Unidad de procesamiento Al observar una computadora en su interior, podemos notar que consiste básicamente de un conjunto de circuitos electrónicos. Aún sin saber a detalle cómo funciona cada uno de tales componentes, es interesante conocer los principios en los que se basan. Estos principios permiten tener criterios para juzgar el desempeño y comparar las características de la computadora (velocidad, capacidad y versatilidad) en situaciones tales como, si se desea comprar uno nuevo, determinar si posee la capacidad para ejecutar alguna aplicación particular de interés, o bien para determinar si satisface las expectativas personales de desempeño. Por lo tanto se expondrán en este tema sobre la unidad del sistema, sus componentes, y la velocidad y tendencias de los procesadores. Unidad del sistema En esta sección se tratan los conceptos básicos sobre cómo funcionan las computadoras internamente, lo que conceptualmente puede denominarse la unidad del sistema. La unidad del sistema puede considerarse constituida por dos partes primordiales, en las cuales se asienta el principio de funcionamiento de la computadora: la unidad central de procesamiento y la memoria.
Vista general de la tarjeta madre y sus componentes
Unidad central de procesamiento La Unidad Central de Procesamiento (CPU – Central Processing Unit) , también es denominada procesador, porque es la parte de la computadora que se encarga de ejecutar las instrucciones del programa y procesar datos.
Por si misma, la Unidad Central de Procesamiento puede considerarse constituida por dos partes distintivas, que en las microcomputadoras se encuentran juntas en el mismo chip del microprocesador. Estas dos partes son: La unidad de control y la unidad aritmético-lógica. Unidad de control La unidad de control le indica al resto del sistema como llevar a cabo las instrucciones de un programa. Comanda las señales electrónicas entre la memoria y la unidad aritmético-lógica, y entre el CPU y los dispositivos de entrada y salida. Puede compararse con un agente de tránsito dirigiendo el flujo de datos. El conjunto de instrucciones para llevar a cabo los comandos están incorporadas en la unidad de control y enumeran todas las operaciones que puede realizar el CPU. Cada instrucción constitutiva de este conjunto de instrucciones es expresado en una serie de direcciones básicas llamadas microcódigo, que le dicen al CPU cómo realizar operaciones más complejas. Para ejecutar cualquier programa, cada comando del mismo se desglosa en instrucciones que corresponden a las del juego de instrucciones disponibles en el CPU. Cuando se ejecuta un programa, se lleva a cabo un proceso a gran velocidad, en que el CPU traduce a microcódigo y lleva a cabo ordenadamente (según indica el programa) millones de instrucciones en cada segundo. Unidad aritmético – lógica El procesamiento practicado a los datos en una computadora involucra en gran medida operaciones de comparación y aritmética puesto que, como se muestra más adelante, esos datos se almacenan como números o código binario. Las operaciones lógicas se refieren a comparaciones, como determinar si un número es igual, mayor o menor que otro. Las operaciones lógicas además cuentan con sus opuestos, es decir, para “igual que” existe el “no es igual que”. Las operaciones aritméticas se refieren a la suma, resta, multiplicación y división. Si la instrucción implica operaciones aritméticas o lógicas, la unidad de control pasa ésta instrucción directamente a la Unidad Aritmético Lógica (ALU – arithmetic-logic unit) que está reservada específicamente para realizar las operaciones aritméticas y las operaciones lógicas en la computadora. Dentro del CPU, formando parte de la unidad de control y de la unidad aritmético lógica, se incluyen un grupo de registros. Los registros constituyen áreas especiales de almacenamiento adicional y de montaje
de alta velocidad, que mantienen temporalmente datos e instrucciones durante el procesamiento. Su finalidad es hacer más eficiente el procesamiento. Al formar parte de la unidad de control y de la Unidad aritmético lógica su contenido se manipula con más rapidez inclusive que el de la memoria principal.
Memoria: El CPU contiene instrucciones básicas para operar la computadora, pero no tiene capacidad para mantener programas enteros o grandes cantidades de datos de manera permanente. Los registros del CPU, señalados en el párrafo anterior, son ubicaciones pequeñas que sólo pueden mantener algunos bytes a la vez. Por esta razón se hace necesario contar con algún recurso con capacidad disponible para millones de bytes que permita almacenar instrucciones y datos mientras estén en uso. Este espacio es llamado memoria principal, almacenamiento primario o interno, o simplemente memoria. En la memoria principal es donde se almacenan de manera temporal: los datos que van a ser procesados, las instrucciones para tratar los datos (que constituyen el programa) y los datos resultantes del proceso (la información) antes de ser guardados en un dispositivo de almacenamiento secundario o en espera de ser enviados a un dispositivo de salida. Esta memoria principal que se encuentra incorporada a la unidad del sistema puede ser de dos tipos:la memoria permanente y la memoria volátil. Los chips capaces de conservar los datos aun cuando la computadora esté apagada se llaman memoria permanente o no volátil. Por otro lado, aquellos chips, que pierden los contenidos que almacenan al interrumpir la energía de la computadora, es decir, conservan su contenido de manera temporal y sólo mientras está encendida la computadora, se denomina memoria volátil o no permanente. La mayor parte de la memoria en una microcomputadora es memoria de tipo volátil y su finalidad es mantener datos e instrucciones para su procesamiento al ejecutar un programa. Como al apagar la máquina el contenido de la memoria volátil se borra, es importante guardar los trabajos a medida que se van realizando o modificando en un medio de almacenamiento secundario, como el disco duro. Una vez allí almacenado, si hay un corte de luz, el trabajo realizado hasta ese momento no se pierde. Algunas aplicaciones cuentan con la funcionalidad de guardar automáticamente cada determinado tiempo, facilidad que es bastante recomendable usar. Mientras que la memoria permanente tiene una finalidad distinta. En ella están almacenadas de forma permanentemente las instrucciones de inicio, que son las que activan los componentes de la computadora cuando se enciende.
Ciclo de procesamiento. Es posible maravillarse al darse cuenta la cantidad de cosas que puede hacer una computadora, incluso puede parecer cosa de magia, pero la forma en que la computadora trabaja está basada en conceptos simples. Todos los datos, como palabras, números, imágenes o sonidos que se ponen en las computadoras son traducidos a códigos sencillos y manipulados de modo relativamente simple por los componentes de procesamiento de la computadora. Gracias a esa simpleza para representar datos y el poder de procesamiento, pueden procesarse millones de esas codificaciones en cada segundo. El procesamiento de una microcomputadora tiene lugar en la unidad Central de Procesamiento (CPU). Dentro del CPU las instrucciones de programa son recibidas y traducidas con ayuda de un conjunto de instrucciones internas y del microcódigo. La manipulación de los datos es dirigida por la unidad de control y cuando se trata de operaciones lógicas o aritméticas, es llevada a cabo en la Unidad Aritmético Lógica. Estas unidades se encuentran conectadas a los registros que mantienen los datos durante su procesamiento.
La Unidad de Control, en la CPU, dirige los datos que fluyen dentro de la computadora
La memoria permanente mantiene las instrucciones que son ejecutadas en la computadora cuando se enciende dando paso a la energía eléctrica. Las instrucciones allí almacenadas no son modificables. Por otro lado, la memoria de acceso aleatorio o volátil mantiene datos y programas de manera temporal que pueden ser borrados o escritos según sea requerido por el programa en ejecución. El CPU tiene acceso a cada ubicación en la memoria usando para ello un número único, llamado dirección de memoria. Los caracteres de datos o instrucciones se almacenan en ubicaciones de memoria llamadas direcciones. Cada dirección se identifica con un número en la cual se almacenan contenidos que van cambiando. Sistema Binario: el lenguaje de las computadoras. En el interior del gabinete del sistema de una computadora, se ven principalmente circuitos electrónicos. En una computadora los datos son reducidos a interruptores eléctricos. Los interruptores pueden tener sólo uno de dos estados posibles: encendido o apagado. Así que sólo se cuenta con dos símbolos numéricos, 1 para “encendido” y O para “apagado”.
Al contar con tan sólo dos símbolos numéricos, las computadoras funcionan internamente con el sistema binario que se compone de dos dígitos (0 y 1) para la representación de datos e instrucciones. Estos dos dígitos se implementan de forma electrónica mediante dos estados (apagado o encendido). Toda la información que entra a una computadora es convertida en estos números binarios.
Bit: Al referirse a datos de computadoras, cada interruptor que esté apagado (valor 0) o encendido (valor 1) es un bit. La palabra bit es la forma abreviada de binary digit (dígito binario) y constituye la unidad de datos más pequeña posible. Bytes: Para representar cualquier cosa significativa es necesario usar grupos de bits. El byte es una agrupación de ocho bits. En una computadora los bytes se utilizan para representar números, letras y caracteres especiales. Con un byte se tienen 256 combinaciones diferentes de ocho bits (combinaciones de ceros y unos). Esto permite representar todos los caracteres del teclado, incluyendo letras (mayúsculas y minúsculas), números, signos de puntuación y otros símbolos mediante alguna de estas combinaciones.
Unidad de medida de capacidad de almacenamiento. La capacidad de almacenamiento primario de una computadora (y la de almacenamiento secundario también) usa como unidad de medida el byte, de manera similar a como el litro viene a representar la unidad de capacidad de un recipiente. En la siguiente tabla, se presenta la capacidad de memoria en los múltiplos más usados del byte y sus equivalencias.
Tabla 1.- Capacidad de memoria en los múltiplos del byte Unidad
Abreviatura
Equivalencia
Kilobyte
K, KB o K-byte.
1.024 bytes (aprox. Mil bytes)
Megabyte
MB o M-byte.
1.024 KB (aprox. 1 millón de bytes)
Gigabyte
GB o G-byte
1.024 MB (aprox. Mil millones de bytes)
Terabyte
TB o T-Byte
1.024 GB (aprox. Un millón de billones de bytes)
Un Kilobyte está constituido exactamente por 1.024 bytes aunque se suele aproximar a mil bytes. La misma consideración es válida para las demás medidas como se muestra en la tabla de los múltiplos del byte. Esquemas de codificación binaria. Para representar caracteres como combinaciones de ceros (0) o unos (1) en la computadora, se hace uso de los denominados esquemas de codificación binaria. Los esquemas más conocidos utilizan ocho bits para formar cada byte. Estos esquemas son el ASCII y el EBCDIC. A diferencia de los anteriores el Unicode, que es un código más reciente, emplea dieciséis bits. Al oprimir una tecla del teclado, el carácter es convertido automáticamente en un conjunto de pulsos electrónicos. El CPU es capaz de reconocer estos pulsos. Al presionar la letra “C” de un teclado, por ejemplo, ésta se convierte en el código ASCII de 01000011. ASCII American Standard Code for Information Code (código estadounidense estándar para intercambio de información) es el juego usado más extensamente en microcomputadoras. EBCDIC Extended Binary Coded Decimal Interchange Code (códigos de intercambio de decimales codificados en binarios extendidos) desarrollado por IBM y usado principalmente en computadoras grandes. Unicode Diseñado para soportar idiomas internacionales como el chino y el japonés. Estos idiomas poseen tantos caracteres que no pueden representarse con los códigos ASCII y EBCDIC, fue desarrollando por Unicode Inc., con apoyo de Apple, IBM y Microsoft. Bit de paridad. Un bit de paridad es un bit adicional que se añade automáticamente a un byte para
efectos de detección de errores. Al teclear la letra “C”, por ejemplo, debería representarse en el CPU como 01000011. En general pueden suceder distorsiones que podrían causar un error e interpretar el último 1 como un 0. El byte sería leído debido al error como 01000010. El bit de paridad es una forma para poder determinar si se está recibiendo datos correctamente. Existen sistemas de paridad pares y sistemas de paridad impares. Cuando se emplea el sistema de paridad par, se fija el bit de paridad ya sea en 0 o 1 de modo que la cantidad de unos sea par. Para la letra “C” (01000011) en el ejemplo, se cuenta el número de unos determinando, que se trata de tres en este caso. Se agrega al principio un bit de paridad, que se fija en 1, para que el número de unos sea par. La señal enviada es 101000011. Cuando la señal es recibida por el CPU, se verifica el número de unos. Si no es par, ha ocurrido algún error. A esto es lo que se conoce como error de paridad. Entonces el CPU solicitará que la señal se reenvíe. Los sistemas de paridad impares funcionan exactamente al contrario de los sistemas de paridad de pares. Como es fácil imaginar, se coloca un cero o un uno para que el número de unos sea impar.