La unidad central de procesamiento (CPU)

Resumen

Dentro del sistema de enseñanza en la Educación Superior el estudio de la computación es un objetivo de clase, la misma ocupa un lugar principal, y juega un papel determinante en el desarrollo de los estudiantes. El presente trabajo es resultado de una investigación específicamente sobre la Unidad Central de Procesamiento, para lo cual se realizó una exhaustiva revisión bibliográfica sobre el tema, lo que nos permitió, conocer más acerca del funcionamiento de la CPU que es donde se producen la mayoría de los cálculos. En términos de potencia del ordenador, la CPU es el elemento más importante de un sistema informático.

Introducción

La expresión "unidad central de proceso" es, en términos
generales, una descripción de una cierta clase de máquinas de
lógica que pueden ejecutar complejos programas de computadora. Esta amplia
definición puede fácilmente ser aplicada a muchos de los primeros
computadores que existieron mucho antes que el término "CPU"
estuviera en amplio uso. Sin embargo, el término en sí mismo y
su acrónimo han estado en uso en la industria de la informática
por lo menos desde el principio de los años 1960.

La CPU también es la llamada unidad central de procesamiento (por el
acrónimo en inglés de central processing unit), o simplemente
el procesador o microprocesador, es el componente del computador y otros dispositivos
programables, que interpreta las instrucciones contenidas en los programas y
procesa los datos. Los CPU proporcionan la característica fundamental
de la computadora digital (la programabilidad) y son uno de los componentes
necesarios encontrados en las computadoras de cualquier tiempo, junto con el
almacenamiento primario y los dispositivos de entrada/salida. Se conoce como
microprocesador el CPU que es manufacturado con circuitos integrados.

La forma, el diseño y la implementación de los CPU ha cambiado
drásticamente desde los primeros ejemplos, pero su operación fundamental
ha permanecido bastante similar.

Los primeros CPU fueron diseñados a la medida como parte de una computadora
más grande, generalmente una computadora única en su especie.
Sin embargo, este costoso método de diseñar los CPU a la medida,
para una aplicación particular, ha desaparecido en gran parte y se ha
sustituido por el desarrollo de clases de procesadores baratos y estandarizados
adaptados para uno o muchos propósitos.

Esta tendencia de estandarización comenzó generalmente en la
era de los transistores discretos, computadoras centrales, y microcomputadoras,
y fue acelerada rápidamente con la popularización del circuito
integrado (IC), éste ha permitido que sean diseñados y fabricados
CPU más complejos en espacios pequeños (en la orden de milímetros).
Tanto la miniaturización como la estandarización de los CPU han
aumentado la presencia de estos dispositivos digitales en la vida moderna mucho
más allá de las aplicaciones limitadas de máquinas de computación
dedicadas.

Los microprocesadores modernos aparecen en todo, desde automóviles,
televisores, neveras, calculadoras, aviones, hasta teléfonos móviles
o celulares, juguetes, entre otros.

DESARROLLO

¿Qué es una CPU?

Definición de CPU.

CPU, abreviatura de Central Processing Unit (unidad de proceso central), se pronuncia como letras separadas. La CPU es el cerebro del ordenador. A veces es referido simplemente como el procesador o procesador central, En ordenadores grandes, las CPU requieren uno o más tableros de circuito impresos. En los ordenadores personales y estaciones de trabajo pequeñas, la CPU está contenida en un solo chip llamado microprocesador.

Dos componentes típicos de una CPU son

La unidad de lógica/aritmética (ALU), que realiza operaciones aritméticas y lógicas.

La unidad de control (CU), que extrae instrucciones de la memoria, las descifra y ejecuta, llamando a la ALU cuando es necesario.

Casi todos los CPU tratan con estados discretos, y por lo tanto requieren una
cierta clase elementos de conmutación para diferenciar y cambiar estos
estados. Antes de la aceptación comercial del transistor, los relés
eléctricos y los tubos de vacío (válvulas termoiónicas)
eran usados comúnmente como elementos de conmutación. Aunque éstos
tenían distintas ventajas de velocidad sobre los anteriores diseños
puramente mecánicos, no eran fiables por varias razones. Por ejemplo,
hacer circuitos de lógica secuencial de corriente directa requería
hardware adicional para hacer frente al problema del rebote de contacto. Por
otro lado, mientras que los tubos de vacío no sufren del rebote de contacto,
éstos deben calentarse antes de llegar a estar completamente operacionales
y eventualmente fallan y dejan de funcionar por completo.[1] Generalmente, cuando
un tubo ha fallado, el CPU tendría que ser diagnosticado para localizar
el componente que falla para que pueda ser reemplazado. Por lo tanto, los primeros
computadores electrónicos, (basados en tubos de vacío), generalmente
eran más rápidas pero menos confiables que las computadoras electromecánicas,
(basadas en relés). Las computadoras de tubo, como el EDVAC, tendieron
en tener un promedio de ocho horas entre fallas, mientras que las computadoras
de relés, (anteriores y más lentas), como el Harvard Mark I, fallaban
muy raramente . Al final, los CPU basados en tubo llegaron a ser dominantes
porque las significativas ventajas de velocidad producidas generalmente pesaban
más que los problemas de confiabilidad. La mayor parte de estos tempranos
CPU síncronos corrían en frecuencias de reloj bajas comparadas
con los modernos diseños microelectrónicos, (ver más abajo
para una exposición sobre la frecuencia de reloj). Eran muy comunes en
este tiempo las frecuencias de la señal del reloj con un rango desde
100 kHz hasta 4 MHz, limitado en gran parte por la velocidad de los dispositivos
de conmutación con los que fueron construidos

CPU, memoria de núcleo, e interfaz de bus externo de un MSI PDP-8/I.

La complejidad del diseño de los CPU se incrementó a medida que
varias tecnologías facilitaron la construcción de dispositivos
electrónicos más pequeños y confiables. La primera de esas
mejoras vino con el advenimiento del transistor. Los CPU transistor izados durante
los años 1950 y los años 1960 no tuvieron que ser construidos
con elementos de conmutación abultados, no fiables, y frágiles,
como los tubos de vacío y los relees eléctricos. Con esta mejora,
fueron construidos CPU más complejos y más confiables sobre una
o varias tarjetas de circuito impreso que contenían componentes discretos
(individuales).

Durante este período, ganó popularidad un método de fabricar
muchos transistores en un espacio compacto. El circuito integrado (IC) permitió
que una gran cantidad de transistores fueran fabricados en una simple oblea
basada en semiconductor o "chip". Al principio, solamente circuitos
digitales muy básicos, no especializados, como las puertas NOR fueron
miniaturizados en IC. Los CPU basadas en estos IC de "bloques de construcción"
generalmente son referidos como dispositivos de pequeña escala de integración
"small-scale integration" (SSI). Los circuitos integrados SSI, como
los usados en el computador guía del Apoyo (Apoyo Guidance Computer),
usualmente contenían transistores que se contaban en números de
múltiplos de diez. Construir un CPU completo usando IC SSI requería
miles de chips individuales, pero todavía consumía mucho menos
espacio y energía que diseños anteriores de transistores discretos.
A medida que la tecnología microelectrónica avanzó, en
los IC fue colocado un número creciente de transistores, disminuyendo
así la cantidad de IC individuales necesarios para un CPU completo. Los
circuitos integrados MSI y el LSI (de mediana y gran escala de integración)
aumentaron el número de transistores a cientos, y luego a miles.

En 1964, IBM introdujo su arquitectura de computador System/360, que fue usada
en una serie de computadores que podían ejecutar los mismos programas
con velocidades y desempeños diferentes. Esto fue significativo en un
tiempo en que la mayoría de las computadoras electrónicas eran
incompatibles entre sí, incluso las hechas por el mismo fabricante. Para
facilitar esta mejora, IBM utilizó el concepto de microprograma, a menudo
llamado "micro código", ampliamente usado aún en los
CPU modernos . La arquitectura System/360 era tan popular que dominó
el mercado del mainframe durante las siguientes décadas y dejó
una herencia que todavía aún perdura en las computadoras modernas,
como el IBM Series. En el mismo año de 1964, Digital Equipment Corporation.

Digital Equipment Corporation (DEC) introdujo otro computador que sería
muy influyente, dirigido a los mercados científicos y de investigación,
el PDP-8. DEC introduciría más adelante la muy popular línea
del PDP-11, que originalmente fue construido con IC SSI pero eventualmente fue
implementado con componentes LSI cuando se convirtieron en prácticos.
En fuerte contraste con sus precursores hechos con tecnología SSI y MSI,
la primera implementación LSI del PDP-11 contenía un CPU integrado
únicamente por cuatro circuitos integrados LSI.

Los computadores basados en transistores tenían varias ventajas frente
a sus predecesores. Aparte de facilitar una creciente fiabilidad y un menor
consumo de energía, los transistores también permitían
al CPU operar a velocidades mucho más altas debido al corto tiempo de
conmutación de un transistor en comparación a un tubo o relé.
Gracias tanto a esta creciente fiabilidad como al dramático incremento
de velocidad de los elementos de conmutación que por este tiempo eran
casi exclusivamente transistores, se fueron alcanzando frecuencias de reloj
del CPU de decenas de megahertz. Además, mientras que los CPU de transistores
discretos y circuitos integrados se usaban comúnmente, comenzaron a aparecer
los nuevos diseños de alto rendimiento como procesadores vectoriales
SIMD (Single Instruction Múltiple Data) (Simple Instrucción Múltiples
Datos). Estos primeros diseños experimentales dieron lugar más
adelante a la era de las supercomputadoras especializadas, como los hechos por
Cray Inc.

Desde la introducción del primer microprocesador, el Intel 4004, en
1970, y del primer microprocesador ampliamente usado, el Intel 8080, en 1974,
esta clase de CPUs ha desplazado casi totalmente el resto de los métodos
de implementación de la Unidad Central de Proceso. Los fabricantes de
mainframes y minicomputadores de ese tiempo.

Las generaciones previas de CPUs fueron implementadas como componentes discretos
y numerosos circuitos integrados de pequeña escala de integración
en una o más tarjetas de circuitos. Por otro lado, los microprocesadores
son CPUs fabricados con un número muy pequeño de IC; usualmente
solo uno. El tamaño más pequeño del CPU, como resultado
de estar implementado en una simple pastilla, significa tiempos de conmutación
más rápidos debido a factores físicos como el decrecimiento
de la capacitancia parásita de las puertas. Esto ha permitido que los
microprocesadores síncronos tengan tiempos de reloj con un rango de decenas
de megahercios a varios giga hercios. Adicionalmente, como ha aumentado la capacidad
de construir transistores excesivamente pequeños en un IC, la complejidad
y el número de transistores en un simple CPU también se ha incrementado
dramáticamente. Esta tendencia ampliamente observada es descrita por
la ley de Moore, que ha demostrado hasta la fecha, ser una predicción
bastante exacta del crecimiento de la complejidad de los CPUs y otros IC.

Mientras que, en los pasados sesenta años han cambiado drásticamente,
la complejidad, el tamaño, la construcción, y la forma general
del CPU, es notable que el diseño y el funcionamiento básico no
ha cambiado demasiado. Casi todos los CPU comunes de hoy se pueden describir
con precisión como máquinas de programa almacenado de von Neumann.

A medida que la ya mencionada ley del Moore continúa manteniéndose
verdadera, se han presentado preocupaciones sobre los límites de la tecnología
de transistor del circuito integrado. La miniaturización extrema de puertas
electrónicas está causando los efectos de fenómenos que
se vuelven mucho más significativos, como la electromigración,
y el subumbral de pérdida. Estas más nuevas preocupaciones están
entre los muchos factores que hacen a investigadores estudiar nuevos métodos
de computación como la computadora cuántica, así como ampliar
el uso de paralelismo, y otros métodos que extienden la utilidad del
modelo clásico de von Neumann.

Operación del CPU

La operación fundamental de la mayoría de los CPU, es ejecutar
una secuencia de instrucciones almacenadas llamadas "programa". El
programa es representado por una serie de números que se mantentienen
en una cierta clase de memoria de computador. Hay cuatro pasos que casi todos
los CPU de arquitectura de von Neumann usan en su operación: fetch, decode,
execute, y writeback, (leer, decodificar, ejecutar, y escribir).

Diagrama mostrando como es decodificada una instrucción del MIPS32.
(MIPS Technologies 2005)

El primer paso, leer (fetch), implica el recuperar una instrucción,
(que es representada por un número o una secuencia de números),
de la memoria de programa. La localización en la memoria del programa
es determinada por un contador de programa (PC), que almacena un número
que identifica la posición actual en el programa. En otras palabras,
el contador de programa indica al CPU, el lugar de la instrucción en
el programa actual. Después de que se lee una instrucción, el
Contador de Programa es incrementado por la longitud de la palabra de instrucción
en términos de unidades de memoria.[2] Frecuentemente la instrucción
a ser leída debe ser recuperada de memoria relativamente lenta, haciendo
detener al CPU mientras espera que la instrucción sea retornada. Este
problema es tratado en procesadores modernos en gran parte por los cachés
y las arquitecturas pipeline (ver abajo).

La instrucción que el CPU lee desde la memoria es usada para determinar
qué deberá hacer el CPU. En el paso de decodificación,
la instrucción es dividida en partes que tienen significado para otras
unidades del CPU.

La manera en que el valor de la instrucción numérica es interpretado
está definida por la arquitectura del conjunto de instrucciones (el ISA)
del CPU.[3] A menudo, un grupo de números en la instrucción, llamados
opcode, indica qué operación realizar. Las partes restantes del
número usualmente proporcionan información requerida para esa
instrucción, como por ejemplo, operandos para una operación de
adición. Tales operandos se pueden dar como un valor constante (llamado
valor inmediato), o como un lugar para localizar un valor, que según
lo determinado por algún modo de dirección, puede ser un registro
o una dirección de memoria. En diseños más viejos las unidades
del CPU responsables de decodificar la instrucción eran dispositivos
de hardware fijos. Sin embargo, en CPUs e ISAs más abstractos y complicados,
es frecuentemente usado un microprograma para ayudar a traducir instrucciones
en varias señales de configuración para el CPU. Este microprograma
es a veces reescribible de tal manera que puede ser modificado para cambiar
la manera en que el CPU decodifica instrucciones incluso después de que
haya sido fabricado.

Después de los pasos de lectura y decodificación, es llevado
a cabo el paso de la ejecución de la instrucción. Durante este
paso, varias unidades del CPU son conectadas de tal manera que ellas pueden
realizar la operación deseada. Si, por ejemplo, una operación
de adición fue solicitada, una unidad aritmético lógica
(ALU) será conectada a un conjunto de entradas y un conjunto de salidas.
Las entradas proporcionan los números a ser sumados, y las salidas contendrán
la suma final. La ALU contiene la circuitería para realizar operaciones
simples de aritmética y lógica en las entradas, como adición
y operaciones de bits (bitwise). Si la operación de adición produce
un resultado demasiado grande para poder ser manejado por el CPU, también
puede ser ajustada una bandera (flag) de desbordamiento aritmético localizada
en un registro de banderas (ver abajo la sección sobre rango de números
enteros).

El paso final, la escritura (writeback), simplemente "escribe" los
resultados del paso de ejecución a una cierta forma de memoria. Muy a
menudo, los resultados son escritos a algún registro interno del CPU
para acceso rápido por subsecuentes instrucciones.

En otros casos los resultados pueden ser escritos a una memoria principal más
lenta pero más barata y más grande. Algunos tipos de instrucciones
manipulan el contador de programa en lugar de directamente producir datos de
resultado. Éstas son llamadas generalmente "saltos" (jumps)
y facilitan comportamientos como |bucles (loops), la ejecución condicional
de programas (con el uso de saltos condicionales), y funciones en programas.[4]
Muchas instrucciones también cambiarán el estado de dígitos
en un registro de "banderas". Estas banderas pueden ser usadas para
influenciar cómo se comporta un programa, puesto que a menudo indican
el resultado de varias operaciones. Por ejemplo, un tipo de instrucción
de "comparación" considera dos valores y fija un número,
en el registro de banderas, de acuerdo a cuál es el mayor. Entonces,
esta bandera puede ser usada por una posterior instrucción de salto para
determinar el flujo de programa.

CPU Después de la ejecución de la instrucción y la escritura
de los datos resultantes, el proceso entero se repite con el siguiente ciclo
de instrucción, normalmente leyendo la siguiente instrucción en
secuencia debido al valor incrementado en el contador de programa. Si la instrucción
completada era un salto, el contador de programa será modificado para
contener la dirección de la instrucción a la cual se saltó,
y la ejecución del programa continúa normalmente. En CPUs más
complejos que el descrito aquí, múltiples instrucciones pueden
ser leídas, decodificadas, y ejecutadas simultáneamente.

Esta sección describe lo que es referido generalmente como el "entubado
RISC clásico" (Classic RISC pipeline), que de hecho es bastante
común entre los CPU simples usados en muchos dispositivos electrónicos,
a menudo llamados microcontroladores.[5]

Diseño e implementación

Artículo principal: Diseño del CPU.

Con la representación numérica están relacionados
el tamaño y la precisión de los números que un CPU puede
representar. En el caso de un CPU binario, un bit se refiere a una posición
significativa en los números con que trabaja un CPU. El número
de bits (o de posiciones numéricas, o dígitos) que un CPU usa
para representar los números, a menudo se llama "tamaño de
la palabra", "ancho de bits", "ancho de ruta de datos",
o "precisión del número entero" cuando se ocupa estrictamente
de números enteros (en oposición a números de coma flotante.

Este número difiere entre las arquitecturas, y a menudo dentro de diferentes unidades del mismo CPU. Por ejemplo, un CPU de 8 bits maneja un rango de números que pueden ser representados por ocho dígitos binarios, cada dígito teniendo dos valores posibles, y en combinación los 8 bits teniendo 28 ó 256 números discretos. En efecto, el tamaño del número entero fija un límite de hardware en el rango de números enteros que el software corre y que el CPU puede usar directamente[7]

El rango del número entero también puede afectar el número
de posiciones en memoria que el CPU puede direccionar (localizar). Por ejemplo,
si un CPU binario utiliza 32 bits para representar una dirección de memoria,
y cada dirección de memoria representa a un octeto (8 bits), la cantidad
máxima de memoria que el CPU puede direccionar es 232 octetos, o 4 GB.
Ésta es una vista muy simple del espacio de dirección del CPU,
y muchos diseños modernos usan métodos de dirección mucho
más complejos como paginación para localizar más memoria
que su rango entero permitiría con un espacio de dirección plano.

Niveles más altos del rango de números enteros requieren más
estructuras para manejar los dígitos adicionales, y por lo tanto, más
complejidad, tamaño, uso de energía, y generalmente costo. Por
ello, no es del todo infrecuente, ver microcontroladores de 4 y 8 bits usados
en aplicaciones modernas, aun cuando están disponibles CPU con un rango
mucho más alto (de 16, 32, 64, e incluso 128 bits). Los microcontroladores
más simples son generalmente más baratos, usan menos energía,
y por lo tanto disipan menos calor. Todo esto pueden ser consideraciones de
diseño importantes para los dispositivos electrónicos. Sin embargo,
en aplicaciones del extremo alto, los beneficios producidos por el rango adicional,
(más a menudo el espacio de dirección adicional), son más
significativos y con frecuencia afectan las opciones del diseño. Para
ganar algunas de las ventajas proporcionadas por las longitudes de bits tanto
más bajas, como más altas, muchas CPU están diseñadas
con anchos de bit diferentes para diferentes unidades del dispositivo. Por ejemplo,
el IBM System/370 usó un CPU que fue sobre todo de 32 bits, pero usó
precisión de 128 bits dentro de sus unidades de coma flotante para facilitar
mayor exactitud y rango de números de coma flotante

lógica secuencial, son de naturaleza síncrona.[8] Es decir, están
diseñados y operan en función de una señal de sincronización.
Esta señal, conocida como señal de reloj, usualmente toma la forma
de una onda cuadrada periódica. Calculando el tiempo máximo en
que las señales eléctricas pueden moverse en las varias bifurcaciones
de los muchos circuitos de un CPU, los diseñadores pueden seleccionar
un período apropiado para la señal del reloj.

Este período debe ser más largo que la cantidad de tiempo que toma a una señal moverse, o propagarse, en el peor de los casos. Al fijar el período del reloj a un valor bastante mayor sobre el retardo de la propagación del peor caso, es posible diseñar todo el CPU y la manera que mueve los datos alrededor de los "bordes" de la subida y bajada de la señal del reloj. Esto tiene la ventaja de simplificar el CPU significativamente, tanto en una perspectiva de diseño, como en una perspectiva de cantidad de componentes. Sin embargo, esto también tiene la desventaja que todo el CPU debe esperar por sus elementos más lentos, aun cuando algunas unidades de la misma son mucho más rápidas. Esta limitación ha sido compensada en gran parte por varios métodos de aumentar el paralelismo del CPU (ver abajo).

Sin embargo, las solamente mejoras arquitectónicas no solucionan todas las desventajas de CPUs globalmente síncronas. Por ejemplo, una señal de reloj está sujeta a los retardos de cualquier otra señal eléctrica. Velocidades de reloj más altas en CPUs cada vez más complejas hacen más difícil de mantener la señal del reloj en fase (sincronizada) a través de toda la unidad. Esto ha conducido que muchos CPU modernos requieran que se les proporcione múltiples señales de reloj idénticas, para evitar retardar una sola señal lo suficiente significativamente como para hacer al CPU funcionar incorrectamente. Otro importante problema cuando la velocidad del reloj aumenta dramáticamente, es la cantidad de calor que es disipado por el CPU. La señal del reloj cambia constantemente, provocando la conmutación de muchos componentes (cambio de estado) sin importar si están siendo usados en ese momento. En general, un componente que está cambiando de estado, usa más energía que un elemento en un estado estático. Por lo tanto, a medida que la velocidad del reloj aumenta, así lo hace también la disipación de calor, causando que el CPU requiera soluciones de enfriamiento más efectivas.

Un método de tratar la conmutación de componentes innecesarios
se llama el clock gating, que implica apagar la señal del reloj a los
componentes innecesarios, efectivamente desactivándolos. Sin embargo,
esto es frecuentemente considerado como difícil de implementar y por
lo tanto no ve uso común afuera de diseños de muy baja potencia.[9]
Otro método de tratar algunos de los problemas de una señal global
de reloj es la completa remoción de la misma. Mientras que quitar la
señal global del reloj hace, de muchas maneras, considerablemente más
complejo el proceso del diseño, en comparación con diseños
síncronos similares, los diseños asincrónicos (o sin reloj)
tienen marcadas ventajas en el consumo de energía y la disipación
de calor. Aunque algo infrecuente, CPUs completas se han construido sin utilizar
una señal global de reloj. Dos notables ejemplos de esto son el AMULET,
que implementa la arquitectura del ARM, y el MiniMIPS, compatible con el MIPS
R3000. En lugar de remover totalmente la señal del reloj, algunos diseños
de CPU permiten a ciertas unidades del dispositivo ser asincrónicas,
como por ejemplo, usar ALUs asincrónicas en conjunción con pipelining
superescalar para alcanzar algunas ganancias en el desempeño aritmético.
Mientras que no está completamente claro si los diseños totalmente
asincrónicos pueden desempeñarse a un nivel comparable o mejor
que sus contrapartes síncronas, es evidente que por lo menos sobresalen
en las más simples operaciones matemáticas. Esto, combinado con
sus excelentes características de consumo de energía y disipación
de calor, los hace muy adecuados para sistemas embebidos .

La descripción de la operación básica de un CPU ofrecida en la sección anterior describe la forma más simple que puede tomar un CPU. Este tipo de CPU, usualmente referido como subescalar, opera sobre y ejecuta una sola instrucción con una o dos piezas de datos a la vez.

Este proceso da lugar a una ineficacia inherente en CPUs subescalares. Puesto que solamente una instrucción es ejecutada a la vez, todo el CPU debe esperar que esa instrucción se complete antes de proceder a la siguiente instrucción. Como resultado, el CPU subescalar queda "paralizado" en instrucciones que toman más de un ciclo de reloj para completar su ejecución. Incluso la adición de una segunda unidad de ejecución (ver abajo) no mejora mucho el desempeño. En lugar de un camino quedando congelado, ahora dos caminos se paralizan y aumenta el número de transistores no usados. Este diseño, en donde los recursos de ejecución del CPU pueden operar con solamente una instrucción a la vez, solo puede, posiblemente, alcanzar el desempeño escalar (una instrucción por ciclo de reloj). Sin embargo, el desempeño casi siempre es subescalar (menos de una instrucción por ciclo).

Las tentativas de alcanzar un desempeño escalar y mejor, han resultado en una variedad de metodologías de diseño que hacen comportarse al CPU menos linealmente y más en paralelo. Cuando se refiere al paralelismo en los CPU, generalmente son usados dos términos para clasificar estas técnicas de diseño.

TLP: ejecución simultánea de hilos.

Otra estrategia comúnmente usada para aumentar el paralelismo de los
CPU es incluir la habilidad de correr múltiples hilos (programas) al
mismo tiempo. En general, CPUs con alto TLP han estado en uso por mucho más
tiempo que los de alto ILP. Muchos de los diseños en los que Seymour
Cray fue pionero durante el final de los años 1970 y los años1980
se concentraron en el TLP como su método primario de facilitar enormes
capacidades de computación (para su tiempo). De hecho, el TLP, en la
forma de mejoras en múltiples hilos de ejecución, estuvo en uso
tan temprano como desde los años 1950 . En el contexto de diseño
de procesadores individuales, las dos metodologías principales usadas
para lograr el TLP son, multiprocesamiento a nivel de chip, en inglés
chip-level multiprocessing (CMP), y el multihilado simultáneo, en inglés
simultaneous multithreading (SMT). En un alto nivel, es muy común construir
computadores con múltiples CPU totalmente independientes en arreglos
como multiprocesamiento simétrico (symmetric multiprocessing (SMP)) y
acceso de memoria no uniforme (Non-Uniform Memory Access (NUMA)).[12] Aunque
son usados medios muy diferentes, todas estas técnicas logran la misma
meta: incrementar el número de hilos que el CPU(s) puede correr en paralelo.

Los métodos de paralelismo CMP y de SMP son similares uno del otro y
lo más directo. Éstos implican algo más conceptual que
la utilización de dos o más CPU completos y CPU independientes.
En el caso del CMP, múltiples "núcleos" de procesador
son incluidos en el mismo paquete, a veces en el mismo circuito integrado.[13]
Por otra parte, el SMP incluye múltiples paquetes independientes. NUMA
es algo similar al SMP pero usa un modelo de acceso a memoria no uniforme. Esto
es importante para los computadores con muchos CPU porque el tiempo de acceso
a la memoria, de cada procesador, es agotado rápidamente con el modelo
de memoria compartido del SMP, resultando en un significativo retraso debido
a los CPU esperando por la memoria. Por lo tanto, NUMA es considerado un modelo
mucho más escalable, permitiendo con éxito que en un computador
sean usados muchos más CPU que los que pueda soportar de una manera factible
el SMP. El SMT se diferencia en algo de otras mejoras de TLP en que el primero
procura duplicar tan pocas porciones del CPU como sea posible. Mientras es considerada
una estrategia TLP, su implementación realmente se asemeja más
a un diseño superescalar, y de hecho es frecuentemente usado en microprocesadores
superescalares, como el POWER5 de IBM. En lugar de duplicar todo el CPU.

Un menos común pero cada vez más importante paradigma de CPU
(y de hecho, de computación en general) trata con vectores. Los procesadores
de los que se ha hablado anteriormente son todos referidos como cierto tipo
de dispositivo escalar.[14] Como implica su nombre, los procesadores vectoriales
se ocupan de múltiples piezas de datos en el contexto de una instrucción,
esto contrasta con los procesadores escalares, que tratan una pieza de dato
por cada instrucción. Estos dos esquemas de ocuparse de los datos son
generalmente referidos respectivamente como SISD (Single Instruction, Single
Data|) (Simple Instrucción, Simple Dato) y SIMD (Single Instruction,
Multiple Data) (Simple Instrucción, Múltiples Datos). La gran
utilidad en crear CPUs que se ocupen de vectores de datos radica en la optimización
de tareas que tienden a requerir la misma operación, por ejemplo, una
suma, o un producto escalar, a ser realizado en un gran conjunto de datos. Algunos
ejemplos clásicos de este tipo de tareas son las aplicaciones multimedia
(imágenes, vídeo, y sonido), así como muchos tipos de tareas
científicas y de ingeniería. Mientras que un CPU escalar debe
completar todo el proceso de leer, decodificar, y ejecutar cada instrucción
y valor en un conjunto de datos, un CPU vectorial puede realizar una simple
operación en un comparativamente grande conjunto de datos con una sola
instrucción. Por supuesto, esto es solamente posible cuando la aplicación
tiende a requerir muchos pasos que apliquen una operación a un conjunto
grande de datos.

La mayoría de los primeros CPU vectoriales, como el Cray-1, fueron asociados
casi exclusivamente con aplicaciones de investigación científica
y criptografía. Sin embargo, a medida que la multimedia se desplazó
en gran parte a medios digitales, ha llegado a ser significativa la necesidad
de una cierta forma de SIMD en CPUs de propósito general. Poco después
de que comenzara a ser común incluir unidades de coma flotante en procesadores
de uso general, también comenzaron a aparecer especificaciones e implementaciones
de unidades de ejecución SIMD para los CPU de uso general. Algunas de
estas primeras especificaciones SIMD, como el MMX de Intel, fueron solamente
para números enteros. Esto demostró ser un impedimento significativo
para algunos desarrolladores de software, ya que muchas de las aplicaciones
que se beneficiaban del SIMD trataban sobre todo con números de coma
flotante. Progresivamente, éstos primeros diseños fueron refinados
y rehechos en alguna de las comunes, modernas especificaciones SIMD, que generalmente
están asociadas a un ISA. Algunos ejemplos modernos notables son el SSE
de Intel y el AltiVec relacionado con el PowerPC (también conocido como
VMX).[15]

Vease Tambien

Arquitectura de CPU

Unidad de control

Unidad aritmético lógica

Unidad de punto flotante

Coprocesador

Bus interface unit

Unidad de gestión de memoria

Unidad de ejecución

Unidad de proceso

Registro (hardware)

Microcódigo

Barrel shifter

Microprocesador

CISC

RISC

Bus de computadora

Bus de datos

Bus de direcciones

Bus de control

Conjunto de instrucciones

Diseño de CPU

Estado de espera

Ingeniería de computación

Lista de procesadores AMD Athlon 64

Tipos de datos máquina

Socket de CPU

Voltaje del núcleo del CPU

Enfriamiento del CPU

Otro componente El Chasi

Una caja de la computadora (también conocido como un chasis de la computadora,
gabinete, caja, torre, recinto, la vivienda, la unidad del sistema o el caso,
simplemente) es la caja que contiene la mayoría de los componentes de
un ordenador (generalmente sin la pantalla, teclado y ratón). A computer
case is sometimes incorrectly referred to metonymously as a CPU or hard drive
referring to components housed within the case. Una caja de la computadora a
veces se refiere incorrectamente al metonymously como la CPU o unidad de disco
duro se refiere a los componentes alojados dentro del caso. CPU was a more common
term in the earlier days of home computers, when peripherals other than the
motherboard were usually housed in their own separate cases. CPU era un término
más común en los primeros días de las computadoras en casa,
cuando los periféricos que no sean de la placa base se encuentra por
lo general en sus casos por separado.

Algunas computadoras más, porque tienen variasÐU๠unidades de control que trabajan al mismo tiempo. Además, algunos computadores, usados principalmente para investigación, son muy diferentes del modelo anterior, pero no tienen muchas aplicaciones comerciales.

La Torre, en algunos casos vienen en mini-torre, de a mediados tamaños, en algunos casos son típicamente de 22 pulgadas de altura y la intención de pie en el suelo .Tienen lugar desde seis hasta diez bahías, el mas común tamaño de la placa Apple-Inc. ha producido también Mini computadora que es similar en tamaño a un nivel CD-ROM.

Conclusiones

Con el presente trabajo arribamos a las siguientes conclusiones:

Conocer en detalles todas las operaciones que son capaces de realizar las CPU.
Nos permite facilitar para la realización de nuestro trabajo y estudio un una investigación o escribir un texto o realizar un análisis estadístico, entre otros, y saber y observar la operación fundamental de la mayoría de los CPU, que posibilita ejecutar una secuencia de instrucciones almacenadas llamadas "programa".
Los programas son representados por una serie de números que se mantienen en una memoria del computador.

Bibliografía

Texto Básico: Guerra, C. W. (1987).Informática Básica. Pueblo y Educación. La Habana.

Texto Complementario: Freund, J. E. (1971). Estadística Elemental Moderna.

Pueblo y Educación. La Habana.

Textos de Consulta:

砠砠Ayudas de los Software estadísticos.

砠Manrique de Lara Rosell Rodrigo. Páginas Web Análisis Exploratorio.

Revista Wikipedia. Com (Internet)

Autor:

Danays Costa Alonso

GRUPO: 1er año.

CURSO: 2010-2011