¿Qué es la Unidad Central de Procesamiento?
La Unidad Central de Procesamiento (CPU), es el componente central de cualquier computadora.
Es un microprocesador que se encarga de realizar la mayor parte del trabajo en la computadora y es responsable de llevar a cabo las instrucciones del programa.
La CPU se encuentra en el corazón de la arquitectura de una computadora, conectada a través del bus de sistema con la memoria, los dispositivos de entrada/salida y otros componentes.
Es responsable de realizar todas las operaciones matemáticas y lógicas, controlar la transferencia de datos entre la memoria y los dispositivos de entrada/salida, y manejar todas las instrucciones del programa.
Consta de tres componentes principales: la unidad de control, la unidad aritmética-lógica y los registros.
La unidad de control es responsable de controlar el flujo de datos y las instrucciones de un programa, leyendo las instrucciones desde la memoria y decodificándolas para que la unidad aritmética-lógica las procese.
También es responsable de controlar el flujo de datos dentro de la CPU y de enviar los resultados al bus de sistema para su almacenamiento en la memoria o envío a los dispositivos de entrada/salida.
La unidad aritmética-lógica es responsable de realizar todas las operaciones matemáticas y lógicas en la CPU, como la suma, la resta, la multiplicación y la división, así como también la comparación de valores y la realización de operaciones booleanas.
Los registros son pequeñas unidades de almacenamiento dentro del microprocesador que se utilizan para almacenar temporalmente datos y resultados durante el procesamiento.
También se utilizan para almacenar información sobre el estado actual del microprocesador, como el contador de programa y el registro de estado.
La CPU trabaja en ciclos, cada uno de los cuales consta de cuatro etapas: recuperación, decodificación, ejecución y almacenamiento.
Durante la etapa de recuperación, la CPU lee la próxima instrucción del programa desde la memoria.
Durante la etapa de decodificación, la unidad de control interpreta la instrucción y la prepara para su procesamiento.
Durante la etapa de ejecución, la unidad aritmética-lógica realiza la operación indicada por la instrucción.
Durante la etapa de almacenamiento, los resultados de la operación se guardan en la memoria o se envían a los dispositivos de entrada/salida.
La velocidad de la CPU se mide en hercios, que indican el número de ciclos que puede realizar por segundo.
Su velocidad puede variar en función de su arquitectura, la cantidad de núcleos de procesamiento y la frecuencia de reloj.
La CPU es un componente crítico en la arquitectura de cualquier computadora moderna.
A medida que la tecnología continúa avanzando, se está volviendo cada vez más rápida y eficiente, lo que permite a las computadoras realizar tareas más complejas y procesar grandes cantidades de datos en un tiempo cada vez más reducido.
¿Cómo funciona la unidad central de proceso?
El funcionamiento de la unidad central de proceso implica una serie de pasos que se ejecutan en secuencia.
A continuación se describen los pasos generales en el funcionamiento de un microprocesador:
- Recuperación: recupera la instrucción siguiente del programa desde la memoria. La memoria almacena el programa que se va a ejecutar y la lee secuencialmente.
- Decodificación: una vez que ha recuperado la siguiente instrucción del programa, la unidad de control (UC) la decodifica para determinar qué operación debe realizar la CPU.
- Ejecución: la unidad aritmética-lógica (ALU) realiza la operación que se ha decodificado. Por ejemplo, si la instrucción es una suma, la ALU sumará dos valores y generará un resultado.
- Almacenamiento: los resultados de la operación se almacenan temporalmente en un registro interno de la CPU. La CPU también puede enviar los resultados a la memoria o a un dispositivo de salida, como una pantalla.
- Ciclo de reloj: después de completar una instrucción, la CPU espera a que el ciclo de reloj termine antes de comenzar la siguiente instrucción. Es un ciclo de tiempo en el que el microprocesador realiza todas las tareas necesarias para ejecutar una instrucción. La velocidad de reloj se mide en hercios y determina la cantidad de instrucciones que puede ejecutar por segundo.
- Repetición: el proceso se repite desde el principio con la recuperación de la siguiente instrucción del programa. La CPU sigue ejecutando las instrucciones del programa hasta que se complete.
En resumen, el microprocesador sigue una secuencia de pasos para ejecutar un programa.
Recupera la siguiente instrucción del programa, la decodifica, ejecuta la operación, almacena el resultado y espera el ciclo de reloj antes de comenzar la siguiente instrucción.
Este proceso se repite hasta que se hayan ejecutado todas las instrucciones del programa.
Este componente suele tener una forma cuadrada, como un dado pequeño con muchos conectores cortos, redondos y metálicos en la parte inferior. Algunas más antiguas tienen pines en lugar de conectores metálicos.
Se conecta directamente a un zócalo de la placa base. Se inserta en el zócalo del lado de los pines o contactos hacia abajo y una pequeña palanca permite asegurarla para que quede fija.
Después de funcionar incluso por poco tiempo, las unidades centrales de proceso pueden calentarse demasiado.
Para ayudar a disipar este calor, casi siempre es necesario conectar un disipador y un ventilador directamente en la parte superior de este componente. Por lo general, estos vienen incluidos.
Otras opciones de refrigeración más avanzadas también están disponibles, incluidos los kits de refrigeración líquida y las unidades de cambio de fase.
Como se mencionó anteriormente, no todas las unidades centrales de proceso tienen pines en su parte inferior, que se pueden doblar fácilmente al maniobrarlo, por lo que hay que tener mucho cuidado con su manipulación, especialmente cuando se instala por primera vez.
La imagen anterior es un ejemplo de cómo puede verse la parte inferior y superior de un microprocesador AMD Ryzen.
Este se coloca y asegura en un zócalo compatible que se encuentra en la placa base.
Estos producen calentamiento, por lo que están cubiertos de un disipador de calor para mantenerlos frescos y cumplan su función sin problemas y así ayudar a transferir el calor entre la CPU y el disipador.
Volviendo a la imagen anterior, el chip de la CPU generalmente es cuadrado con una esquina con muescas para ayudar a asegurarse que esté correctamente insertado en su zócalo.
En la parte inferior hay cientos de clavijas de conexión que corresponden a los orificios del zócalo.
Hoy en día, la mayoría de las CPU son muy similares en aspecto al de la imagen anterior.
A lo largo de los años, hubo varios tipos de conectores en las placas bases.
Cada zócalo solo admite tipos específicos de procesadores y cada uno tiene su propio diseño de pines.
Su función principal es tomar la entrada de un periférico (teclado, mouse, impresora, monitor, etc.) o cualquier otro programa de PC e interpretar lo que necesita.
Luego, envía información hacia el monitor o impresora, o realiza la tarea correspondiente hacia el periférico que la solicita.
Componentes principales de la CPU
Los componentes principales de una CPU son los siguientes:
- Unidad de control (UC): la UC es responsable de controlar el flujo de datos y las instrucciones de un programa. Lee las instrucciones desde la memoria y las decodifica para que la unidad aritmética-lógica las procese. También es responsable de controlar el flujo de datos dentro de la CPU y de enviar los resultados al bus de sistema para su almacenamiento en la memoria o envío a los dispositivos de entrada/salida.
- Unidad aritmética-lógica (ALU): la ALU es responsable de realizar todas las operaciones matemáticas y lógicas en la CPU, como la suma, la resta, la multiplicación y la división, así como también la comparación de valores y la realización de operaciones booleanas.
- Registros: son pequeñas unidades de almacenamiento dentro de la CPU que se utilizan para almacenar temporalmente datos y resultados durante el procesamiento. También se utilizan para almacenar información sobre el estado actual del microprocesador, como el contador de programa y el registro de estado.
- Bus de sistema: es un conjunto de líneas que se utiliza para la transferencia de datos entre la CPU, la memoria y los dispositivos de entrada/salida. Se utiliza para transmitir datos, direcciones y señales de control.
- Memoria caché: es un tipo de memoria de acceso rápido que se utiliza para almacenar datos y programas que se utilizan con frecuencia. Permite que la CPU acceda a los datos más rápidamente que si tuviera que acceder a la memoria principal cada vez.
A lo largo de la historia con los microprocesadores de computadoras, la velocidad del reloj y las capacidades de la CPU han mejorado dramáticamente.
Como dato histórico, el primer microprocesador fue Intel 4004 que se lanzó el 15 de noviembre de 1971, tenía 2.300 transistores y realizaba 60.000 operaciones por segundo.
Intel Pentium tiene 3.300.000 transistores y realiza alrededor de 188.000.000 instrucciones por segundo.
En resumen, los componentes principales de una CPU son la unidad de control, la unidad aritmética-lógica, los registros, el bus de sistema y la memoria caché.
Juntos, permiten procesar datos y ejecutar instrucciones de manera más eficiente y rápida.
Tipos de unidades centrales de procesamiento
En el pasado, los procesadores para computadoras usaban números identificativos para reconocerlos y así ayudar a identificar los más rápidos.
Por ejemplo, Intel 80486 (486) es más rápida que Intel 80386 (386).
Después de la introducción de Intel Pentium (que técnicamente sería el 80586), todos los microprocesadores para PC comenzaron a usar nombres como Athlon, Duron, Pentium y Celeron.
Hoy en día, además de los diferentes nombres de los microprocesadores de PC, existieron arquitecturas de 32 bits y 64 bits, así como velocidades y capacidades.
En términos generales, los tipos de CPU que se utilizan en computadoras se dividen en dos categorías principales: para PC de escritorio y para dispositivos portátiles.
- CPU para PC de escritorio: estas se utilizan en computadoras de escritorio. Suelen ser grandes y poderosas, y generalmente tienen múltiples núcleos. Algunos ejemplos son Intel Core i9, AMD Ryzen 9, Intel Core i7, AMD Ryzen 7, entre otros.
- CPU para dispositivos portátiles: estas se utilizan en dispositivos móviles como laptops, tabletas y celulares. Son más pequeñas y eficientes en energía que las de escritorio. Algunos ejemplos son Intel Core i7, AMD Ryzen 7, Intel Core i5, AMD Ryzen 5, entre otros.
En ambas categorías, existen diferentes modelos de CPU con características y especificaciones diferentes.
También es importante mencionar que su tecnología está en constante evolución, por lo que pueden aparecer nuevos modelos o actualizaciones de los ya existentes.
A continuación se muestra una lista de los tipos más comunes de procesadores para computadoras domésticas o comerciales:
Procesadores AMD
En la siguiente tabla se muestra una lista de los microprocesadores AMD, cada columna especifica de izquierda a derecha, los modelos más antiguos a los más nuevos.
| K6-2 | Sempron | Turion 64 | Phenom X3 | Athlon II |
| K6-III | Athlon 64 | Athlon 64 X2 | Athlon 6-series | E2 series |
| Athlon | Mobile Athlon 64 | Turion 64 X2 | Athlon 4-series | A4 series |
| Duron | Athlon XP-M | Phenom FX | Athlon X2 | A6 series |
| Athlon XP | Athlon 64 FX | Phenom X4 | Phenom II | A8 series |
| A10 series |
Procesadores Intel
En la siguiente tabla se muestra una lista de los microprocesadores Intel, cada columna especifica de izquierda a derecha, los modelos más antiguos a los más nuevos.
| 4004 | Pentium | Pentium 4 | Pentium Extreme Edition | Core i3 |
| 8080 | Pentium w/ MMX | Mobile Pentium 4-M | Core Duo | Core i5 |
| 8086 | Pentium Pro | Pentium D | Core 2 Duo | Core i7 |
| 8087 | Pentium II | Core i9 | ||
| 8088 | Celeron | |||
| 80286 (286) | Pentium III | |||
| 80386 (386) | Pentium M | |||
| 80486 (486) | Celeron M |
Las series AMD Opteron e Intel Itanium y Xeon, son procesadores que se utilizan en servidores y estaciones de trabajo de alta gama.
Algunos dispositivos móviles, usan ARM. Estas son más pequeñas, requieren menos energía y generan menos calor.
Cómo elegir la mejor CPU: preguntas y respuestas
A continuación, una serie de preguntas y respuestas te dará una amplia idea de la CPU que debes elegir según tus necesidades.
¿Qué tan rápido transfiere datos una CPU?
Al igual que con cualquier dispositivo que utiliza señales eléctricas, los datos viajan muy cerca de la velocidad de la luz, que son a 299.792.458 m/s.
Qué tan cerca de la velocidad de la luz puede llegar una señal, depende del medio (alambre de metal) a través del cual viaja.
La mayoría de las señales eléctricas viajan entre un 75% y un 90% a la velocidad de la luz.
¿Qué función cumple la velocidad de reloj de una CPU?
La velocidad de reloj es la cantidad de instrucciones que puede procesar en un segundo determinado medido en Gigahertz (GHz).
Por ejemplo, una CPU tiene una velocidad de reloj de 1 Hz si puede procesar una instrucción cada segundo.
Extrapolando esto a un ejemplo más real: una unidad central de proceso con una velocidad de reloj de 3.0 GHz puede procesar 3 mil millones de instrucciones por segundo.
¿Qué son los núcleos de una CPU?
Algunos dispositivos tienen un procesador de un solo núcleo, mientras que otros pueden tener un procesador de doble núcleo (o cuatro u ocho núcleos).
Como ya podría ser evidente, tener dos procesadores trabajando lado a lado significa que la CPU puede administrar simultáneamente el doble de instrucciones por segundo, lo que mejora drásticamente el rendimiento.
Algunas CPU pueden virtualizar dos núcleos por cada núcleo físico disponible, función conocida como Hyper-threading.
La virtualización significa que una CPU con solo cuatro núcleos puede funcionar como si tuviera ocho mediante los núcleos virtuales adicionales denominados hilos o subprocesos.
Sin embargo los núcleos físicos, funcionan mejor que los virtuales.
Si el microprocesador lo permite, algunas aplicaciones pueden utilizar lo que se denomina Multi-Threading.
Si un hilo se entiende como una sola parte del procesamiento de una computadora, entonces usar múltiples hilos en un único núcleo significa que se pueden entender y procesar más instrucciones a la vez.
Algunos programas pueden aprovechar esta función con más de un núcleo, lo que significa que se pueden procesar aún más instrucciones simultáneamente.
Ejemplos de una CPU Intel Core i3 vs i5 vs i7
Para un ejemplo más específico de cómo algunos microprocesadores son más rápidos que otros, veamos cómo Intel los ha desarrollado.
Los chips i7 funcionan mejor que los chips i5, que a su vez funcionan mejor que los chips i3.
Por qué uno se desempeña mejor o peor que otros es un tema algo más complejo, aunque aún así es bastante fácil de entender.
Los chips Intel Core i3 son de doble núcleo, mientras que los chips i5 e i7 son de cuatro núcleos.
La tecnología Turbo Boost es una característica de los chips i5 e i7 que permite que el microprocesador aumente su velocidad de reloj más allá de su velocidad base, como de 3.0 GHz a 3.5 GHz, siempre que lo necesites. Los chips i3 no tienen esta capacidad.
Los modelos de procesador que terminan en ‘K’ pueden ser overclockeados, lo que significa que esta velocidad de reloj adicional puede forzarse y utilizarse todo el tiempo.
La función Hyper-Threading como ya se mencionó, permite procesar dos hilos por cada núcleo de la CPU.
Esto significa que los procesadores i3 con Hyper-Threading de Intel admiten solo cuatro hilos simultáneos (ya que son procesadores de doble núcleo)
Los procesadores i5 no son compatibles con Hyper-Threading, lo que significa que también pueden trabajar con cuatro hilos al mismo tiempo.
Sin embargo, los procesadores i7 soportan esta tecnología y por lo tanto (al ser de cuatro núcleos) pueden procesar ocho hilos simultáneamente.
Debido a las restricciones de energía inherentes a los dispositivos que no tienen un suministro continuo de energía (productos alimentados por batería como son los teléfonos inteligentes, tabletas, celulares etc.), sus procesadores, independientemente de si son i3, i5 o i7, difieren de las PC de escritorio.
Las CPU tienen que encontrar un equilibrio entre el rendimiento y el consumo de energía.
Conclusiones
Ni la velocidad de reloj ni el número de núcleos de una CPU son el único factor que determina si es mejor que otro.
Normalmente depende más del tipo de software que se ejecute en la computadora o de las aplicaciones que utilice dicha CPU.
Un microprocesador puede tener una velocidad de reloj baja aunque sea un procesador de cuatro núcleos, mientras que otro puede tener una velocidad de reloj alta aunque sea un procesador de doble núcleo.
De nuevo, decidir qué microprocesador superará a otro, depende completamente para qué se utilizará.
Por ejemplo, un programa de edición de video que requiera una CPU que funcione mejor en múltiples núcleos, va a funcionar mejor en un procesador multinúcleo con bajas velocidades de reloj que en una CPU de un solo núcleo con altas velocidades de reloj.
No todos los programas, juegos, entre otras aplicaciones pueden aprovechar más que uno o dos núcleos, lo que hace que los núcleos disponibles de una CPU sean bastante inútiles.
Otro componente importante es la memoria caché. Es como un lugar de espera temporal para los datos comúnmente utilizados.
En lugar de llamar a la memoria RAM principal para estos propósitos, la CPU determina qué datos deberá seguir usando, suponiendo en caso que los quiera seguir usando y así almacenarlos en la caché.
Por lo tanto, la memoria caché es más rápida que la memoria RAM porque es una parte física del microprocesador.
A mayor caché significa más espacio para almacenar dicha información.
Si la computadora puede ejecutar un sistema operativo de 32 o 64 bits, depende del tamaño de las unidades de datos que la CPU pueda manejar.
Se puede acceder a más memoria a la vez y en partes más grandes con un procesador de 64 bits que con uno de 32 bits, razón por la cual los sistemas operativos y las aplicaciones que sean específicas con 64 bits, no podrán ejecutarse en una CPU de 32 bits.
Cada placa base solo admite un cierto rango de tipos de microprocesadores, por lo que siempre tendrás que consultar con el manual de su fabricante antes de realizar una compra.
Ventajas y desventajas de una CPU
A continuación, detallamos algunas ventajas y desventajas de las CPU para computadoras y dispositivos móviles:
Ventajas
- Rendimiento: es el componente clave que determina la velocidad y el rendimiento general de una PC. Una CPU más potente significa un mejor rendimiento general del sistema.
- Capacidad de multitarea: una CPU potente permite a la PC realizar varias tareas al mismo tiempo sin ralentizarse o bloquearse.
- Actualización: son uno de los componentes más fáciles de actualizar en una PC. Una actualización puede mejorar significativamente su rendimiento.
- Eficiencia energética: las CPU modernas están diseñadas para ser más eficientes en cuanto al consumo de energía, lo que significa que consumen menos energía y generan menos calor.
Desventajas
- Calentamiento: generan una gran cantidad de calor, lo que puede ser un problema si no se disipa adecuadamente. Esto puede provocar una disminución en su rendimiento y daños a largo plazo si no se controla.
- Costo: las CPU más potentes pueden ser bastante caras, lo que puede aumentar su costo general especialmente para una computadora.
- Obsolescencia: su tecnología evoluciona rápidamente, lo que se traduce que las de última generación pueden quedar obsoletas en unos pocos años.
- Limitaciones del sistema: su rendimiento puede estar limitada por otros componentes del sistema, como la memoria RAM, la tarjeta gráfica o el disco duro. En algunos casos, actualizarla no mejorará el rendimiento general del sistema.