Fundamentos de Arquitectura de CPU

Cómo funcionan los procesadores: el ciclo de búsqueda-decodificación-ejecución, ruta de datos, control, RISC vs CISC, y arquitecturas Von Neumann vs Harvard.

Una CPU (Unidad Central de Procesamiento) es el cerebro de un sistema digital, ejecutando un flujo de instrucciones almacenadas en memoria. En su esencia, la CPU busca repetidamente una instrucción, decodifica su significado y ejecuta la operación. Comprender la arquitectura de la CPU conecta todos los temas digitales—lógica combinacional (ALU), lógica secuencial (registros, contadores), máquinas de estado (unidad de control) y memoria—en un sistema integrado.

Objectives

  • Describir el ciclo de búsqueda-decodificación-ejecución en detalle
  • Identificar los principales componentes de la CPU: PC, IR, ALU, archivo de registros, unidad de control
  • Rastrear el flujo de datos a través de la ruta de datos de la CPU
  • Comparar las arquitecturas Von Neumann y Harvard
  • Distinguir las filosofías de diseño RISC y CISC

Key Takeaways

  • CPU = ciclo de búsqueda-decodificación-ejecución ejecutándose continuamente
  • Ruta de datos: PC, IR, archivo de registros, ALU, buses y multiplexores
  • Von Neumann: memoria compartida; Harvard: memoria separada de instrucciones/datos
  • RISC: instrucciones simples, muchos registros; CISC: instrucciones complejas
  • Todos los componentes están construidos con compuertas lógicas, flip-flops y multiplexores

Applications

  • Microcontroladores: Arduino, PIC, STM32 son todas CPUs con periféricos en un solo chip.
  • Procesadores de Escritorio: Las CPUs x86 (Intel/AMD) ejecutan miles de millones de instrucciones por segundo.
  • Sistemas Embebidos: Las CPUs ARM alimentan smartphones, dispositivos IoT y sistemas automotrices.
  • Procesadores Personalizados: CPUs blandas basadas en FPGA para computación específica de aplicaciones.

Practice Problems

Problem 1: Enumera las cinco etapas del procesamiento de instrucciones en orden.

Problem 2: Una CPU de 8 bits tiene un bus de direcciones de 16 bits. ¿Cuánta memoria puede direccionar?

Problem 3: ¿Por qué la arquitectura Harvard evita el cuello de botella de Von Neumann?

Problem 4: Una CPU RISC tiene 32 registros. ¿Cuántos bits se necesitan para direccionar un registro?