CPU Unidad De Almacenamiento

La unidad central de procesamiento, CPU (por sus siglas del inglés Central ProcessingUnit), o, simplemente, el procesador es el componente en una computadora digital que interpreta las instrucciones y procesa los datos contenidos en los programas de computadora. Las CPU proporcionan la característica fundamental de la computadora digital, laprogramabilidad, y son uno de los componentes necesarios encontrados en las computadorasde 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. Desde mediados de los años 1970, los microprocesadores de un solo chip han reemplazado casi totalmente todos los tipos de CPU, y hoy en día, el término "CPU" es aplicado usualmente a todos los microprocesadores. Si bien lo correcto sería decir la CPU (por ser la unidad central de procesamiento), está muy extendido el término en masculino: el CPU.

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

Las primeras CPU fueron diseñadas 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, hastateléfonos móviles o celulares, juguetes, entre otros.

Tabla de contenidos

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• 1 Historia

o 1.1 CPU de transistores y de circuitos integrados discretos

o 1.2 Microprocesadores

• 2 Operación del CPU

• 3 Diseño e implementación

o 3.1 Rango de enteros

o 3.2 Frecuencia de reloj

o 3.3 Paralelismo

 3.3.1 ILP: Entubado de instrucción y arquitectura superescalar

 3.3.2 TLP: Ejecución simultánea de hilos

o 3.4 Procesadores vectoriales y el SIMD

• 4 Véase también

• 5 Notas

• 6 Referencias

• 7 Enlaces externos

Historia [editar]

El EDVAC, una de los primeras computadores de programas almacenados electrónicamente.

Artículo principal: Historia del hardware

Antes del advenimiento de las máquinas parecidas a los CPU de hoy, computadores como elENIAC tenían que ser físicamente recableados para poder realizar tareas diferentes. Estas máquinas eran a menudo referidas como "computadores de programa fijo", puesto que tenían que ser reconfiguradas físicamente para correr un programa diferente. Puesto que el término "CPU" es generalmente definido como un dispositivo de ejecución de software (programa de computadora), los primeros dispositivos que podían ser llamados correctamente como CPU vinieron con el advenimiento de la computadora con programa almacenado.

La idea de una computadora con programa almacenado ya estaba presente durante el diseño del ENIAC, pero fue omitida inicialmente para que la máquina pudiera ser terminada más pronto. El 30 de junio de 1945, antes de que el ENIAC incluso fuera terminado, el matemáticoJohn von Neumann distribuyó el trabajo titulado "Primer Borrador de un Reporte sobre el EDVAC". Este trabajo, cuya autoría principal hoy se les reconoce a John Presper Eckert yJohn William Mauchly,1 esbozó el diseño de una computadora con programa almacenado que finalmente sería terminado en agosto de 1949 . El EDVAC fue diseñado para efectuar un número determinado de instrucciones (u operaciones) de varios tipos. Estas instrucciones podían combinarse para crear programas útiles para ser ejecutados por el EDVAC. Significativamente, los programas escritos para el EDVAC fueron almacenados en memoria de la computadora de alta velocidad en lugar de ser especificados por el cableado físico de la computadora. Esto superó una severa limitación del ENIAC, que era la gran cantidad de tiempo y esfuerzo que tomaba reconfigurar el computador para realizar una nueva tarea. Con el diseño de Eckert-Mauchly, el programa, o el software, que el EDVAC corría, podía ser reemplazado simplemente cambiando el contenido de la memoria del computador.2

Debe ser notado que mientras que von Neumann es acreditado más frecuentemente por el diseño del computador con programa almacenado debido a su diseño del EDVAC, otros antes de él, como Konrad Zuse, habían sugerido ideas similares. Además, la llamada arquitectura Harvard del Harvard Mark I, que fue terminada antes del EDVAC, también utilizó un diseño con programa almacenado empleando cinta de papel perforada en vez de memoria electrónica. La diferencia clave entre las arquitecturas de Eckert-Mauchly y la de Harvard es que la última separa el almacenamiento y el tratamiento de las instrucciones y de los datos del CPU, mientras que la primera usa el mismo espacio de memoria para ambos. La mayoría de los CPU modernos son diseños de Eckert-Mauchly en su mayor parte, pero también son vistos comúnmente elementos de la arquitectura de Harvard.

Siendo dispositivos digitales todos los CPU tratan con estados discretos, y por lo tanto requieren una cierta clase de 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.3 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 100kHz hasta 4 MHz, limitado en gran parte por la velocidad de los dispositivos de conmutación con los que fueron construidos.

CPU de transistores y de circuitos integrados discretos [editar]

CPU, memoria de núcleo, e interface de bus externo de un MSIPDP-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 transistorizados 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 relés eléctricos. Con esta mejora, fueron construidos CPUs 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 ICs. Los CPU basadas en estos IC de "bloques de construcción" generalmente son referidos como dispositivos de pequeña escala de integración "small-scale

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