La unidad Central de Procesamiento o CPU, es el principal componente de un equipo de computación, en donde se realizan todas las funciones e instrucciones que se le dan a través de los dispositivos de entrada. Muchas personas o usuarios aún no saben que contiene en su interior y como realmente funciona, por eso en este artículo le vamos a decir qué es y cuáles son las Características del CPU, así que no deje de leerlo.
Características del CPU
La Unidad Central de Procesamiento o CPU, es lo que se conoce como el hardware de un ordenador o dispositivo que sea programable, las funciones que este debe cumplir es hacer las interpretaciones de los programas informáticos a través de la realización de tareas que son básicas: aritmética, lógica y tareas externas que vengan de las unidades o periféricos de entrada y/o salida. Un hardware es toda aquella parte física que tiene un sistema informático.
El diseño y avance de los CPU ha variado mucho con el pasar de los años, comenzando por aparatos extremadamente grandes y que se calentaban hasta llegar a los que conocemos en la actualidad, más pequeños y con menos recalentamiento. Es este procesador o CPU el componente de mayor importancia en una computadora, su función es ser el cerebro para que funcione correctamente todo el sistema, y se encargar de dirigir todas las acciones que queremos que haga nuestro equipo.
Por dentro está compuesto de millones de transistores que han sido elaborados con silicio, los cuales conforman las puertas lógicas para hacer todas las operaciones de sumas, restas, multiplicaciones y divisiones, que son las tareas básicas matemáticas que usa este procesador para hacer el procesamiento de los datos que le son suministrados, por esto es que pueden tener un resultado que es solicitado por algún otro componentes del equipo.
Pero no solamente hace este tipo de operaciones sino también todas aquellas que se han programado en el procesador para que sean realizadas, siempre tomando en cuenta la frecuencia del procesador que es la cantidad de ocasiones por cada segundo que la unidad puede realizar una operación. Esta medida con el pasar de los años pasó de MHz (millones de veces por segundo) a GHz (miles de millones de veces por segundo).
El CPU tienen muchas características, pero la principal hoy día es que está conformada por un solo chip o circuito integrado, este también contiene a los periféricos y otros componentes que vienen con un sistema informático: Unidad aritmética lógica (ALU), Unidad de Control (CU) y los Registro Internos, los cuales pueden no ser accesibles como las instrucciones, bus de datos y bus de dirección, y las accesibles de uso específico o de uso general, como son el contador de programa, puntero pila, etc.
Aparte también tiene como componentes una caja, fuente de alimentación, tarjeta madre, memoria, disco duro, tarjeta gráfica, DVD, y ventiladores o disipadores. No se puede dejar por fuer todos aquellos dispositivos de tipo externo o de salida como son el monitor, teclado, mouse, e impresoras, así como cualquier otro que sea para uso específico del ordenador.
Unidad Aritmética Lógica
Este es un componente del CPU en donde se hacen todos los cálculos y las funciones de decisión. Tiene tres tipos de funciones básicas: las que son puramente aritméticas, las que son fundamentalmente lógicas y las auxiliares. Las funciones aritméticas son funciones de cálculo, cuando se obtiene el resultado de esta, entonces pasan a las funciones lógicas, que serán las que tengan la responsabilidad de decidir cuál es la ejecución del programa. Las funciones auxiliares con aquellas que sirven de complemento al trabajo que se realiza por las dos funciones anteriores. Estos cálculos los puede hacer tanto en sistema decimal como en un sistema binario.
Está a la vez se compone de diversas subunidades: sumador, complementador, comparador y registros. El sumador es el que se encarga de hacer las sumas en diferentes códigos, el complementador hace el cambio de uso por ceros para hacer las operaciones de complementación, lo cual ayuda a hacer las otras operaciones de restas. El comparador se encarga de comparar cada bit hasta que logra encontrar aquellos que son diferentes y los registros son las unidades especiales de memoria en donde la información es procesada a una gran velocidad.
Unidad de Control
Esta unidad es la que dirige y coordina todo el sistema informático, su función primordial es tener un orden de ejecución de todas las instrucciones del programa, buscar en la memoria y llevar a la unidad la instrucción que se desea ejecutar, en otras palabras es la que se encarga de controlar las operaciones o tráfico de información entre los registros del CPU y que se conecta al ALU por medio de las instrucciones que se encuentran en su memoria, hacer una interpretación de estas instrucciones y hacer la activación de las unidades del ordenador que sea necesarias para su ejecución.
También tiene otras subunidades como son el reloj, los registros, decodificador y contador. El reloj es un sistema que sirve de temporizador y que emite ciertos impulsos, que se usan como una señal de control para ser enviados a los otros componentes para que todo el sistema pueda funcionar de una manera sincronizada. Los registros son áreas específicas que están en la memoria y en donde se encuentran almacenadas las instrucciones que se deben ejecutar. El contador es como un registro cuyo contenido se puede aumentar o disminuir en función de una cantidad determinada y el decodificador es el que puede convertir estos datos codificados del sistema en decimales o binarios.
Operación
Las operaciones en un CPU son la serie de instrucciones que están almacenadas en los programas, un programa es una representación de una serie de números que se encuentran en una memoria del ordenador, de acuerdo a la arquitectura de von Neumann, hay cuatro pasos que toda arquitectura de CPU debe tener: fetch, decode, execute y writeback (leer, decodificar, ejecutar y escribir).
Fetch: este primer paso es el que debe hacer la recuperación de una instrucción, está representada por un número una secuencia de estos y se encuentra en la memoria del programa. Su localización en esta memoria se determina por el contador de programa (PC), la cual almacena un número que hace la identificación de la dirección de la siguiente instrucción que se deba ejecutar o buscar. Después que esta instrucción es leída el contador va aumentando su longitud en la instrucción a través de unidades de memoria de este modo mantendrá la dirección hasta que se haga la siguiente instrucción en una secuencia.
Decode: la decodificación es el segundo paso del CPU, en este la instrucción que ha sido leída se divide en partes para ser distribuida en diferentes unidades del CPU. Dependiendo del valor de la instrucción numérica este será interpretado o definido en la arquitectura por el conjunto de acciones del CPU. Un grupo de números llamados Opcode son los que indican que operación deben realizar de acuerdo a la instrucción.
Las otras partes del número son las que por lo general tienen la información que se requiere para la instrucción, a estas partes se les puede llamar operados, estos pueden ser de un valor constante o valor inmediato, o indicar un lugar en donde se pueda encontrar el valor, el cual puede terminar siendo un registro o una dirección de memoria.
Execute: luego de los dos pasos anteriores viene el paso de la ejecución de la instrucción, en esta varias de las unidades del CPU se conectan para hacer la operación que se desea.
Writeback: la escritura es la que da los resultados finales de la ejecución una memoria. Con frecuencia los resultados escritos están en algún registro interno del CPU para un acceso rápido para las siguientes instrucciones, o en una memoria principal que se a más lenta pero que es más económica y grande. Algunas instrucciones hacen manipulación del contador del programa en lugar de hacer la producción de datos resultados.
A estos se les suele llamar “Saltos” (Jumps) y pueden hacer más fácil el comportamiento de los bucles, la ejecución condicional de los programas y las funciones en los programas. Muchas instrucciones pueden tener un cambio de estado de dígitos para un registro de banderas, estas pueden usarse para tener una influencia en el comportamiento de un programa para que nos dé resultado de varias operaciones.
Después de ejecutarse una instrucción y escribir los datos de resultados, el proceso se vuelve a repetir con un nuevo ciclo de instrucciones, llevando una secuencia e incrementando el contador de programa. Si una instrucción que se ha completado era un salto, el contador se modificará para reducir la dirección de la instrucción de la cual se saltó y la ejecución del programa hará su recorrido habitualmente.
Diseño e Implementación
El diseño se hace a través de rangos de enteros, es decir en forma de números, los cuales determinan el funcionamiento del CPU. A través de esta representación numérica se relación el tamaño y la precisión de los números que un CPU pueda representar. Usando un código binario se traduce que un bit hace referencia a una posición o significado de números con el cual este CPU debe trabajar. El numero o cantidad de bits o posiciones numéricas que usa un CPU para hacer la representación de los números se le denomina tamaño de la palabra, ancho de bits, ancho de ruta de datos o precisión del número entero.
De acuerdo a la arquitectura de un CPU este número puede diferir, el rango del número entero también puede causar una afectación del número de posiciones en la memoria que el propio CPU debe direccionar o localizar. Muchos diseños de CPU modernos usan otros métodos de dirección de mayor complejidad como hacer una paginación para encontrar más memorias dentro de un rango completo que puede permitirse con un espacio de dirección plano.
A mayor rango de números enteros se necesitan más estructuras para manejar los dígitos adicionales, por tanto más complejidad, tamaño, uso de recursos y por supuesto de costo. Es poco frecuente ver microprocesadores de 4 y 8 bits que se usen en aplicaciones modernas, cuando se pueden conseguir CPU con rangos más altos. Aquellos que son más simples suelen ser más económicos, gastan menos recursos y por tanto generan menos calor.
Estos son rasgos de importancia en dispositivos electrónicos, no obstante en aplicaciones extremas muchos de los beneficios que se producen por rango adicional, tienen un mayor significado y terminan afectando las opciones del diseño. Para obtener ventajas que sean dadas o la longitud de los bits, sean altos o bajos, muchas CPU se diseñan con anchos de bits parecidos, sobre todo cuando el procesador se ha diseñado para ciertos propósitos generales en donde se desea un equilibrio entre la capacidad de números enteros y de coma flotante.
Frecuencia de reloj
La mayor parte de los dispositivos de lógica secuencial corresponden a una naturaleza sincrónica, en otras palabras es que están diseñados y funcionan de acuerdo a una señal de sincronización. A esta señal es la que se conoce como el reloj, y por lo general se le representan en forma de una onda cuadrada de tipo periódico. Esta se calcula con el tiempo máximo en la cual cada señal eléctrica se mueve en varias direcciones o bifurcaciones cuando pasa por los circuitos del CPU, su periodo o sincronización es colocado por los diseñadores.
Este tiempo tiene que ser un poco más largo que el tiempo que le pueda tomar a una señal moverse en alguna dirección o que se propague, cuando se hace la fijación del periodo del reloj en base a un valor que sea superior en cuanto al retardo o lentitud en su propagación se puede hacer un diseño en la CPU para que estos datos se muevan por los bordes en subida y bajada de la señal del reloj. Con esto se puede tener la ventaja de simplificar el CPU no solo en su diseño sino también en función de la cantidad de componentes que deba tener.
Pero todo lo que es bueno también puede traer algo malo y en este caso la CPU debe esperar a que todos sus componentes sean lentos, aunque algunas unidades que se encuentren en su interior sean más rápidas, por eso esta limitación se compensa por diversas maneras de aumentar el paralelismo del cual hablaremos después. Hacer mejoras en una arquitectura no hace que se solucionen todas las desventajas en un CPU en sincronización, si una señal de un reloj se encuentra unida a un retardo de cualquier otra señal eléctrica, la velocidad del reloj que esté más alta en el mismo será a la vez más compleja y más difícil de mantener en una sincronización en toda la unidad.
Esto puede ocasionar que los CPU modernos necesiten de varias señales de reloj que sean idénticas, para que pueda evitar que una sola de ellas no pueda retardarse lo suficiente como para que el CPU funcione de una manera incorrecta. Ahora bien si el problema de la velocidad del reloj en vez de retardarse, aumentara de una manera dramática, esta cantidad de calor es automáticamente disipado por el mismo CPU. Una señal del reloj puede cambiar de manera constante haciendo que muchos de sus componentes también cambien de estado, aun si en ese momento no se encuentran en uso.
Cuando esto sucede se usa más energía que si uno de los elementos estuviera estático. Es por eso que la medida de la velocidad de un reloj aumenta, también debe hacerlo la disipación del calor, por lo que el CPU en este caso, va a necesitar de un sistema de enfriamiento que sea más efectivo. Una manera de hacer frente a la conmutación de componentes es a través del Clock Gating, que puede llevar a un apagado de la señal del reloj en aquellos componentes que sean innecesarios, por medio de su desactivación.
De manera real esto es bastante difícil de implementar y no se ve un uso común en diseños de baja potencia. Otra manera es hacer una remoción completa de la señal global del reloj, este sería un proceso de mayor complejidad si se compara con diseños sincrónicos similares, existen diseños asincrónicos (Es decir que no tienen este reloj) que permiten tener una ventaja de menos consumo de energía y disipación de calor.
Paralelismo o Computación Paralela
Cuando se usa un CPU sin una sincronización de reloj estamos hablando de un subescalar el cual funciona y hace la ejecución de una instrucción con uno o dos componentes de datos por vez. Pero este proceso hace que un CPU sea ineficaz, porque debe esperar a que se haga la ejecución de una sola instrucción antes de proceder a hacer otra. Esto nos da como resultado que el CPU se queda prácticamente paralizado para seguir instrucciones que requieren de más de un ciclo de reloj para que toda su ejecución se pueda completar.
Si se le añade una segunda unidad de ejecución no hará que se mejore su funcionamiento, porque hará que dos direcciones se queden paralizadas aumentando el número de transistores que no se usan. En un diseño en donde los recursos solamente pueden trabajar a través de una sola instrucción solamente alcanza un desempeño escalar, es decir por instrucción de un solo ciclo de reloj. Pero en el desempeño subescalar se hace menos de una instrucción por ciclo. De aquí es que nace la opción de usar CPU que tengan un desempeño menos lineal y más paralelo. Cuando se habla de paralelismo en un CPU se está refiriendo a dos cosas:
Paralelismo a nivel de Instrucción: (Instruction level parallelims) o ILP con el que se busca que se aumente la tasa en que se ejecutan las instrucciones dentro del CPU y de sus recursos en ejecución de la pastilla.
Paralelismo a nivel de hilo de ejecución: (Thread level parallelism) o TLP que es incrementar el número de hilos en programas individuales para que el CPU los ejecute de manera simultánea.
Cada una de estos métodos tiene sus diferencias marcadas sobre todo en su implementación, como pueden ser la efectividad relativa que debe producir en cuanto al aumento del desempeño del CPU para cada una de las aplicaciones.
Paralelismo de Datos
Una de las muestras más importantes de un CPU y de toda la computación es que este trabaja con vectores, todos los procesadores hacen referencia a un dispositivo escalar. Estos como su nombre dice son procesadores vectoriales que tienen muchas piezas de datos o información en un argumento de instrucción, en cambio un procesador escalar hace el tratamiento de una pieza de dato por cada una de las instrucciones. Este proceso se pude hacer por medio de la SISD (Single instruction, Single Data) y la SIMD (Single instruction, multiple Data).
Que un CPU pueda crearse para que se ocupen de vectores de datos hace énfasis en su optimización de labores o tareas que se deben hacer para una misma operación (suma, producto escalar), es decir que se deba hacer con un amplio conjunto de datos. Un ejemplo de estas tareas son las que se deben hacer con operaciones multimedia (imágenes, vídeos y sonidos), así como en labores que sean de ciencia y tecnología.
En tanto un CPU escalar tiene que hacer todo el proceso de lectura, decodificación y ejecución de cada una de las instrucciones y del valor en conjunto de los datos. Un CPU vectorial solamente hace una operación sencilla en un gran conjunto de datos a partir de una sola instrucción, esto solo se puede hacer posible cuando una aplicación requiere de muchos pasos para hacer una operación.
Desempeño
El desempeño es lo que mejor se conoce como el performance o la velocidad de un procesador, este depende de diversos factores, entre ellos la velocidad del reloj y las instrucciones por ciclo de reloj (Hz e IPC). Ambos son factores que se usan en las instrucciones por segundo para determinar cuál es el rendimiento del CPU. Muchos reportes de IPC (Instrucciones por segundo) hacen la representación de las tasas máximas de ejecución en secuencias de instrucciones simples, en tanto que la mayor parte de la carga de trabajo está compuesta de una combinación de varias instrucciones y de aplicaciones, en las que algunas necesitan más tiempo para ser ejecutadas que otras.
El rendimiento de la jerarquía de memoria también es un factor que influye en el desempeño del procesador por lo que se han debido realizar varios exámenes estandarizados para medir cual es el rendimiento efectivo en las aplicaciones que tienen un uso cotidiano. El desempeño de una computadora se puede incrementar a través del uso de procesadores multinúcleos, que consiste en hacer la conexión de dos o más procesadores individuales en un solo circuito integrado.
Un procesador en la actualidad ha pasado a tener varios núcleos en donde todos los circuitos y vías de datos se encuentran concentrados en el mismo procesador. En un principio un procesador era único, pero a partir del año 2000 empezaron a aparecer procesadores que tenían más de un núcleo, sobre todo cuando aparecieron los Intel Pentium D y los AMD Athlon 64 x 2. Pero los sistemas operativos que tenían no podían tener la capacidad de aprovechar todo ese potencial de varios núcleos, y a medida que avanzaban en los sistemas, sobre todo Microsoft, se comenzó a tener un mejor rendimiento de ellos para conseguir versiones modernas que pudieran procesar información con múltiples núcleos.
Un procesador de dos núcleos, tiene el doble de potencia que el que tiene uno solo. Este aumento de núcleos hace que se aumente la carga de trabajo que se puede manejar, por lo que los procesadores deben hacer un nuevo manejo de eventos no sincronizados, interrupciones o hasta un peaje en el CPU porque está trabajando el más. Cada núcleo se considera como independiente, cada uno debe hacer una tarea diferente. Muchas veces deben manejar las mismas tareas que tienen los núcleos que están alrededor si no tienen suficiente abastecimiento para manejar la información.
Cada uno de estos procesadores deben estar debidamente conectados al socket de la placa base o tarjeta madre, porque algunos de ellos tienen pines en su parte inferior, otros tienen contactos de oro, pero este siempre será el cerebro de cada ordenador y la placa base funciona como si fuera la médula espinal. Es a través de cada uno de los pines de sus conectores que se lleva toda la información que ingresa al procesador y que también deberá salir por la misma vía.
No se debe confundir un CPU con un GPU, ya que son dos componentes con funciones muy diferentes, aunque tengan en su interior un montón de componentes electrónicos haciendo cálculos y leyendo números, el CPU es un procesador que tiene un propósito general y la GPU es de propósito específico, esta última tiene optimizaciones para trabajar con millones de datos y hacer operaciones una y otra vez sin parar.
Componentes del CPU
Cómo ya se mencionó un CPU está compuesto de otros equipos o dispositivo de tipo electrónico, que son importantes para que se hagan todas las funciones del procesador, sin estos componentes una computadora no serviría de nada.
El Chasis o Caja
Además el CPU debe estar compuesto de una caja o chasis que puede ser construido en metal, plástico o hasta cristal y es en donde se colocan todos los componentes electrónicos de una manera ordenada con sus debidas conexiones y refrigerados. El chasis tiene un formato dispuesto para la placa base en donde tiene los soportes para su instalación y de acuerdo a sus dimensiones se instalan en el mismo todos los componentes internos, de esta manera tenemos diferentes tipos de chasis:
- ATX o Semitorre: una caja que mide 450 mm de largo, 450 mm de alto y 210 mm de ancho. Recibe este nombre porque en ella se instalan placas base ATX, y son las que más se usan en el mundo.
- E-ATX o de torre Completa: están son de mayor tamaño y pueden tener en su interior cualquier tipo de componente y placa base.
- Caja Micro ATX, Mini-ITX o Mini Torre: son cajas de menor tamaño diseñadas para ser usadas con placas base de ese formato.
- Caja SFF: son las que podemos encontrar en las universidades, torres muy delgadas y que se colocan en vitrina o acostadas en una mesa.
Para destacar un chasis o torres cada empresa que las fabrica intentan crear diseños impresionantes, para así llamar más la atención de los usuarios, pero siempre lo más importante es la capacidad que puedan tener sus componentes internos para trabajar.
Tarjeta Madre o Placa Base
Esta es la tarjeta primaria o principal de un circuito en un sistema de cómputo o cualquier otro sistema de tipo electrónico que tenga complejidad. Todos los componentes internos de un sistema computarizado se deben conectar entre sí para que los datos o la información pueda circular entre ellos, por eso se dispone de un dispositivo central que tiene todos los elementos fundamentales del sistema y que se conectan al resto de los componentes, y esta es la misión de una Tarjeta Madre.
Esta placa base o tarjeta madre es el sustrato o piso físico que se une al microprocesador, el cual se coloca en un zócalo de la placa en donde se encuentran conexiones especiales. Allí se encuentran todas las ranuras con las cuales se conectan todos los dispositivos como son la memoria, tarjetas de vídeo, tarjeta de sonido y todos los dispositivos de almacenamiento de datos. Cada circuito interno de esta placa permite que exista una comunicación entre cada componente.
Esta elaborada básicamente en PCB con circuitos integrados para la conexión de los chips, condensadores y conectores repartidos por toda la placa, que en conjunto forman el ordenador. Explicar todo lo que en ella se encuentra es bastante complicado porque cada uno de los elementos que contiene son importantes para el funcionamiento de un ordenador, lo que importa conocer de ella es que dependiendo de la arquitectura del procesador en ella se instalaran los diferentes tipos de componentes, porque no todas son iguales y cada una se orienta sobre el tipo de procesador.
En cuanto a su formato la placa base tendrá cierto tipo de ranuras de expansión y el chasis en donde se fijará. En este aspecto la placa base puede ser:
- XL-ATX y E-ATX: formatos especiales que indican que se debe tener una torre o caja más grande que contenga 10 slots o más, sirven para montar sistemas de refrigeración líquidas completas, varias tarjetas gráficas y mayor cantidad de unidades de almacenamiento.
- ATX: sus medidas por norma general son de 30.5 y 24.4 centímetros y es el formato compatible en el 99% de las cajas de PC que se disponen en el mercado. Es el formato más recomendado en cualquier configuración Gamer o para equipos o estaciones de trabajo.
- Micro ATX: de un tamaño menor para su uso este tiene placas bases más pequeñas, prácticamente está quedando en desuso, pero se sigue usando en equipos de salón.
- ITX: nueva en el mercado la ITX revoluciona el mundo de las placas base y en equipos gaming, con su pequeño tamaño puede alcanzar mayores resoluciones en pixeles, logrando desenvolver en equipos de 4K sin problemas.
Componentes de una placa base
Todas las placas base en la actualidad tienen muchas funcionalidades y muchos componentes que en la antigüedad solamente se encontraban en tarjetas de expansión, pero en resumen en ella podemos encontrar en orden de importancia:
BIOS: es la Basic Input Output System una memoria flash en donde está el almacenamiento de los programas pequeños, la configuración de la placa base y dispositivos que se conectan desde ella o hacia ella. En la actualidad se le está dando el nombre de UEFI (Extensible Firmware Interface), presentando una actualización de mayor avance, interfaz gráfica de alto nivel, mejor seguridad y más control en cada uno de los componentes que se conectan en la placa.
Tarjeta de Sonido: es un chip preinstalado el cual se encarga de procesar todo el sonido (música, conexión de auriculares o conexión a equipo Hi-Fi) sin necesidad de comprar una tarjeta de expansión.
Tarjeta de Red: este es un chip que hace las gestiones de conexión en la red en el ordenador, y en el puerto de conexión del cable router para conseguir una conexión de Internet, en tarjetas más avanzadas vienen nuevas conexiones para WIFi.
Ranuras de Expansión: en estas ranuras que son especiales se pueden instalar de manera adicional otras memorias RAM, tarjetas gráficas, discos duros y cualquier otro puerto o conexión que vaya hacia el ordenador.
Chipset y Socket: como no todas las placas base son compatibles con los procesadores, porque cada fabricante necesita bases propias para que este elemento funciones, cada placa debe tener un socket (Zócalo), que sea diferente en donde solamente se hace la instalación de los procesadores adecuados de acuerdo al diseño de su arquitectura y de su generación o modelo. El socket es un conector que sirve para establecer la comunicación entre el procesador y la placa base.
Se puede determinar u observar porque es una superficie cuadrada que tiene muchos contactos, por medio de ella se envían los datos al CPU, cada fabricante (Intel o AMD) tiene diferentes sockets. El chipset es el conjunto de circuitos integrados que permiten que se ejecuten las funciones de puente para la comunicación de los dispositivos de entrada y salida del procesador. En placas muy antiguas se podían encontrar dos chipsets pero en la actualidad solo se consigue uno.
Estos deben tener LANES PCI que son las líneas que envían los datos que el chipset puede soportar, a mayor numero delineas más datos de manera simultánea pueden enviarse al CPU. En esta placa base también se consideran o toman de importancia los conectores, estos se colocan en la misma para que sirvan de conexión con los diversos dispositivos de tarjetas, memoria, vídeo y sonido, los circuitos internos de esta placa permiten que exista una comunicación entre todos los componentes conectados a la placa. Cada ordenador tiene esta serie de conexiones, sean de escritorio o portátiles, se encuentran en la parte posterior de la caja o en sus laterales.
Entre estos se encuentran diversos enchufes con puertos en serie o paralelos que vienen con muchos pines, para que se haga la conexión de impresoras, mouse, teclados, modem y cualquier otro dispositivo que se quiera. Los ordenadores modernos también vienen dispuestos con puertos rectangulares o cuadrados para conexiones USB, firewire, conexiones a red, otros tienen forma redondeada y con colores diferentes para hacer conexiones de ratones o teclados en versiones anteriores o sirven en la actualidad para tener una conexión con otros monitores o hasta con televisores.
La conexión de todos estos dispositivos se produce por medio de los buses que se forman por diversos conductores en paralelo, estos tienen en sus extremos conectores para los componentes que se desea conectar. Un conductor de bus establece una ruta física de comunicación son el sistema informático, cuando se encuentran dentro del ordenado se les llama buses locales o del procesador, uno de los que más se usa es el llamado USB que permite una conexión entre diferentes aparatos electrónicos por un mismo medio o cable.
Memorias de semiconductores
Estas memorias pueden ser de semiconductores que se forman por un conjunto de casillas o celdas en donde puede haber contenido un bit que es la unidad de información o carga eléctrica que está en un pequeño condensador, las memorias de semiconductores se clasifican en memorias de lectura/escritura RAM o de solo lectura ROM.
Memoria RAM
La memoria RAM es uno de los componentes internos del CPU que se instalan en la placa base y que sirve para hacer la carga y almacenamiento de todas las instrucciones que se pueden ejecutar en el procesador cada una de estas instrucciones se envía por medio de los dispositivos que se conectan en la placa base y por los puertos del equipo. Esta transferencia de datos se hace de manera muy rápida y antes que lleguen al procesador se almacenan en una memoria caché.
Se le llama memoria de acceso aleatorio porque su información es muy dinámica y no tienen un orden aparente, la información que se envía no se queda grabada en ella de manera permanente como sucede en el disco duro, sino que se va perdiendo cada vez que el computador es apagado. De ella es importante conocer cuál es la cantidad de memoria en GB que puede almacenar para saber qué modelo o tipo debemos instalar, cuál es su velocidad y qué tipo de ranura usa en función del modelo del equipo.
Actualmente se pueden conseguir varios tipos de memoria RAM pero la más usual es la DDR SDRAM, que se usan mas hoy día, y que ha venido avanzando en tecnología desde su versión 1 hasta la 4, aumentando la frecuencia de bus considerablemente, más capacidad de almacenamiento, disminución de uso de voltaje para una mejor eficiencia. Esta tiene una capacidad que puede ir desde los 2 hasta los 16 GB, y se está probando una con capacidad de 32 GB.
La memoria RAM pueden presentar dos tipos de ranuras para la conexión a la placa base: la DIMM o la SO-DIMM, la primera de ellas es la que se usa en la conexión a computadoras de escritorio y la segunda las que se colocan en las portátiles o servidores. También se debe verificar si la memoria trabaja con Dual Channel o Quad Channel, esto indica que un procesador puede tener acceso de manera simultánea a dos o cuatro memorias RAM, si está activo el Dual Channel se puede acceder a bloques de hasta 128 bits de información y si el Quad Channel hasta 256 bits.
Memoria ROM
Es un tipo de memoria de solo lectura y que no pueden ser objeto de modificaciones, este funciona como un mecanismo de seguridad que hace que una parte del software se mantenga aunque se haya apagado el ordenador, pero esta ventaja también hace que la memoria ROM tenga una desventaja: es muy rígida. Por eso esta memoria es de utilidad cuando se produce en grandes cantidades. Ante esta desventaja se han creado diversas maneras de hacerla un poco más programable como es el caso de la memoria PROM.
Memoria Interna
La memoria interna de un ordenador es uno de los componentes que no tiene una capacidad operativa, en ella se realiza el almacenamiento de programas con instrucciones que se dan al ordenador que vienen por los datos de entrada y los resultados antes de que tengan una salida, se considera que esta funcionalmente dividida por áreas y que en cada una de ellas se hace el almacenamiento de un tipo de información específica: datos, programas, etc. Esta memoria puede aceptar datos que vengan de una unidad de entrada, intercambiar datos y programas con el propio CPU y suministrar los resultados de estos datos en una unidad de salida.
Disco Duro
Este es un dispositivo que se instala dentro del equipo, pero que se puede colocaren la actualidad algunos modelos de tipo externo con cables USB conectados a su puerto. Un disco duro es en donde se almacena de manera permanente todos los datos e información que se descargue en Internet, documentos, archivos y carpetas que crea un usuario, estas pueden contener música, imágenes, vídeos y documentos de texto. Además en este, es en donde está instalado el sistema operativo de la computadora.
Los discos duros se pueden clasificar en Disco duro HDD o disco duro SSD, el primero de ellos son los que siempre se han usado en los equipos que es un dispositivo metálico en forma rectangular y bastante pesado en donde están almacenados una serie de discos o platos plegados sobre un solo eje. Este tiene el motor para que estos puedan girar a una gran velocidad para hacer la lectura y escritura de información porque tiene un gran cabezal magnético ubicado en la cara de cada plato, es por esta razón que se les da el nombre de Disco Duro Mecánico.
Cada disco tiene dos caras de utilidad para guardar información, pero su importancia radica en la capacidad de almacenamiento y su velocidad. En cambio, el disco duro SSD es un tipo de tecnología de almacenamiento diferente a la que tiene un disco duro HDD, porque esta se hace en unidades de estado sólido y pueden tener la información de manera permanente en chips de memoria flash como son las que tiene la memoria RAM.
En este caso el almacenamiento es en celdas que se forman por puertas lógicas NAND y que se suministran en un estado de tensión sin necesitar corriente. Estas a la vez se pueden subdividir en SLC. MLC y TLC. Los discos SSD son más rápidos porque no tienen elementos mecánicos ni motores que retarden su movimiento y sitúen su cabezal en el sitio correcto.
Tarjeta Gráfica
La tarjeta gráfica es el dispositivo que se conecta en una ranura de expansión PCI-Express 3.0 x 16 y que tiene un procesador gráfico o GPU para que realice todo el procesamiento de gráficos en un computador. Un procesador gráfico es más potente que un procesador de CPU, por eso son muy usado por aquellos usuarios que gustan de videojuegos en computadora. Las empresas que fabrican este tipo de tarjeta en la actualidad son NVIDIA y AMD, cada uno de ellos usa tecnología diferente de fabricación en sus tarjetas.
Las tarjetas gráficas en un ordenador o CPU de uso común se usan para aquellas funciones básicas del ordenador, pero en el caso de los usuarios que tienen computador gaming la tarjeta gráfica es de mucha importancia por lo que siempre buscan la manera de tener aquellas que sean novedosas y de mayor potencia para ser adecuadas a sus ordenadores.
Fuente de alimentación
Una fuente de alimentación es un componente necesario para que un computador funcione, este dispositivo es el que envía la corriente eléctrica necesaria a cada uno de los elementos electrónicos que están dentro de un ordenador. Estos deben hacer una transformación de la corriente alterna de la casa de 240 voltios en corriente continua y hacer su distribución entre todos los componentes que la necesiten a través de conectores y cables.
La medida de potencia más importante en una fuente de alimentación es la PSU, a mayor capacidad o potencia mayor capacidad de conectar diversos elementos a la fuente. Una fuente de alimentación para un equipo de escritorio debería tener al menos 500 W de potencia.
Tarjeta de red
La tarjeta de red no es visible porque se encuentra en el interior de la placa base o tarjeta madre, esta es una tarjeta de expansión que permite que se pueda tener una conexión hacia un Router para conseguir conexión a Internet o una red LAND, estas pueden ser de dos tipos Ethernet o de WIFI.
Disipadores y Refrigeración Líquida
Estos no son elementos necesarios en un CPU para que este pueda funcionar, pero si no existieran podrían provocar que el ordenador dejara de funcionar y se dañe por el calor. El disipador debe recoger el calor que se genera dentro del CPU, porque cada uno de los componentes electrónicos que se encuentran allí generan calor por su alta frecuencia, este calor debe salir de allí hacia el exterior. Por eso un disipador debe tener un bloque metálico o de cobre que se conecte de manera directa con el procesador por medio de una pasta térmica que permita el paso de calor.
También debe tener un bloque de aluminio que está formado por unas aletas que hace que pase el aire y el calor de estas sea transmitido al disipador, tubos de cobre y uno o varios ventiladores para que el flujo de aire en las aletas forcé y elimine el calor del interior.
La refrigeración líquida es un método que consiste en separar los elementos de disipación en dos bloques que están compuestos por un circuito de agua. Uno de ellos debe estar dentro del procesador y debe ser de cobre y compuesto por pequeños canales en donde debe circular el líquido que se acciona a través de una bomba, el segundo bloque debe ser un intercambiador aleteado con ventilador para que recoja el calor del agua que llega y la trasmita al aire. Todo este proceso se hace a través de una serie de tubos que componen el circuito para que el agua se mantenga en circulación y no se evapore.
Tarjeta de Expansión
Estos son dispositivos que tienen varios circuitos integrados, que se insertan y controlan en ranuras de expansión y que sirven para ampliar las capacidades de una computadora. Las más comunes son para añadir memoria, controlar la unidad de disco, controlar vídeos, puertos de serie o paralelo y dispositivos de módem internos. Entre las más destacadas tenemos:
Tarjeta de Expansión de Vídeo: es una tarjeta que contiene circuitos y puertos integrados en una placa elaborada en plástico, que tiene a su vez un conector lineal que se coloca en una ranura o Slot en la tarjeta Madre o placa Base. Su funciones es que amplíe las capacidades de la computadora en la instalación o aumento de procesamiento de vídeos, tener más acceso a redes y permitir la captura de audio de tipo externo.
Tarjeta de Expansión de Audio: es una tarjeta o placa de sonido que permite la salida de audio bajo control de un programa de informática o de un driver, estas pueden proveer sonido a través de un programa que sirve como un desmezclador, en donde las aplicaciones multimedia del componente de audio pueden sonar y a la vez ser gestionadas, estas aplicaciones incluyen la composición y edición de vídeo y audio, presentaciones en formatos multimedia y entretenimiento.
Tarjeta de Expansión de Red: es un adaptador periférico que permite que exista una comunicación con diversos aparatos que se conecten no solo a él sino también entre ellos, permite que dos o más computadoras puedan compartir sus recursos: disco duro, CD-ROM e Impresoras. Se les suele llamar NIC (Network Interface Card) y existen diversos tipos que tienen diferentes cableados o arquitecturas (coaxial fino, coaxial grueso, token ring, etc), pero el más usual en la actualidad es el Ethernet que usa una interfaz o conector RJ-45.
Historia del CPU
Los primeros ordenadores que fueron construidos entre ellos el ENIAC, estaban compuestos de una manera física por medio de muchos cables que realizaban diversas tareas, por lo que se les daba el nombre de ordenadores de programa fijo. El nombre de CPU como tal define es un dispositivo que sirve para la ejecución de un determinado software o programa informático, por lo que los primeros modelos considerados con este nombre llegaron prácticamente con el advenimiento de los programas almacenados.
Esta idea de un programa almacenado viene gracias a John Presper Eckert, y el ENIAC es de John William Mauchly. No fue hasta 1945 antes de la construcción del ENIAC que el matemático John von Neumann hizo su primer trabajo sobre el EDVAC, que fue más que nada un borrador del primer programa almacenado, este no se pudo concluir hasta el año 1949. El EDVAC fue diseñado para que pudiera realizar un determinado número de funciones o instrucciones de diferentes tipos.
Todos los programas que se escribieron o diseñaron para él se crearon para ser almacenados en una memoria de alta velocidad en el ordenador y no para que pasara por un cable en específico que estuviera en el ordenador. Con este nuevo tipo de programación supero las limitaciones que tenía el ENIAC porque se logró recuperar tiempo y esfuerzo para hacer una nueva configuración del equipo para hacer nuevas tareas.
A través del diseño de von Neumann el programa que podía correr en el EDVAC se cambiaba de una manera sencilla en el contenido de la memoria. Pero esta no fue la primera máquina que podía tener este tipo de programación. También estaba la Maquina experimental de Pequeña Escala de Manchester, un prototipo de un ordenador de programa almacenado que logra hacer la ejecución de su primera tarea en junio de 1948, a ella le siguió la Manchester Mark I en el año 1948.
Si bien se le acreditó el diseño de programas almacenados a von Neumann por el diseño de la EDVAC, hubo otros antes de él que habían hecho la sugerencia de esta idea. La Harvard Mark I se llegó a completar antes de la EDVAC y usaba un programa almacenado a través del uso de cintas perforadas en vez de una memoria electrónica. La diferencia entre ambos modelos estaba en que la máquina de Harvard separo dentro del almacenamiento la manera de tratar las instrucciones en el CPU y los datos. En cambio que la von Neumann usaban un solo espacio para ambos en la memoria.
La mayor parte de los CPU modernos tienen el mismo diseño de von Neumann, pero los de la arquitectura de Harvard se pueden ver en aplicaciones embebidas como son los microcontroladores Atmel AVR. Los elementos de conmutación que se usaban en esa época eran relés y tubos de vacío o válvulas termoiónicas. Para que un ordenador entonces fuera útil debía contener miles o decenas de miles de dispositivos de conmutación.
Su velocidad global en todo el sistema dependía de la velocidad de estos, por eso los ordenadores de tubos como el que usaba el EDVAC se llevaban un promedio de ocho horas para presentar alguna falla, en tanto que los de relés en raras ocasiones tendían a fallar. Finalmente los CPU que usaban tubos lograron dominar el mercado porque tenía más ventajas de velocidad que sopesaban los problemas de confiabilidad.
Estas tempranas CPU tenían recorrido de frecuencia de reloj muy bajas en comparación con los modernos diseños, en ese tiempo lo más común es que estas frecuencias de reloj tuviesen un rango de 100 kHz hasta los 4 mHz, algo muy limitado en parte por la velocidad de los dispositivos de conmutación con los cuales se construyeron. Las primeras CPU se diseñaron para ser parte de ordenadores más grandes, ordenadores que eran únicos en su especie, pero este método de diseñar CPU para aplicaciones particulares fue desapareciendo y siendo sustituido cuando se desarrollaron las clases de procesadores más económicos y estandarizados para uno o varios proyectos.
Es por medio de la estandarización que se llega a la era del uso de los transistores discretos, computadoras centrales y microcomputadoras, lo que hace cada vez más popular el uso de los circuitos integrados, que permitió a los fabricantes y diseñadores de CPU hacer más complejos los mismos en espacio más pequeños hasta el orden de los nanómetros.
Es por medio de esta miniaturización y estandarización que los CPU han aumentado su presencia en la vida de millones de personas en la actualidad porque van más allá de las aplicaciones limitadas a máquinas de computación dedicadas. Cada microprocesador moderno puede verse no solo en computadoras sino también en teléfonos, celulares, automóviles y ahora en juguetes de niños.
CPU de Transistores y Circuitos Integrados Discretos
Con un diseño de más complejidad a través de los años cada CPU fue cambiando y aumentando por la facilidad en que se podían construir dispositivos electrónicos cada vez más pequeños y de mayor confiabilidad, una de ellas llegó con los transistores. Un CPU de transistores que se usaba entre 1950 y 1960 no se construían con elementos de conmutación que fuesen muy abultados, que no eran confiables y que a la vez podían ser frágiles, como eran los tubos de vacío y los relés eléctricos.
Cada mejora se hacía a través de varias tarjetas de circuitos cuyos componentes eran más discretos o individuales y que por supuesto generaban más confianza. La manera de construir estos transistores gano mucha popularidad debido al espacio compacto que podían ocupar. Un circuito integrado o IC podían tener una gran cantidad de transistores que eran fabricados en una sola oblea o base a través del uso de semiconductores o chip. En un comienzo eran muy básicos y no especializados.
Un CPU construido a través de circuitos integrados pero en bloques de construcción se referían como dispositivos de pequeña escala de integración o SSI (Small Scale Integration), este tipo de circuitos se usaron en el computador guía en el Apollo denominado Apollo Guidance Computer, y estaba constituido con transistores que se contaban en números de múltiplos de 10.
Los circuitos integrados son elementos que pueden hacer o ejecutar varias funciones electrónicas y que se encuentran constituidos por muchos componentes electrónicos de diversos tipos, estos son la base de los ordenadores actuales, por lo que su proceso de construcción se encuentra directamente en el origen del funcionamiento de lo que es la economía moderna. La base de estos circuitos es el silicio, un elemento químico semimetálico que sirve de semiconductor.
Para que este funcione de manera óptima se debe usar en estado puro y solo se consigue por medio de un proceso de crecimiento controlado en atmósfera no oxidante. Este permite formar un mono cristal de muchas dimensiones el cual se corta en porciones o tamaños deseados a las cuales denominan obleas, estas a su vez se van cortando en pequeñas unidades cuadradas. De esta forma los circuitos se fabrican en grandes cantidades y no de uno en uno. Cuando se hace la introducción de los átomos de algunos elementos se hace que actúen de manera pasiva es decir que logran mejorar las condiciones de conductividad en el cristal, pero conservando sus características primordiales.
Es así como se hace la integración de un chip de poco más de un centímetro con un gran número de componentes electrónicos entre transistores y resistencias, que se colocan por varios millones y de ellos depende la velocidad de procesamiento de datos en un ordenador. Un computador completo construido por medio de este tipo de circuito SSI necesitaba miles de chips individuales, pero se lograba consumir menos espacio y energía que con los otros diseños de transistores discretos.
Con el avance de la microelectrónica los circuitos integrados se comenzaron a colocar en un número creciente de transistores, por lo que se podía disminuir la cantidad de circuitos individuales necesarios en un CPU completo. Los circuitos integrados MSI y LSI, de mediana y gran escala de integración fueron los que ayudaron a aumentar la cantidad de transistores de cientos a miles.
Para 1964 la empresa IBM hace la introducción del ordenador System/360 que se comenzó a usar en una serie de ordenadores que podían hacer los mismos programas a velocidad y desempeño diferente. Para ese tiempo este fue un gran avance debido a que la mayor parte de los ordenadores no tenían compatibilidad entre ellos, así fueran construidos por el mismo fabricante. Para hacerlo más fácil IBM introdujo el concepto del microprograma o microcódigo, para seguir avanzando a las CPU modernas.
La arquitectura de la System/360 fue muy popular llegando a dominar el mercado con las conocidas Mainframe dejando una herencia que un se sigue usando en nuestra época. Pero en ese mismo año de 1964 la DEC (Digital Equipment Corporation) trajo un nuevo ordenador o CPU mucha más influyente pero dirigido a los científicos o personal de investigación, el PDP-8. Lo realmente cierto es que un CPU basado en transistores era más ventajoso ante los que fueron sus antecesores porque eran fiables y consumían menos energía, operaban a alta velocidad en un menor tiempo de conmutación.
Gracias a este avance es que se pudo lograr un incremento de velocidad en los elementos de conmutación, frecuencias de reloj que se calculaban en decenas de mHz. Para 1970 por medio de los inventos de Federico Faggin y su metodología de diseño de lógica aleatoria, se hace un cambio en el diseño e implementación de un CPU de manera radical. Se logra introducir el microprocesador comercial a través del Intel 4004, siendo el de más amplio uso el Intel 8080 en el año 1974. Este tipo de CPU logra desplazar a todos los métodos anteriores de Unidad Central de procesamiento.
Cada fabricante de mainframes o microordenadores comenzaron a desarrollar los circuitos integrados de propietarios para actualizarlas arquitecturas de las computadoras más antiguas y crear nuevos microprocesadores con un conjunto o grupo de operaciones o instrucciones que fueran retrocompatibles con los hardware y softwares más viejos. Esto se logra combinando muchas de sus partes para llegar a la computadora personal.
En general se puede decir que fue la década de 1960 el tiempo en el cual se comienza a hablar de CPU como se entiende hoy día, antes de este tiempo este era un componente completamente separado de la computadora, es gracias al perfeccionamiento de la tecnología que se llega al CPU moderno que es confiable, seguro y eficaz. Si se toma en cuenta cada avance que ha tenido el diseño de CPU y su arquitectura, y viendo que cada vez se reducen más en tamaños, es evidente que cada día se espera que esta siga evolucionando y que cada hardware que exista comenzará a ser obsoleto para dar paso en el mercado a nuevos modelos.
Es un hecho inequívoco que cada vez seguirán apareciendo nuevas piezas de hardware que brindarán mejores prestaciones que los modelos anteriores, no solo para ser usado en microprocesadores, sino también en tarjetas de audio, de vídeo y hasta en las placa base o tarjetas madre. Pero es más que nada por la fuerte competencia que existe en los mercados actuales. Sin embargo este hecho no implica por si solo que un ordenador o CPU este viejo sino que es un problema del uso que se quiere dar al mismo y de los elementos de software que se han utilizado en él.
Por tanto no considere que su CPU esta viejo o anticuado, porque mientras se pueda seguir haciendo uso del mismo este es un equipo productivo, sobre todo si se pueden usar programas que sean de su interés. Tome en cuenta que ese CPU que tiene en uso se puede mejorar a través de actualizaciones con la incorporación de nuevas tarjetas de red, vídeo y sonido, procesador, memorias y cualquier otro elemento interno que se pueda reemplazar por aquellos más modernos o actualizados para que este pueda seguir funcionando de la manera correcta.
Cada vez que se anexa a un CPU un componente nuevo este se revaloriza en su trabajo, en este aspecto los usuarios que más se dedican a este tipo de actualización son los que destinan su CPU para los juegos en computadora. Estos ven en sus equipos un elemento de confiabilidad para seguir jugando con solo anexarle nuevas tarjetas gráficas o GPU.
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