Principios de semiconductores y CPU de computadora
El principio de funcionamiento de la CPU es relativamente complejo. Antes de comprender el principio de funcionamiento de la CPU, hablemos brevemente sobre cómo se produce la CPU. La CPU está fabricada de un material de silicio especialmente puro. Un chip de CPU contiene millones de transistores de precisión. La gente graba o fotograba transistores en obleas de silicio del tamaño de una uña. Entonces, en este sentido, la CPU está formada por transistores. En pocas palabras, los transistores son pequeños interruptores electrónicos. Son los componentes básicos sobre los que se construye la CPU. Puedes pensar en un transistor como un interruptor de luz. Tienen un bit de funcionamiento que representa dos estados: encendido y apagado. ¡Este encendido y apagado es equivalente al encendido y apagado del transistor, y estos dos estados corresponden a los estados básicos "0" y "1" en binario! De esta forma, la computadora tiene la capacidad de procesar información.
Pero no creas que el principio de un transistor con sólo dos estados simples de “0” y “1” es simple. De hecho, su desarrollo se logró a través de años de minuciosa investigación por parte de científicos. Antes de la llegada de los transistores, las computadoras dependían de interruptores mecánicos y tubos de vacío lentos e ineficientes para procesar la información. Posteriormente, los investigadores colocaron dos transistores en un cristal de silicio, creando el primer circuito integrado y luego el microprocesador.
Viendo esto, debes querer saber cómo los transistores utilizan las señales electrónicas de "0" y "1" para ejecutar instrucciones y procesar datos. De hecho, todos los dispositivos electrónicos tienen sus propios circuitos e interruptores. El flujo o desconexión de electrones en el circuito está completamente controlado por el interruptor. Si apaga los interruptores, los electrones dejarán de fluir, y si los vuelve a encender, los electrones seguirán fluyendo. Esta conmutación de encendido y apagado del transistor está controlada únicamente por señales eléctricas. Podemos llamar al transistor un dispositivo binario. De esta manera, el estado encendido del transistor se representa por "1" y el estado apagado se representa por "0", formando así el número binario más simple. Las secuencias y patrones especiales de "1" y "0" producidos por muchos transistores pueden representar diferentes situaciones, definidas como letras, números, colores y formas respectivamente. Por ejemplo, 1 en decimal también es "1" en binario, 2 es "10" en binario, 3 es "11", 4 es "100" y 5 es "65438". Se pueden combinar grupos de transistores para almacenar valores numéricos, así como realizar operaciones lógicas y operaciones numéricas. Junto con el control de relojes temporizados, los grupos de transistores realizan sus funciones de forma sincrónica como una máquina compleja.
La estructura interna de la unidad central de procesamiento
Ahora sabemos aproximadamente de qué es responsable la CPU, pero ¿qué componentes son responsables de procesar datos y ejecutar programas?
1. Unidad lógica aritmética
ALU es el núcleo de la unidad aritmética. Se basa en un sumador completo, complementado por un registro de desplazamiento y el circuito lógico de control correspondiente. Bajo la acción de la señal de control, puede completar las cuatro operaciones aritméticas de suma, resta, multiplicación y división y varias operaciones lógicas. Como se mencionó anteriormente, esto equivale a la línea de producción en la fábrica, responsable de calcular los datos.
2. Conjunto de registros RS (conjunto de registros o registro)
RS es esencialmente un lugar de almacenamiento temporal de datos en la CPU, que almacena datos en espera de ser procesados o datos que han sido procesados. . A la CPU le toma menos tiempo acceder a los registros que acceder a la memoria. El uso de registros puede reducir la cantidad de veces que la CPU accede a la memoria, aumentando así la velocidad de trabajo de la CPU. Sin embargo, debido a las limitaciones en el área del chip y la integración, la capacidad del conjunto de registros no puede ser grande. El grupo de registros se puede dividir en registros de propósito especial y registros de propósito general. Las funciones de los registros especiales son fijas y almacenan los datos correspondientes respectivamente. Los registros de propósito general se utilizan ampliamente y el programador puede especificarlos. El número de registros de propósito general varía de un microprocesador a otro.
3. Componentes de control
Al igual que el departamento de logística y distribución de una fábrica, la unidad de control es el centro de mando y control de toda la CPU. Está formada por el registro de instrucciones IR. (registro de instrucciones) y el ID del decodificador de instrucciones. Consta de tres partes (decodificador de instrucciones) y el controlador de operación OC (controlador de operación), que son extremadamente importantes para coordinar el trabajo ordenado de toda la computadora. Saca secuencialmente todas las instrucciones de la memoria y las coloca en el registro de instrucciones IR de acuerdo con el programa preprogramado por el usuario. Determina qué operaciones deben realizarse mediante la decodificación (análisis) de instrucciones y luego envía señales de control de microoperaciones a los componentes correspondientes a través del controlador de operación OC de acuerdo con el tiempo determinado. El controlador de operación OC incluye principalmente lógica de control como generador de impulsos, matriz de control, generador de impulsos de reloj, circuito de reinicio, circuito de arranque y parada, etc.
4. Autobús
Al igual que el canal de comunicación entre varios componentes en una fábrica, el autobús es en realidad un conjunto de cables y una colección de varias líneas de señales públicas. a través del cual todos los componentes de una computadora transportan información. Un bus conectado directamente a la CPU puede denominarse bus local. Incluyendo: bus de datos DB (bus de datos), bus de direcciones AB (bus de direcciones) y bus de control CB (bus de control). Entre ellos, el bus de datos se utiliza para transmitir información de datos; el bus de direcciones se utiliza para transmitir información de dirección enviada por la CPU; el bus de control se utiliza para transmitir señales de control, señales de sincronización e información de estado.
Flujo de trabajo de la CPU
La CPU, que está compuesta por transistores, es el núcleo para procesar datos y ejecutar programas. Su nombre completo en inglés es: Central Processing Unit, o unidad central de procesamiento. En primer lugar, la estructura interna de la CPU se puede dividir en tres partes: unidad de control, unidad de operación lógica y unidad de almacenamiento (incluido el bus interno y el búfer). El principio de funcionamiento de la CPU es como el proceso de procesamiento de productos de una fábrica: las materias primas (instrucciones del programa) que ingresan a la fábrica son enviadas por el departamento de distribución de materiales (unidad de control), enviadas a la línea de producción (unidad de operación lógica) y Los productos terminados (datos procesados) se almacenan en el almacén (unidad de almacenamiento) y finalmente esperan ser vendidos en el mercado (entregados a la aplicación). Durante este proceso, notamos que a partir de la unidad de control, la CPU inició el trabajo formal. El proceso intermedio fue realizado por la unidad de operación lógica y entregado a la unidad de almacenamiento, lo que representó el final del trabajo.
Operación de datos e instrucciones en la CPU
Acabamos de presentar la composición y los principios básicos de la CPU. Ahora, echemos un vistazo a cómo se mueven los datos a través de la CPU. Como todos sabemos, los datos fluyen desde el dispositivo de entrada a través de la memoria, esperando ser procesados por la CPU. La información a procesar se almacena en bytes, es decir, como un número binario de 8 bits, o como 8 bits para almacenar 1 unidad. Esta información puede ser datos o instrucciones. Los datos pueden ser caracteres binarios, números, colores, etc. Las instrucciones le dicen a la CPU qué hacer con los datos, como sumar, restar o desplazar.
Asumimos que los datos en la memoria son los datos primitivos más simples. Primero, el puntero de instrucción informará a la CPU de la ubicación de almacenamiento en la memoria donde se ubicará la instrucción a ejecutar. Debido a que cada unidad de almacenamiento en la memoria tiene un número (llamado dirección), los datos se pueden extraer en función de estas direcciones y enviarse a la unidad de control a través del bus de direcciones. El decodificador de instrucciones toma la instrucción del registro de instrucciones IR y la traduce a un formato que la CPU pueda ejecutar y luego determina qué operaciones necesarias se necesitan para completar la instrucción. Le dice a la unidad aritmética lógica (ALU) cuándo calcular, al lector de instrucciones cuándo obtener el valor y al decodificador de instrucciones cuándo traducir la instrucción.
Si los datos se envían a la unidad lógica aritmética, los datos realizarán operaciones aritméticas y otras operaciones especificadas en la instrucción. Cuando se procesan los datos, se devuelven al registro y continúan ejecutándose a través de diferentes instrucciones o enviándose al búfer de datos a través del bus DB.
Básicamente, así es como la CPU realiza tres tareas básicas: leer datos, procesar datos y escribir datos en la memoria. Pero en circunstancias normales, una instrucción puede contener muchas operaciones realizadas en un orden definido. El trabajo de la CPU es ejecutar estas instrucciones. Después de completar una instrucción, la unidad de control de la CPU le dice al lector de instrucciones que lea la siguiente instrucción de la memoria para su ejecución. Este proceso se repite rápida y continuamente, y una instrucción tras otra se ejecuta rápidamente, produciendo los resultados que ve en el monitor. Podemos imaginar fácilmente que al procesar tantas instrucciones y datos, debido a la diferencia de tiempo entre la transmisión de datos y el procesamiento de la CPU, definitivamente habrá un caos en el procesamiento.
Para garantizar que cada operación se realice a tiempo, la CPU necesita un reloj para controlar cada acción realizada por la CPU. El reloj es como un metrónomo que emite continuamente pulsos que determinan el ritmo y el tiempo de procesamiento de la CPU. Esta es la velocidad nominal de la CPU con la que estamos familiarizados, también conocida como velocidad de reloj. Cuanto mayor sea el valor de la frecuencia del reloj, más rápido funcionará la CPU.