Arquitectura de Hardware: CPU, SoC y Memoria en Sistemas Informáticos

Unidad Central de Procesamiento (CPU)

La Unidad Central de Procesamiento (CPU) es el hardware principal dentro de una computadora u otros dispositivos programables. Su función primordial es interpretar las instrucciones de un programa informático mediante la realización de operaciones básicas aritméticas, lógicas y de entrada/salida del sistema.

Una computadora puede tener más de una CPU, lo que se conoce como multiprocesamiento. Las CPU suelen contener un solo circuito integrado (chip). Sin embargo, algunos circuitos pueden integrar varias CPU en un solo chip, denominándose multinúcleo. Además, un circuito integrado que contiene una CPU puede incluir también otros dispositivos periféricos, conformando un Sistema en un Chip (SoC).

La CPU se compone principalmente de dos unidades fundamentales:

• Unidad Aritmético-Lógica (UAL)

  Es el circuito digital encargado de realizar operaciones aritméticas (suma, resta, etc.) y lógicas (AND, OR, NOT, etc.).

• Unidad de Control (UC)

  Uno de los bloques principales de la CPU. Su función es buscar las instrucciones en la memoria, decodificarlas y ejecutarlas en la secuencia correcta.

Arquitecturas de Conjunto de Instrucciones

Dentro del diseño de las CPU, existen diferentes arquitecturas de conjunto de instrucciones:

• RISC (Reduced Instruction Set Computer)

  Tipo de diseño de CPU utilizado en microprocesadores o microcontroladores que se caracteriza por:

  • Instrucciones de tamaño fijo y presentadas en un número reducido de formatos.
  • Solo las instrucciones de carga y almacenamiento acceden directamente a la memoria de datos.

• CISC (Complex Instruction Set Computer)

  Modelo de arquitectura de computadoras que se distingue por tener un conjunto de instrucciones muy amplio y la capacidad de realizar operaciones complejas con una sola instrucción.

Sistema en un Chip (SoC)

Un Sistema en un Chip (SoC) integra en un solo chip los diferentes componentes de un sistema electrónico completo. Junto al procesador principal, un SoC puede incluir:

• Controlador de memoria: Permite al procesador acceder eficientemente a la RAM.
• Tarjeta gráfica (GPU): Para el procesamiento de imágenes y video.
• Memoria: Puede incluir diferentes tipos de memoria, como RAM o ROM, para almacenar datos y programas.
• Buses: Canales de comunicación internos que transmiten información entre los distintos elementos del chip.
• Interfaces externos: Puertos para la conexión con otros dispositivos (USB, HDMI, Wi-Fi, Bluetooth, etc.).
• Módulos de comunicación: Para conectividad de red (Ethernet, Wi-Fi, 5G, etc.).

Microprocesador

El microprocesador es el circuito integrado central más complejo de un sistema informático. Es el componente principal encargado de ejecutar los programas y realizar la mayoría de las operaciones de cálculo. Se conecta a la placa base mediante un zócalo específico.

Debido a la gran cantidad de calor que genera durante su funcionamiento, se le incorpora un sistema de refrigeración (compuesto por un disipador de calor y ventiladores) para mantener su temperatura dentro de límites operativos seguros y asegurar su rendimiento y durabilidad.

Memoria Volátil

La memoria volátil es aquella cuya información se pierde completamente al interrumpirse el flujo eléctrico (es decir, cuando se apaga el dispositivo). Es utilizada para almacenar datos temporales y programas en ejecución.

Algunos ejemplos comunes de memoria volátil incluyen: DRAM (Dynamic Random-Access Memory), RAM (Random-Access Memory) y SDRAM (Synchronous Dynamic Random-Access Memory), entre otras.