Qué hace una CPU

Un procesador de 3 GHz hace 3 mil millones de tics por segundo, un tic cada tercio de nanosegundo.

Imagina una clase de computación. (Es una escena inventada.) En la pizarra hay dieciséis casillas numeradas, cada una con ocho bits escritos. Tres estudiantes hacen de CPU. Una sostiene una tarjeta que dice PC, otro una que dice IR y otra una que dice ACC. La tarjeta PC dice 0. El estudiante de IR va a la casilla 0 y copia lo que hay, 0001 1110, y la estudiante de PC cambia la tarjeta a 1. La clase busca los primeros cuatro bits en una tabla de la pared: 0001 significa LOAD. Los últimos cuatro, 1110, son 14. Así que la estudiante de ACC va a la casilla 14 y copia el 7 que encuentra allí. Luego todo vuelve a empezar desde la casilla 1.

La casilla 1 dice ADD 15, así que ACC pasa a ser 7 + 5 = 12. La casilla 2 dice STORE 13, y la estudiante de ACC escribe 12 en la casilla 13. La casilla 3 dice HALT, y todos se sientan. Doce movimientos en total. Ninguno de los tres necesitó saber que el programa «suma 7 y 5». Cada uno siguió una pequeña regla. Las casillas son la memoria, las tarjetas son registros y la tabla de la pared es el decodificador. Una CPU real funciona igual, miles de millones de veces por segundo, y nadie dentro de ella entiende el programa tampoco.

El mismo bucle corto, miles de millones de veces por segundo

Las compuertas pueden sumar, comparar y elegir, pero algo tiene que decirles qué hacer, en qué orden y con qué números. Esa es la tarea de la unidad central de procesamiento, la CPU. Repite un bucle corto. El contador de programa (PC) guarda la dirección de la siguiente instrucción. Búsqueda: la CPU lee la celda a la que apunta el PC, la copia en el registro de instrucción (IR) y avanza el PC en uno. Decodificación: los circuitos de control miran los bits del código de operación y preparan los caminos correctos, por ejemplo conectando el sumador para ADD. Ejecución: se hace el trabajo. Se carga, se suma o se guarda un número, o se cambia el PC para que el programa salte a otra parte. Luego el bucle vuelve a empezar. Una instrucción, JZ, salta solo cuando el acumulador es cero, y ese único tipo de salto es lo que permite a un programa decidir y repetir.

La escena ejecuta el mismo programa que representó la clase. Pulsa Paso y PC, IR y ACC cambian exactamente como lo hicieron las tarjetas: LOAD 14, luego ADD 15, STORE 13 y HALT, cuatro instrucciones de tres fases cada una, doce fases en total. El programa de multiplicación usa las mismas pocas instrucciones, pero su JZ y su JUMP devuelven el PC a 0 dos veces antes de que el contador de la celda 15 llegue a cero, así que ejecuta 24 instrucciones en 72 fases. Seis veces las instrucciones de la suma.

El programa está en la misma memoria que los números

En la pizarra, las instrucciones y los números 7 y 5 estaban en la misma fila de casillas. No es casualidad. En junio de 1945 John von Neumann escribió el «First Draft of a Report on the EDVAC», que describía una computadora que guarda sus instrucciones en la misma memoria que sus datos, y casi todas las computadoras desde entonces funcionan así. Una instrucción es solo un número cuyos bits se dividen en campos. En esta computadora de juguete cada celda guarda 8 bits. Los primeros cuatro dicen qué hacer, el código de operación, y los últimos cuatro dicen qué celda usar, la dirección. 0001 es LOAD, así que 0001 1110 significa «LOAD 14»: copiar el número de la celda 14 en el acumulador, el registro de trabajo de la CPU.

Qué tan rápido va el bucle

Los pasos siguen el ritmo de una señal de reloj, un voltaje que se enciende y se apaga a ritmo constante. Un reloj de 3 GHz hace 3 000 000 000 de tics por segundo, así que un tic dura 1 ÷ 3 000 000 000 segundos, unos 0.333 nanosegundos. En ese tiempo la luz recorre solo unos 10 centímetros. A una fase por tic, alcanzan los tics para ejecutar el programa 7 + 5 del juguete 250 millones de veces por segundo. Los procesadores reales no terminan una instrucción completa por tic de la forma sencilla en que lo hace nuestro juguete. Superponen las fases de varias instrucciones como en una línea de montaje, lo que se llama segmentación (pipelining), y los chips actuales contienen varios procesadores completos, llamados núcleos, uno al lado del otro. El juguete no tiene nada de eso, y justamente por eso puedes seguirlo a mano.