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Cómo funciona un procesador

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Cómo funciona un procesador
Foto cortesía PriceGrabber

El procesador es el cerebro de tu equipo. Es el encargado de ejecutar las aplicaciones, interactuar con el teclado, el ratón, etc. Su cometido es clave dentro de cualquier PC.

Su funcionamiento, se puede ver, de forma esquemática y simplificada dividido en los siguientes pasos:

Lee una instrucción. Los programas están compuestos de instrucciones y datos. Las primeras indican al procesador que tareas deben de realizarse sobre los segundos. Una instrucción por ejemplo, es la suma de A más B, donde tanto A como B son datos. Por lo tanto el primer paso consiste en leer esa instrucción de la memoria.

Lee los datos asociados a esa instrucción. Una vez leída la instrucción, y analizados los datos que se van a procesar, estos son leídos de la memoria. Siguiendo con el ejemplo anterior, A y B serían leídos de la memoria. Dependiendo de la instrucción estos pueden o no estar en memoria.

Procesa la información y se escribe a memoria los datos. Se realiza la operación. Dependiendo de la instrucción, el resultado puede ser escrito en memoria, o quedar almacenado dentro del procesador, en un registro del mismo para un posterior uso.

Se pasa a la siguiente instrucción. Lo normal es pasar a la siguiente instrucción. Pero no todas son iguales y puede que alguna cambie el flujo del programa. Por ejemplo, una puede decidir que se repitan las anteriores instrucciones hasta que no se cumpla una determinada condición.

¿Donde se almacenan los datos y las instrucciones?

Los procesadores, de los PC, utilizan la arquitectura de Von Neumann. En ella, tanto los datos como las instrucciones, son leídos de la misma memoria.

En un PC, no existe un sólo dispositivo al que podamos denominar memoria, sino que realmente estamos ante un sistema jerarquizado en varios niveles. Cuando el equipo esta apagado, los datos y programas se almacenan en el disco duro. Cuando este se enciende, se leen y se escriben en la memoria RAM que es donde los programas realmente se ejecutan.

La RAM es miles de veces más rápida que el disco duro y por lo tanto es ideal para almacenar los programas cuando son ejecutados.

¿Qué se hace para acelerar ese flujo de datos e instrucciones?

El uso de la arquitectura de Von Neumann hace que la velocidad a la que se leen y escriben los datos e instrucciones sea muy importante. Puede darse el caso que todo el procesador se encuentre a la espera de recibir datos quedando la máquina bloqueada hasta que estos no lleguen.

La solución tomada por los ingenieros de los procesadores para acelerar este enlace es añadir más niveles a la jerarquía de memoria. Se insertan varios niveles de memoria, los cuales son denominados cache, dentro del procesador.

Cada nivel, intenta almacenar los valores que más se consultan, haciendo las sucesivas lecturas más fluidas. El cometido de la memoria cache es por tanto sencillo, que los datos estén lo más cerca posible de donde van a ser procesados. Este elemento, es muy importante y por eso se suele dar su tamaño cuando consultamos las especificaciones técnicas de los micros.

¿Cómo se puede acelerar el procesamiento de las instrucciones?

Una vez que se soluciona el problema de los flujos de instrucciones y datos, los ingenieros se enfrentan a otro problema y es acelerar en la medida de lo posible el procesamiento de cada una de ellas.

Un procesador no tiene un sólo bloque para trabajar con las funciones si no que puede estar compuesto por varios. Cuando se procesa una instrucción, se divide para utilizar los distintos bloques del procesador. Realmente lo que se hace es dividir una instrucción muy compleja en partes más pequeñas conocidas como microinstrucciones.

De esta forma un procesador es capaz incluso, de ejecutar varias de estas instrucciones por reloj. Todo depende de la habilidad que tenga.

La parte del procesador encargada de realizar todo este proceso es la unidad de control.

¿Cómo se realizan las operaciones?

El micro tiene en su interior unas pequeñas memorias denominadas registros. En estos, se introducen los datos de las operaciones que van a ser almacenados, se ejecuta la operación y en otro de estos registros se devuelve la información.

Si las operaciones son complejas se utilizan bloques funcionales adaptados como son las ALUS y las FPUs.

Con la aparición de nuevos conjuntos de instrucciones, orientadas a acelerar procesados matemáticos como los que puedes encontrar en aplicaciones multimedia o de generación de gráficos tridimensionales, el número de estos registros y sus tamaños ha aumentado de manera exponencial.

¿Cómo intervienen las instrucciones de salto?

No todas las instrucciones son del mismo tipo sino que existen algunas que dependiendo de ciertas condiciones pueden saltar a otros lugares del programa. Los procesadores juegan con adelantarse a los resultados, a veces ejecutas la primera y la tercera operación siguientes por ejemplo antes que se realiza la segunda, pero las instrucciones condicionales lo pueden cambiar todo.

Esto hace que buen predictor de salto sea importante para que el procesador pueda seguir funcionando a plena potencia.

Conclusiones

En esencia los procesadores de un equipo actual funcionan de la misma forma que uno de hace 20 años, lo que ha cambiado son las optimizaciones que se han realizado.

Entre ellas, la capacidad de segmentar las aplicaciones, la memoria cache y la capacidad para predecir los saltos de la mejor manera, son algunos de los más destacados.

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