El procesador y la memoria RAM se han caracterizado a lo largo de su desarrollo por sustentar la función de la transformación de los datos, los programas y el sistema operativo.

Es así como en esta unidad se presentarán como componentes individuales, pero que actúan de manera articulada para administrar, procesar y controlar las acciones que el usuario solicita.

En este estudio se abordarán los componentes, estructuras y demás elementos que identifican al procesador y a la memoria; se describirá su interrelación y la fundamentación matemática y electrónica de cada uno de sus componentes. Además, se identificarán entre las principales unidades, la CPU compuesta por las unidades aritmético lógica y de control, los buses de información y el set de registros, rodeadas por la unidad de E/S y la memoria principal, que pese a que no ser parte integral del procesador, sí se encuentran en estrecha relación con éste.

Propósito general

Relacionar los eventos que se observan en los periféricos con aquellos que se ejecutan en el procesador y la memoria, de forma que el estudiante estructure conceptualmente el procesamiento de la información y la organización interna de los dispositivos.

Propósitos específicos

• Identificar los componentes fundamentales del procesador, la forma como interactúan entre sí y la función que desempeñan, generalizando el concepto de procesamiento de información.
• Identificar a la memoria principal en su función de soporte físico de la programación y de los datos, deduciendo los conceptos de bus interno, sincronización de datos y acciones de lectura y escritura.
• Relacionar el procesador y la memoria para el procesamiento de información, la ejecución de aplicaciones y la construcción de sistemas los computacionales actuales.
• Generalizar el concepto de arranque de la máquina, integrando los componentes básicos del computador, para su sincronización con el sistema operativo.

Los actuales sistemas informáticos basan su operación en un circuito integrado llamado: procesador (CPU), que en sus inicios se construyó con base en la interacción de dispositivos de lógica secuencial y combinacional como compuertas, multiplexores, codificadores y otros.

Sin embargo, en la actualidad, dado el incremento en número de componentes, velocidad de procesamiento e interacción con los demás elementos del hardware del sistema informático, su construcción se realiza con base en complejos modelos electrónicos que llegan a integrar miles de millones de transistores.

Su desarrollo histórico ha permitido que los avances tecnológicos, desde la década de los 60 hasta la actualidad, haya involucrado el perfeccionamiento de arquitecturas como la Harvard y Von Neumann que diferencian el tratamiento de los datos y los programas.

Así, grandes empresas inician una carrera desenfrenada para cubrir las necesidades del mercado; entre ellas se destacan AMD e Intel las cuales proveen de procesadores a las empresas productoras de los dispositivos del sistema informático como IBM, Dell, Toshiba y Apple.

El procesador actualmente es uno de los circuitos integrados que se acoplan a la placa base; esta última de la que depende la operación general del sistema informático, y se encuentra por separado de los demás dispositivos, lo que permite su reemplazo y actualización de manera individual, sujeto a los requerimientos de compatibilidad.

Material de apoyo

• La ALU o Unidad aritmético lógica: se encarga del procesamiento de instrucciones lógicas y matemáticas;
• Unidad de control: determina la acción a desarrollar con los datos e instrucciones;
• Set de registros: provee el almacenamiento básico para el tratamiento de los datos;
• Registros de operación
• Reloj: como elemento de sincronización de eventos trabaja de acuerdo con la frecuencia establecida por el clock del sistema ubicado en la tarjeta madre, adapta la frecuencia del clock a la velocidad del procesador y emite señales periódicas a través de la Unidad de Control, permitiendo de esta forma la sincronización interna, y
• Decodificador de instrucciones: permite la traducción de instrucciones en lenguaje ensamblador o de alto nivel a lenguaje de máquina, que es el único que puede ejecutar el procesador.

El set de registros del procesador se convierte en la estructura de mayor jerarquía de la memoria y es el que integra a:

• Registro de banderas: almacena el estado general del procesador luego de la última instrucción ejecutada. A diferencia de los demás que contienen datos o direcciones, el registro de banderas provee información en cada uno de sus bits.
• Registros de propósito general: a través de éstos, todas las instrucciones y operaciones implementadas en los programas son desarrolladas por el procesador. Se destacan el registro acumulador (AX), base (BX), contador (CX) y datos (DX).
• Registros de segmento: cada programa al llegar a memoria se divide en segmentos de datos, pila y código, los cuales se ubican en direcciones diferentes de la memoria. Los registros de apuntador contienen las direcciones de inicio de cada uno de esos segmentos.
• Registros de apuntador: los registros de apuntador contienen información necesaria para la ejecución continua de instrucciones, dirección de la siguiente instrucción a ejecutar (IP), dirección de inicio de la pila (SP) y dirección del registro base.

Además, el set de registros contiene la información fundamental para la ejecución de instrucciones, se ubica en la capa más alta de la jerarquía de la memoria dado que su velocidad de ejecución es muy alta y su costo comparativo individual es muy elevado.

Los buses son canales de comunicación que permiten llevar y traer información, establecer las acciones que se deben realizar con las direcciones, los datos y ayudan a que estos últimos tengan un lugar de almacenamiento. Además, son los encargados de interconectar todos los elementos que constituyen el procesador internamente y los elementos externos requeridos para la ejecución de programas como la memoria y el chipset.

Se reconocen tres tipos de bus diferentes:

1. Bus de datos: encargado del tráfico de información en forma de bytes o words y conecta la memoria, la ALU y al exterior. La longitud del registro de datos determina la longitud del bus de datos.


2. Bus de direcciones: establece el registro en memoria que será afectado en un proceso de lectura o escritura.


3. Bus de control: los bits que componen el bus de control se encuentran distribuidos por el procesador dado que los bits individuales que realizan los diferentes componentes se agrupan en esta categoría.

Por ejemplo, uno de los bits de control de la memoria es el bit R/-W que determina si el proceso que se ejecutará sobre la misma es de lectura o escritura.

Las interrupciones son un sistema de señales que permiten que los diferentes recursos instalados en el sistema informático interactúen, con el procesador, y así desarrollen acciones específicas a solicitud del usuario, de los programas o el sistema operativo.

Cuando un recurso requiere ejecutar un servicio, se envía una señal al procesador que la codifica identificando qué recurso realiza la petición parando (interrumpiendo) la ejecución del proceso actual y transfiriendo el control al proceso que solicitó el servicio.

Al terminar de atender la interrupción requerida, nuevamente se transfiere el control al proceso que estaba en ejecución; este proceso de atención de las interrupciones se repite siempre que se detecta una señal de este tipo.

Existen tres tipos de interrupciones:

1. Interrupciones internas: también denominadas llamadas al sistema, las cuales son generadas por el procesador en respuesta a una situación anormal,


2. Interrupciones de hardware: generadas por los recursos en respuesta a un evento o solicitud del mismo e


3. Interrupciones de software: programadas a través de la instrucción INT del lenguaje ensamblador.

También conocida como memoria RAM, son los miles de millones de bits organizados en grupos de ocho, denominados bytes, a los que el procesador tiene acceso para leer o escribir datos, instrucciones o direcciones.

Para que dichos bytes o registros de memoria puedan ser utilizados es necesario tener en concordancia en el bus de direcciones al procesador y la memoria de forma que una dirección colocada en el bus apunte al registro correspondiente en memoria, que los datos en ese registro sean leídos o escritos de acuerdo con lo establecido en el bus de control y que pasen al bus de datos justo en el momento de ser requeridos. Dado lo anterior, es evidente la correspondencia entre los buses de comunicación internos en el procesador, externos en la placa base e internos en cada una de las memorias.

Así como los procesadores el desarrollo tecnológico ha permitido avances significativos en capacidad de almacenamiento y direccionamiento, velocidad de transferencia y procesamiento que van desde las tarjetas de memoria SIM y DIMM hasta las actuales DDR3.

Pese a su gran velocidad y suficiente tamaño de almacenamiento, la memoria principal se encuentra en la parte baja de la jerarquía de la memoria la cual es encabezada por los registros del procesador.

Finalmente, y dependiendo de la capacidad de direccionamiento que el sistema operativo ofrece, la memoria principal ha venido incrementando su tamaño para adecuarse a los nuevos requerimientos iniciando desde la memoria convencional de 640 K hasta los sistemas operativos actuales que permiten direccionar hasta 192 GB de memoria principal.

Aunque más adelante se abordarán algunos de los otros tipos de memorias, es pertinente que ahora se estudien los niveles jerárquicos de memoria de acuerdo con su velocidad.

Esta última, determinada por: tiempo de acceso o tiempo transcurrido entre la colocación de una petición de un Byte en el bus de direcciones, la aparición de la respuesta en el bus de datos, tiempo de ciclo de memoria o tiempo entre dos accesos a memoria consecutivos y tasa de transferencia o razón a la que se mueven los datos.

Ahora bien, la jerarquía se establece en términos de localidad de memoria; ésta es temporal cuando los datos de acceso reciente se mantienen en locaciones de memoria cercanas al procesador.

También puede ser espacial cuando al mover un dato de una locación de memoria a otra, no se mueve el dato individual si no un bloque de datos cercanos a éste. De esta forma la localidad permite a los programas acceder a una porción relativamente pequeña de memoria, en un determinado espacio de tiempo.

En sus inicios, la memoria RAM fue demasiado costosa y por esa razón se determinó reducir su tamaño. En este sentido, la distribución de sectores de la memoria principal o simplemente mapeado, ha sido modificado cada vez que se debe ampliar la capacidad de la misma para efectos de rendimiento y respuesta al usuario, dado que el desarrollo tecnológico, la incorporación de nuevos materiales y la implementación de nuevas infraestructuras de integración de circuitos, han permitido su reducción en costo y tamaño.

Sin embargo, para permitir la compatibilidad del sistema de arranque y ejecución de instrucciones, el primer Megabyte de memoria ha mantenido su estructura desde los primeros procesadores 80xx86, denominándose la memoria DOS por su correspondencia con el sistema operativo D.O.S de Microsoft.

La memoria BIOS (CMOS), físicamente incorporada a la placa base, pertenece al firmware del sistema informático ya que contiene el programa BIOS y el programa SETUP.

El programa BIOS, propio de cada placa base, permite el reconocimiento, presencia y funcionamiento de los dispositivos y componentes instalados en el sistema desde el procesador y la memoria hasta las tarjetas y dispositivos externos.

El programa SETUP contiene algunos de los resultados del BIOS y otros que pueden ser establecidos por el usuario. Para mantener estos datos disponibles es necesario mantener energizada la BIOS a través de una batería instalada también en la placa base.

En general, la memoria BIOS con sus dos programas y respectiva configuración genérica, está provista por el fabricante de la placa base acorde con sus características. Pese a que este tipo de memorias pueden ser regrabadas, generalmente un error o su mal funcionamiento exige el reemplazo de la placa base completa.

Sin embargo, siempre existe la posibilidad de poner los valores por defecto en el programa SETUP, utilizando un puente o jumper colocado en la placa base cerca a la pila y a la memoria CMOS.

Los dos elementos fundamentales soportados por la placa base para tener un sistema informático funcional, son el procesador y la memoria.

El procesador o CPU conformado por seis componentes entre los que se destacan la ALU, el set de registros, la unidad de control y el intérprete de comandos es el dispositivo central de todo el sistema informático, sobre él recae la responsabilidad de la ejecución de instrucciones, la atención a los servicios del sistema operativo y del usuario y la gestión de la memoria.

La memoria principal representa el soporte de los programas que se encuentran en ejecución, está conformada por registros de longitud de ocho bits que conforman un byte. Dependiendo de la capacidad del sistema operativo para direccionar las diferentes posiciones de memoria que identifican a cada registro es posible encontrar memorias con diferente capacidad de almacenamiento, velocidad de acceso y transferencia.

En la jerarquía de la memoria además de la memoria principal o RAM y del almacenamiento secundario en disco, los cuales componen la base de la estructura, se encuentra la memoria Caché y los registros del procesador, ubicados estos últimos en la base de la pirámide dada su mayor velocidad y costo en relación con los anteriores.

El firmware en la placa base está representado por la memora CMOS o sistema BIOS la cual contiene el programa BIOS y el programa SETUP fundamentales para el arranque del sistema informático y el inicio del sistema informativo.