CPU y arquitectura de von Neumann

Supón que introduces 7. Para obtener 12, el ordenador no necesita solo ese 7, sino también instrucciones que le digan leer, sumar y mostrar. La arquitectura de programa almacenado de von Neumann guarda las instrucciones y los datos en la misma memoria principal. La CPU, es decir, la unidad central de procesamiento, lee y ejecuta esas instrucciones.

La memoria contiene muchas posiciones numeradas. El número de una posición es su dirección, y la información que guarda es su contenido. Pedir la dirección 12 es como elegir el cajón número 12; no significa que dentro haya forzosamente el número 12.

La información se representa con bits, y cada bit es un 0 o un 1. Un bus es un conjunto de conexiones que transportan señales. El bus de direcciones indica a dónde acceder, el bus de datos transporta los bits y las señales de control especifican operaciones como READ (leer) o WRITE (escribir). Las propias instrucciones también viajan como bits por el bus de datos. Por eso los colores de abajo distinguen la función de las señales, no tres tipos de instrucción.

Supón que la instrucción recién leída es «suma el número que está en la dirección 12». Tenemos que recordar esa instrucción y, a la vez, conservar el número ya introducido; de lo contrario, al leer un número nuevo podríamos sobrescribir algo que aún necesitamos. Por eso la CPU dispone en su interior de varios almacenes pequeños y rápidos llamados registros. Uno conserva la instrucción, otro el número con el que se está calculando y otro recuerda dónde está la siguiente instrucción. Las abreviaturas del aparato dan nombre a estos almacenes. La guía de abajo explica cada abreviatura para que podamos seguir una transferencia y ver qué valores se guardan y cuáles se mueven.

La CPU toma una instrucción de la memoria; eso se llama búsqueda. Después identifica la operación y el operando que pide la instrucción, es decir, el valor o la posición que se usa esta vez; eso se llama decodificación. Con esa información, puede ejecutar la instrucción. Cada fase puede incluir varias transferencias más pequeñas, llamadas microoperaciones. El programa inicial tiene cinco instrucciones; abajo puedes sustituirlas por tus propios comandos. «Reproducir este paso» muestra la transferencia actual, y el estado inicial se mantiene hasta que decidas avanzar. Tras cada transferencia, puedes averiguar de dónde vino el valor, a qué parte llegó y qué valores no cambiaron. Puedes repetir la transferencia, volver a un paso anterior o activar la reproducción continua. Sus pausas de cuatro segundos son tiempo de observación, no un plazo para terminar de leer.

Elige un componente: ¿por qué tiene que existir?

Este modelo tridimensional muestra un corte funcional, con espacio extra entre las partes para poder seguir las señales; no es la disposición de transistores de un chip comercial concreto. Esta máquina usa un acumulador, palabras de datos de 12 bits, un espacio de direcciones de 4 bits e instrucciones explícitas de entrada/salida. La organización concreta de las CPU modernas puede ser muy distinta.

Un bit solo puede valer 0 o 1. Un número fijo de bits forma una palabra; aquí una palabra tiene 12 bits. Los cuatro primeros forman el código de operación u opcode y los ocho restantes, el campo de operando. ADD 5 escribe el número 5 en ese campo; ADD [12] escribe en él la dirección 12. Por eso estas dos sumas necesitan opcodes distintos, para que la unidad de control sepa si debe usar el número del campo o ir antes a memoria. STORE también usa una dirección. El editor reserva las posiciones 12–15 para datos, manteniéndolos separados del programa.

De derecha a izquierda, las posiciones binarias valen 1, 2, 4, 8, 16 y así sucesivamente, duplicándose en cada paso. Por eso, en 00001100 solo las posiciones del 8 y del 4 contienen 1, y el valor es $8+4=12$. La notación hexadecimal usa un solo símbolo para los valores de 0 a 15, y de 10 a 15 se escriben A, B, C, D, E y F, así que 12 se escribe C. El prefijo 0x indica hexadecimal: 0x00C, el binario 000000001100 y el decimal 12 representan el mismo número. Por ejemplo, 1001 selecciona la ADD que toma el número de memoria y 00001100 representa 12. Así, 1001 00001100 significa «suma el valor guardado en la dirección 12». El IR guarda estos bits y la unidad de control los decodifica. ADD es el nombre legible de ese código, no una palabra que el hardware entienda como inglés. En cambio, ADD 5 se codifica como 0010 00000101: el opcode 0010 elige un número escrito directamente en la instrucción y 00000101 es 5.

El reloj coordina cuándo cambian los valores almacenados. Una instrucción de programa no equivale necesariamente a un ciclo de reloj: la búsqueda, la decodificación y la ejecución pueden necesitar varios ciclos. La animación ralentiza las transferencias para que puedas examinarlas; los segundos que dura no miden la velocidad real de la CPU.

Ahora ya podemos seguir una instrucción. Imagina que repartimos su trabajo en cinco etapas: cuando la primera instrucción sale de la etapa de búsqueda, esa etapa puede empezar a buscar la siguiente mientras la primera se decodifica en otra etapa. Esta forma de solapar la ejecución se llama pipeline. Es una técnica de implementación, no un requisito inevitable de la arquitectura de von Neumann.

La siguiente demostración usa una máquina distinta de cinco etapas con registros R1, R2, … en lugar de un solo acumulador. Ri nombra la posición i del banco de registros. Cada fila es una instrucción y cada columna, un ciclo de reloj. Los bancos dorados entre etapas son registros de pipeline: guardan valores intermedios, los números de registro de destino y los bits de control entre flancos de reloj.

Primero supongamos que cada etapa dura un ciclo, que las instrucciones son independientes y que no hay esperas. Ejecutar cuatro instrucciones por separado cuesta $4 \times 5 = 20$ ciclos. Al solaparlas, la primera tarda 5 ciclos y las 3 siguientes terminan una por ciclo: 8 en total. Para k instrucciones:

La primera instrucción sigue tardando cinco ciclos. Lo que mejora es el rendimiento: cuántas instrucciones terminan en un intervalo de tiempo. Cambia al ejemplo de dependencia de datos para ver por qué un pipeline real no siempre termina una instrucción por ciclo. Cuando el resultado que se necesita aún no está listo, hay que esperar, salvo que otro mecanismo, como el reenvío, pueda entregarlo antes de forma segura.