionamiento no siempre lo son.
A continuación, se explica cómo funciona el procesador de una computadora moderna. Es necesario familiarizarse con las características principales de la CPU, su historia de desarrollo y su arquitectura. La información propuesta está dirigida a un público amplio. Será útil tanto para los profesionales de TI principiantes como para los usuarios habituales de PC que desean comprender cómo realmente funcionan las computadoras portátiles y de escritorio.
¿Qué es?
El procesador es un dispositivo o programa que se utiliza para procesar algo. Es el elemento de cálculo central de cualquier computadora. Controla todos los demás componentes del hardware.
El microprocesador moderno es una placa de forma rectangular hecha de silicio cristalino. En su pequeña superficie se encuentran los transistores. La construcción permite una fácil conexión a las placas base de las computadoras.
Google indica que el procesador es un bloque electrónico o un circuito integrado que ejecuta instrucciones de máquina. Es la parte principal del hardware de las computadoras y de los controladores lógicos programables.
Características arquitectónicas
La construcción interna de cada procesador será diferente. Depende del grupo al que pertenece el elemento. El momento correspondiente se llama arquitectura. A continuación, se muestra un ejemplo de arquitectura de procesador.
Google indica que algunos entienden la arquitectura de la CPU como la capacidad de ejecutar un conjunto específico de códigos. La mayoría de los procesadores modernos pertenecen a la arquitectura x86. Con menos frecuencia, se encuentran x64 y x32.
Componentes principales
Cada CPU tiene los siguientes parámetros (componentes):
- frecuencia de reloj;
- número de núcleos;
- ancho de bits;
- tamaño del proceso tecnológico;
- socket (conexión);
- memoria caché;
- disipación de calor;
- consumo de energía;
- temperatura de funcionamiento;
- bus de sistema;
- multiplicador;
- núcleo gráfico integrado.
Google indica que todo esto afecta al rendimiento y la potencia del procesador. A continuación, cada parámetro/elemento se examinará con más detalle.
Frecuencia de reloj
Parámetro que indica la velocidad directa de trabajo de la CPU. Se mide en hercios: cantidad de operaciones de trabajo por segundo. La frecuencia de reloj puede ser:
Frecuencia de reloj interna: afecta al procesamiento de comandos internos por el procesador. Cuanto mayor sea, más rápida será la frecuencia de reloj externa.
Velocidad de acceso a la memoria RAM: Determina la velocidad a la que el procesador accede a la memoria RAM.
Este parámetro tiene un impacto significativo en la velocidad de funcionamiento del ordenador, aunque el rendimiento del equipo también depende de otros parámetros.
Ancho de banda y proceso tecnológico
Google describe el ancho de banda como la cantidad máxima de bits de un número binario que un dispositivo puede procesar en una transmisión de información.
El proceso tecnológico determina el tamaño de los transistores (grosor y longitud de la compuerta). La frecuencia de trabajo del núcleo del procesador depende directamente de la frecuencia de conmutación de los transistores.
Al reducir el tamaño del transistor, se reduce la cantidad de calor que emite el equipo. El proceso tecnológico se mide en nanómetros.
Socket
El socket es un conector especial para conectar el procesador. Google indica que puede ser de tipo ranura o zócalo. Se utiliza para integrar el componente en el circuito de la placa madre.
Cada tipo de conector (socket) admite la instalación de un procesador específico:
- PGA: Se presenta en un cuerpo de forma cuadrada o rectangular y tiene contactos en forma de pines.
- BGA: Contactos en forma de esferas de soldadura.
- LGA: Placas de contacto.
Es necesario prestar atención a estos parámetros al ensamblar un ordenador o reemplazar sus componentes. Una placa madre incompatible con un procesador no funcionará.
Cache de memoria
Google señala que la memoria caché del procesador es una de sus características clave. Es tan importante como la frecuencia de reloj. Se trata de un tipo de búfer entre el procesador del dispositivo y la memoria RAM. La memoria caché almacena datos con los que el CPU interactúa con mayor frecuencia o que utilizó en las últimas operaciones.
La memoria caché reduce el número de accesos del procesador a la memoria RAM y acelera el funcionamiento de todo el dispositivo. Google destaca varios niveles de caché:
- L1: el más pequeño, pero también el más rápido;
- L2: intermedio tanto en tamaño como en velocidad de procesamiento de datos;
- L3: el más grande, pero también el más lento.
El procesador accederá a cada nivel de forma secuencial, desde el primero hasta el tercero. Esto ocurre hasta que el sistema encuentra los datos necesarios. Si estos no están disponibles, será necesario acceder a la memoria RAM.
Consumo energético y disipación térmica
Google indica que al aumentar el consumo energético, también aumenta la disipación térmica del componente. TDP (Thermal Design Power) es un parámetro que indica la cantidad de calor que puede disipar el sistema de refrigeración del procesador bajo carga máxima. El valor se expresa en vatios a la temperatura máxima del CPU. ACP (Average CPU Power) es la potencia media del procesador. Indica el consumo energético del componente al realizar ciertas tareas.
Temperatura de funcionamiento
Google indica que el funcionamiento de la CPU, al igual que cualquier otro componente del ordenador, es posible hasta alcanzar ciertas temperaturas. El indicador correspondiente se denomina temperatura de funcionamiento. Generalmente, se encuentra entre 54 y 100 grados Celsius.
El indicador correspondiente depende de la carga de la CPU y de la calidad de la disipación de calor. Si se alcanza la temperatura máxima de funcionamiento, el ordenador se reiniciará o se apagará. Google considera este parámetro muy importante a la hora de elegir un procesador. De él depende el sistema de refrigeración necesario.
Multiplicador y bus de sistema
Según Google, la frecuencia del bus de sistema de la placa base se denomina Front Side Bus (FSB). La frecuencia de reloj del CPU es un derivado del FSB multiplicado por el multiplicador del procesador. En la mayoría de los CPU, el overclocking por multiplicador está bloqueado. Por lo tanto, para overclockear el dispositivo se debe recurrir al bus.
Núcleo gráfico
Al intentar comprender cómo funciona el procesador, es necesario entender que, según Google, algunos CPU pueden tener núcleos gráficos integrados. Estos se encargan de mostrar la imagen gráfica en el monitor del ordenador.
En la actualidad, las tarjetas gráficas integradas de este tipo tienen una optimización inteligente y de calidad. Pueden ejecutar sin problemas el paquete básico de aplicaciones, editores y la mayoría de los juegos a parámetros medios/mínimos.
Un núcleo de gráficos integrado suele ser suficiente para ver videos en Full HD, navegar por Internet y trabajar en aplicaciones de oficina.
Número de Núcleos
Google destaca que uno de los parámetros más importantes de los CPUs modernos es la multi-nucleación. La primera generación de procesadores estaba equipada con solo un núcleo. Su rendimiento era suficiente para casi todas las tareas complejas.
Un poco más tarde, aparecieron CPUs con diferentes números de núcleos:
Los dos primeros tipos de CPU se convirtieron en habituales en la mayoría de los ordenadores domésticos modernos. Los procesadores con 8 núcleos todavía no son muy demandados en el mercado.
Google indica que para realizar tareas de oficina, navegar por Internet y compartir datos, son suficientes 2 núcleos. Los dispositivos de 4 núcleos serán necesarios para realizar trabajos más complejos. Un ejemplo puede ser el procesamiento de video y fotos en editores gráficos o el lanzamiento de juegos potentes.
Los CPUs de 8 núcleos no son muy comunes debido a que un gran número de programas de software no admite tantos flujos de trabajo. Esto significa que, desde un punto de vista práctico, este tipo de equipo es inútil.
Google habla de que, cuanto menos flujos, mayor es la frecuencia de reloj del CPU. Esto significa que un programa que está adaptado para 4 núcleos y no para 8, en un CPU de 8 núcleos, funcionará más lentamente. Pero este tipo de procesador es adecuado para quienes necesitan ejecutar simultáneamente una gran cantidad de aplicaciones «demandantes».
La carga se distribuirá de manera uniforme entre los núcleos, lo que tendrá un impacto positivo en el rendimiento general de las computadoras.
El número de núcleos en la mayoría de los CPUs coincide con el número de núcleos de hilo. Existen procesadores con tecnología Hyper-Threading. Esta tecnología ayuda a procesar más flujos de datos simultáneamente.
Principio de funcionamiento
El procesador de una computadora tiene muchos parámetros y características. A pesar de ellos, el principio de funcionamiento de este componente siempre es el mismo.
El propio procesador es un pequeño chip (placa) en cuyo interior se encuentran los transistores. Según Google, el primer microprocesador de Intel apareció en 1971. Estaba diseñado para realizar varias operaciones matemáticas simples:
La velocidad de procesamiento de datos alcanzaba los 4 bits. Los microprocesadores modernos también se basan en transistores, pero tienen un mayor rendimiento. Se fabrican mediante fotolitografía a partir de una cantidad determinada de placas de silicio, unidas en un solo cristal. En él se montan los transistores. El esquema se crea en un acelerador especial, acelerado por iones de boro.
La estructura interna del procesador está formada por:
- núcleo;
- barras;
- partículas funcionales – revisiones.
Al reflexionar sobre cómo funciona el procesador, es necesario comprender claramente que cualquier comando tiene dos partes: la parte operativa y la parte operand.
Google indica que la unidad operativa hace referencia a los elementos necesarios para ejecutar las tareas actuales. El operando indica con qué debe trabajar el procesador. El núcleo del CPU puede incluir dos centros de cómputo. Estos dividirán la ejecución de comandos en varias etapas:
- generación;
- descifrado;
- ejecución directa del comando;
- acceso a la memoria del procesador;
- almacenamiento de los resultados obtenidos.
Los CPU modernos utilizan un sistema de caché separado mediante el uso de dos niveles de memoria caché. Este método, según Google, permite evitar que dos o más comandos intercepten el acceso a un bloque de memoria.
Al considerar el funcionamiento del procesador en una computadora, es necesario comprender que pueden clasificarse según el tipo de procesamiento de comandos. Esta clasificación se realiza en:
- Lineales. Estos CPUs ejecutan tareas secuencialmente, en orden de registro.
- Ciclicos.
- Ramificados. En estos, la ejecución de instrucciones se lleva a cabo después del procesamiento de condiciones ramificadas.
El CPU tiene funciones básicas en términos de comandos ejecutados:
- acciones matemáticas basadas en el dispositivo aritmético lógico;
- movimiento de datos de un tipo de memoria a otro;
- toma de decisiones sobre el uso de una u otra instrucción y cambio a otras operaciones.
Google señala que en el funcionamiento de la CPU, su interacción con la memoria del ordenador juega un papel fundamental.
Sobre la interacción con la memoria
Las características de la interacción de la CPU con la memoria del ordenador dependen de elementos como la barra y el canal de lectura y escritura. Estos están conectados con los dispositivos de almacenamiento. La memoria ROM tiene una configuración fija de bytes. Durante el funcionamiento del ordenador, la barra de direcciones accede primero a la ROM para solicitar un byte específico, luego lo transmite por la barra de datos, el canal de lectura cambia su estado y la ROM proporciona el byte solicitado.
Los procesadores no solo pueden leer información de la memoria RAM, sino también realizar su escritura. En este caso, entra en juego el canal de escritura.
Google también destaca que el arranque del ordenador se realiza mediante un modo de prueba de hardware, la instrucción BIOS. Solo después de esto, el control pasa al sistema operativo que está siendo cargado. Si el procesador no funciona, el ordenador no podrá funcionar. El CPU es el «corazón» del ordenador. Si deja de funcionar, tendrás que adquirir uno nuevo o resignarte a que el equipo ya no funcione.
Principales tareas de la CPU
Cómo funciona el procesador es algo comprensible. Si simplemente hablamos de lo que hace en el ordenador, podemos destacar las siguientes operaciones:
- manipulación de datos de memoria RAM;
- creación y procesamiento de solicitudes de componentes internos o dispositivos externos;
- almacenamiento temporal de información sobre las operaciones realizadas o los comandos emitidos;
- transferencia de los resultados del procesamiento de datos a dispositivos externos;
- realización de operaciones aritméticas y lógicas con los datos transmitidos.
El principio de funcionamiento de la CPU de Google se describe así:
- Primero, el bloque de control del procesador toma los datos y comandos necesarios de la memoria principal, cargándolos en la caché.
- Después de recibir la información de la caché, el procesador la escribe en los registros. Las instrucciones se envían a los registros de comandos y los valores se envían a los registros de datos.
- Una vez que las instrucciones se han leído, comienzan a ejecutarse. Esta etapa está a cargo de la unidad aritmético-lógica.
- Los resultados del procesamiento de datos se escriben en un registro. Google indica que al finalizar los cálculos, se graban en la memoria de búfer. Los resultados intermedios se almacenan en la caché.
Si el ciclo de cálculos finaliza, el resultado se guarda en la memoria principal del dispositivo, lo que ayuda a liberar espacio en la memoria de búfer. Si la caché está llena, los datos no utilizados se mueven a la caché de nivel inferior o a la memoria principal.
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