¿Qué es la unidad central de pro­ce­sa­mie­n­to (CPU)?

Se podría decir que la CPU es el corazón de tu ordenador, ya que contiene toda la potencia de cálculo esencial para las tareas que el ordenador debe realizar cada día.

CPU es la abre­via­tu­ra de Central Pro­ce­s­si­ng Unit (Unidad Central de Pro­ce­sa­mie­n­to en español) que se encuentra en un ordenador. Pero también se puede hablar si­m­ple­me­n­te de pro­ce­sa­dor. El pro­ce­sa­dor es el co­m­po­ne­n­te de hardware central y, por tanto, la base del ordenador. Sin ella, un ordenador no puede funcionar en absoluto. Esto se debe pri­n­ci­pa­l­me­n­te a que la CPU es re­s­po­n­sa­ble de todos los cálculos ne­ce­sa­rios para que funcione.

Para entender la im­po­r­ta­n­cia de la CPU, hay que tener co­no­ci­mie­n­tos sobre el fu­n­cio­na­mie­n­to básico de un ordenador. Los cálculos del ordenador se llevan a cabo mediante los comandos de máquina, que se pueden co­n­si­de­rar como in­s­tru­c­cio­nes para el pro­ce­sa­dor. Cabe señalar que estos comandos pueden re­pre­se­n­tar­se con el código binario, es decir, como se­cue­n­cias de ceros y unos. Esto es ju­s­ta­me­n­te lo que ocurre en el ordenador, ya que la CPU solo puede procesar in­s­tru­c­cio­nes en código binario.

No existe un solo pro­ce­sa­dor, sino toda una gama de CPU di­fe­re­n­tes. Estos pueden di­s­ti­n­gui­r­se pri­n­ci­pa­l­me­n­te en función del número de núcleos que tiene el pro­ce­sa­dor. Sin embargo, los tipos de pro­ce­sa­do­res también pueden di­fe­re­n­ciar­se según el campo de apli­ca­ción de las CPU. Y, por supuesto, los fa­bri­ca­n­tes también pueden variar. Dos fa­bri­ca­n­tes muy conocidos son Intel y AMD, que prá­c­ti­ca­me­n­te dominan el mercado.

Las Single Core CPU tienen un núcleo de pro­ce­sa­dor, por lo que solo puede realizar una tarea a la vez. Este tipo es el más antiguo y no se utiliza con tanta fre­cue­n­cia, dado que la pa­ra­le­li­za­ción desempeña un papel fu­n­da­me­n­tal en muchas apli­ca­cio­nes modernas.

A di­fe­re­n­cia de los pro­ce­sa­do­res de un solo núcleo, las Multi Core CPU tienen varios núcleos de pro­ce­sa­dor. Suelen tener dos o cuatro núcleos en total (Dual o Quad Core), pero también puede haber algunos con un mayor número de núcleos. Estos últimos se utilizan es­pe­cia­l­me­n­te para el fu­n­cio­na­mie­n­to de se­r­vi­do­res. En cuanto a la ventaja de los pro­ce­sa­do­res de varios núcleos: gracias a las di­fe­re­n­tes unidades in­de­pe­n­die­n­tes, son capaces de realizar varias tareas en paralelo, lo que permite un trabajo más fluido y rápido.

Si tienes un ordenador co­n­ve­n­cio­nal, dispones de la llamada CPU de es­cri­to­rio. Estos son los pro­ce­sa­do­res que se instalan en los or­de­na­do­res de es­cri­to­rio. Muchos pro­ce­sa­do­res de es­cri­to­rio modernos también incluyen una tarjeta gráfica integrada, que es su­fi­cie­n­te para las apli­ca­cio­nes estándar.

Bá­si­ca­me­n­te, no hay mucha di­fe­re­n­cia entre los pro­ce­sa­do­res de los or­de­na­do­res de es­cri­to­rio y los po­r­tá­ti­les. En la mayoría de los casos, se di­fe­re­n­cian pri­n­ci­pa­l­me­n­te en el consumo de energía. En términos generales, sin embargo, las CPU de los or­de­na­do­res de es­cri­to­rio se co­n­si­de­ran más potentes que las de los po­r­tá­ti­les.

Los pro­ce­sa­do­res de servidor son di­fe­re­n­tes de las CPU uti­li­za­das en los or­de­na­do­res co­n­ve­n­cio­na­les y po­r­tá­ti­les: tienen un mayor número de núcleos para poder realizar muchas ope­ra­cio­nes si­mu­l­tá­nea­me­n­te y de forma eficiente. Además, los se­r­vi­do­res suelen funcionar durante todo el día, por lo que la alta carga puede co­m­pe­n­sar­se mediante el número de núcleos.

El pro­ce­sa­dor lleva a cabo las tareas ese­n­cia­les de tu ordenador. Y, a grandes rasgos, la CPU realiza las si­guie­n­tes tres tareas pri­n­ci­pa­les:

1. Pro­ce­sa­mie­n­to de in­s­tru­c­cio­nes. La unidad de cálculo procesa los comandos recibidos y devuelve los re­su­l­ta­dos co­rre­s­po­n­die­n­tes.
2. Co­mu­ni­ca­ción con los di­s­po­si­ti­vos de entrada y salida o la periferia. La unidad de control se encarga de esta tarea, así como de la in­ter­ac­ción de los co­m­po­ne­n­tes in­di­vi­dua­les del pro­ce­sa­dor entre sí.
3. In­te­r­ca­m­bio de datos. Un ordenador co­n­ve­n­cio­nal tiene varios co­m­po­ne­n­tes, como por ejemplo di­fe­re­n­tes tipos de memoria o la tarjeta gráfica. Gracias al sistema de bus, el pro­ce­sa­dor puede ga­ra­n­ti­zar el envío de datos de ida y vuelta entre los co­m­po­ne­n­tes.

La mayoría de las CPU modernas están co­m­pue­s­tas por varios núcleos idénticos. Dentro de estos núcleos hay di­fe­re­n­tes co­m­po­ne­n­tes: por lo menos un núcleo incluye una unidad de cálculo, registros, una unidad de control y un sistema de bus.

• Unidad de cálculo: la unidad de cálculo (en inglés Ari­th­me­tic Logic Unit o ALU) lleva a cabo los cálculos de funciones ari­t­mé­ti­cas y lógicas.
• Registros: los registros son memorias a las que se puede acceder rá­pi­da­me­n­te, dado que están cerca de la unidad de cálculo.
• Unidad de control: la unidad de control (en inglés Control Unit) se encarga ese­n­cia­l­me­n­te de la secuencia de pro­ce­sa­mie­n­to de comandos.
• Sistema de bus: el sistema de bus consiste en líneas de datos que conectan los co­m­po­ne­n­tes de un ordenador.

Además de los co­m­po­ne­n­tes centrales que acabamos de mencionar, las CPU pueden contener otros co­m­po­ne­n­tes que se han vuelto in­di­s­pe­n­sa­bles en los pro­ce­sa­do­res modernos:

• Memory Ma­na­ge­me­nt Unit: la unidad de gestión de la memoria (MMU), gestiona el acceso a la memoria RAM del ordenador tra­du­cie­n­do las di­re­c­cio­nes de memoria virtual en di­re­c­cio­nes físicas.
• Caché: la caché es una memoria in­te­r­me­dia rápida, a menudo de varios niveles.
• Unidad de coma flotante: la unidad de coma flotante es una unidad ari­t­mé­ti­ca es­pe­cia­li­za­da que se encarga de manejar los números decimales.

La CPU procesa las in­s­tru­c­cio­nes in­di­vi­dua­les con una rapidez increíble. Si, por ejemplo, pulsas una tecla, no­r­ma­l­me­n­te deberías ver la letra co­rre­s­po­n­die­n­te en el monitor de forma inmediata. Pero, para que el pro­ce­sa­mie­n­to se realice sin problemas, se deben llevar a cabo varios pasos en segundo plano. La secuencia básica del pro­ce­sa­mie­n­to de comandos puede dividirse en cuatro fases ese­n­cia­les:

1. Fetch: en primer lugar, se lee la dirección del siguiente comando de máquina que está en la memoria de trabajo del ordenador.
2. Decode: a co­n­ti­nua­ción, se de­s­co­di­fi­ca el comando y se cargan los circuitos co­rre­s­po­n­die­n­tes.
3. Fetch Operands: después de finalizar paso dos, todos los pa­rá­me­tros ne­ce­sa­rios para el comando se cargan en los registros. Los re­s­pe­c­ti­vos valores para los registros pueden en­co­n­trar­se en la memoria principal, en la memoria RAM o en la caché.
4. Execute: fi­na­l­me­n­te, se ejecuta el comando.

Estas cuatro fases se repiten prá­c­ti­ca­me­n­te en un bucle continuo: una vez que se ha co­m­ple­ta­do un comando, se se­le­c­cio­na el siguiente para ser procesado por el pro­ce­sa­dor. En cuanto al orden de ejecución de los comandos, este depende del pro­ce­di­mie­n­to de pro­gra­ma­ción. Mediante una pla­ni­fi­ca­ción adecuada, pueden ga­ra­n­ti­zar que el sistema se comporte de forma equi­li­bra­da.

El re­n­di­mie­n­to o la potencia de un pro­ce­sa­dor depende de varios factores. Por un lado, se puede cla­si­fi­car el tamaño de palabra como relevante. Este factor se utiliza para indicar la longitud que puede tener una palabra de máquina. Así se puede de­te­r­mi­nar, por ejemplo, cuántos bits se pueden leer de la memoria de trabajo al mismo tiempo o en qué rango se pueden procesar números enteros o de coma flotante. La mayoría de los or­de­na­do­res tienen un tamaño de palabra de 32 o 64 bits.

El número de núcleos de la CPU también es un factor que juega un papel decisivo cuando se quiere evaluar el re­n­di­mie­n­to de un pro­ce­sa­dor: cuantos más núcleos tenga un pro­ce­sa­dor, más tareas podrán pro­ce­sar­se en paralelo. También hay que tener en cuenta que, a medida que aumenta el número de núcleos, la di­s­tri­bu­ción de carga dentro del sistema funciona de mejor manera.

Sin embargo, el número de núcleos no es lo único im­po­r­ta­n­te. La fre­cue­n­cia de ciclos a la que funcionan los distintos núcleos es igual de relevante para el re­n­di­mie­n­to de una CPU. Esta se es­pe­ci­fi­ca en hertz o gigahertz y, en términos generales, se aplica lo siguiente: cuanto mayor sea la fre­cue­n­cia de ciclos, más comandos de máquina podrá procesar la CPU por segundo.

Sin embargo, la fre­cue­n­cia de la placa base también se refleja en la fre­cue­n­cia de ciclos, que puede ajustarse ma­nua­l­me­n­te en la BIOS de algunas placas base. Además, hay que tener en cuenta que la fre­cue­n­cia de ciclo no puede au­me­n­tar­se por propia voluntad, sino que siempre está limitada por la te­m­pe­ra­tu­ra de la CPU. Si esta aumenta demasiado, el pro­ce­sa­dor puede dañarse. Por esta razón, el ove­r­clo­c­ki­ng de la CPU también requiere algunos co­no­ci­mie­n­tos.

Tanto la fre­cue­n­cia de ciclos como el número de núcleos influyen en el re­n­di­mie­n­to de una CPU, pero ¿cuál de los dos es más relevante? Des­afo­r­tu­na­da­me­n­te, no hay una respuesta clara a esta pregunta, dado que no solo depende de la apli­ca­ción, sino también del pro­ce­sa­dor.

Los pro­ce­sa­do­res modernos suelen ser más efi­cie­n­tes a la hora de procesar los comandos y, por tanto, pueden ofrecer el mismo re­n­di­mie­n­to con una fre­cue­n­cia de ciclos más baja que los pro­ce­sa­do­res más antiguos con una fre­cue­n­cia más alta. Además, los pro­ce­sa­do­res modernos suelen ofrecer la po­si­bi­li­dad de mu­l­ti­th­rea­di­ng o hy­pe­r­th­rea­di­ng, de modo que se pueden ejecutar varios hilos en paralelo en un núcleo.

Si ejecutas apli­ca­cio­nes en tu ordenador que funcionan con mayor eficacia cuando hay varios núcleos o pa­ra­le­li­za­ción, se re­co­mie­n­da elegir un pro­ce­sa­dor con un número elevado de núcleos para di­s­tri­buir el uso de la CPU lo mejor posible. Estas apli­ca­cio­nes son, por ejemplo, el uso de máquinas virtuales o rendering. Esto se debe a que la carga de trabajo de estos programas puede di­s­tri­bui­r­se muy bien.

En cambio, si utilizas tu ordenador pri­n­ci­pa­l­me­n­te para apli­ca­cio­nes que no pueden di­s­tri­buir tan bien su carga de trabajo, como por ejemplo los vi­deo­jue­gos, la fre­cue­n­cia de ciclos sería el factor relevante.

Los pro­ce­sa­do­res modernos suelen di­s­tri­buir de manera in­te­li­ge­n­te la carga de trabajo entre los núcleos de la CPU. Si existe la po­si­bi­li­dad de di­s­tri­buir efi­ca­z­me­n­te la carga de trabajo actual entre varios núcleos, se lleva cabo y se utilizan todos los núcleos di­s­po­ni­bles. Y como resultado, los núcleos in­di­vi­dua­les funcionan a una fre­cue­n­cia de ciclos más baja. Sin embargo, si el uso de varios núcleos no tiene sentido o es in­ne­ce­sa­rio, se aumenta la fre­cue­n­cia de ciclos de los re­s­pe­c­ti­vos núcleos uti­li­za­dos.