¿Cómo funciona un procesador? - Desde un transistor hasta una CPU
Summary
TLDREste script de video ofrece una explicación detallada de cómo funciona un procesador, desde el nivel básico de los transistores hasta la construcción de un procesador sencillo. Se discuten conceptos como puertas lógicas, números binarios, sumadores, flip-flops y la importancia del reloj en la velocidad del procesador. Además, se presenta la máquina de estados finitos como elemento esencial para la programación. El video utiliza ejemplos prácticos, como la comparación con una máquina expendedora, para ilustrar cómo se ejecutan las instrucciones y se mantiene el procesador funcionando de manera eficiente.
Takeaways
- 🌟 Un procesador es una serie de circuitos electrónicos basados en transistores que pueden controlar el flujo de electricidad.
- 🔧 Los transistores funcionan como interruptores, permitiendo el paso de electricidad cuando se activan y bloqueándolo cuando se desactivan.
- 🛠 Los circuitos lógicos básicos, como las puertas AND, OR y NOT, son fundamentales para construir un procesador.
- 🔄 La tecnología CMOS se utiliza en los procesadores modernos, y es más rápida y eficiente que las puertas lógicas convencionales.
- 📊 Los números binarios son esenciales para la representación de datos en un procesador, con 00, 01, 10 y 11 correspondiendo a 0, 1, 2 y 3 respectivamente.
- 🔄 El multiplexor y el decodificador son dispositivos que permiten la selección y distribución de señales en función de ciertas condiciones.
- 🔢 Los procesadores realizan operaciones matemáticas básicas como la suma, utilizando puertas XOR y AND para generar resultados y carry.
- 💾 Los flip-flops son componentes clave para almacenar datos, manteniendo un uno o un cero según la señal de reloj recibida.
- ⏲ El reloj del procesador es esencial para sincronizar las operaciones, y su frecuencia define la velocidad de procesamiento.
- 🔄 La Máquina de Estados Finitos (MEF) es un concepto importante en la programación del procesador, permitiendo que el procesador siga un flujo de instrucciones basado en su estado actual.
- 📝 El procesador ejecuta instrucciones muy simples y repetitivas, que se combinan para realizar tareas complejas, como abrir un navegador o mostrar una imagen.
Q & A
¿Qué es un transistor y cómo funciona?
-Un transistor es un componente semiconductor que actúa como interruptor de corriente eléctrica. Funciona como un cable con un botón en el medio; cuando se presiona el botón, permite el paso de electricidad, y al soltarlo, la electricidad no puede pasar.
¿Cuáles son las puertas lógicas básicas que se mencionan en el script y qué representan?
-Las puertas lógicas básicas mencionadas son AND (y), OR (o) y NOT (no). La puerta AND permite la electricidad solo si se presionan ambos botones, la OR permite la electricidad si se presiona cualquier botón, y la NOT invierte la señal, permitiendo la electricidad si no se presiona el botón.
¿Por qué se utilizan puertas NAND y NOR en los procesadores modernos?
-Las puertas NAND y NOR se utilizan debido a que, además de otras ventajas, son más rápidas desde el punto de vista eléctrico y, matemáticamente, se ha demostrado que con ellas se pueden implementar cualquier función booleana.
¿Qué son los números binarios y cómo se representan los números 0, 1, 2 y 3 en binario?
-Los números binarios son un sistema numérico que utiliza solo dos dígitos: 0 y 1. En el script, se representa 00 como 0, 01 como 1, 10 como 2 y 11 como 3.
¿Qué es un multiplexor y cómo funciona?
-Un multiplexor es un dispositivo que permite seleccionar una de varias entradas y enviar su salida a una sola salida. En el script, se describe cómo un multiplexor puede activar cables específicos en función de la activación de otros cables.
¿Qué es un decodificador y cómo se relaciona con un multiplexor?
-Un decodificador es un dispositivo que funciona al revés de un multiplexor; toma varias entradas y las traduce en una selección de una de múltiples salidas. Se utiliza para pasar de un número de cables a un número mayor.
¿Cómo funciona un sumador básico en un procesador?
-Un sumador básico utiliza puertas XOR y AND para realizar la suma de dos números. La puerta XOR da el resultado de la suma, mientras que la puerta AND da el carry, que es necesario para la suma de números más grandes.
¿Qué es un flip-flop y cómo se utiliza para almacenar información en un procesador?
-Un flip-flop es un circuito que puede almacenar un bit de información, es decir, un uno o un cero. Se configura para responder a una señal de reloj, almacenando la información enviada hasta que se recibe una nueva señal.
¿Qué es el reloj de un procesador y cómo afecta su velocidad a las operaciones del procesador?
-El reloj de un procesador es un dispositivo que emite señales periódicas que sincronizan las operaciones del procesador. Cuanto más rápido sea el reloj, más operaciones por segundo puede realizar el procesador.
¿Qué es una máquina de estados finitos y cómo se relaciona con el funcionamiento de un procesador?
-Una máquina de estados finitos es un sistema que siempre está en uno de un número finito de estados y responde a eventos cambiando de estado. En un procesador, esta máquina se utiliza para ejecutar instrucciones, donde cada estado puede representar una etapa en la ejecución de una instrucción.
¿Cómo se describe la arquitectura de un procesador en el script y cuál es su importancia en la tecnología moderna?
-El script describe la arquitectura de un procesador desde el nivel de los transistores hasta la ejecución de instrucciones complejas. La importancia de la arquitectura de un procesador en la tecnología moderna es fundamental, ya que todos los dispositivos electrónicos avanzados, desde ordenadores personales hasta móviles y tablets, se basan en estas principios.
Outlines
🔌 Funcionamiento básico de un procesador
El primer párrafo introduce el funcionamiento de un procesador desde su base, el transistor, hasta la construcción de un procesador básico. Se describe cómo un transistor funciona como un interruptor y cómo se utilizan para crear circuitos lógicos básicos como AND, OR y NOT. También se menciona la tecnología CMOS y las puertas NAND y NOR, que son fundamentales para implementar cualquier función booleana. Además, se toca el tema de los números binarios y cómo se pueden utilizar para representar datos en un procesador.
💾 Almacenamiento y control de operaciones
Este párrafo se centra en la importancia del almacenamiento en un procesador, introduciendo el flip flop como un circuito para mantener un bit de información. Se explica cómo funciona el reloj en un procesador, que emite señales periódicas para sincronizar las operaciones. También se discuten conceptos como la memoria, el multiplexor y el decodificador, y cómo estos componentes permiten a un procesador realizar operaciones y acceder a datos de manera eficiente. Finalmente, se introduce la máquina de estados finitos como el elemento clave para la programación y el control de un procesador.
👾 Evolución y complejidad de los procesadores
El tercer párrafo explora la escala y complejidad de los procesadores modernos, como el i76700k con 1700 millones de transistores, y cómo han evolucionado desde procesadores antiguos como el MOS 6502. Se destaca cómo este último procesador influenció la arquitectura de los procesadores de dispositivos móviles modernos. El vídeo termina con una simulación del funcionamiento del procesador MOS 6502 y una reflexión sobre la increíble densidad de transistores en los chips modernos. El presentador anima a los espectadores a dejar comentarios y like si les gustó el vídeo, y menciona la posibilidad de hacer otro vídeo sobre tarjetas gráficas.
Mindmap
Keywords
💡Transistor
💡Puertas lógicas
💡CMOS
💡Múltiplexer
💡Decodificador
💡Sumador
💡Carry
💡Flip-flop
💡Reloj
💡Máquina de estados finitos
💡ALU (Unidad Aritmético-Lógica)
Highlights
Comenzamos con un transistor, básico de los procesadores.
Las puertas lógicas AND, OR y NOT son fundamentales en los circuitos electrónicos.
Los procesadores modernos utilizan tecnología CMOS y puertas NAND y NOR.
Con puertas NAND o NOR se pueden implementar cualquier función booleana.
Los números binarios son clave para la representación de datos en procesadores.
El multiplexor y el decodificador son dispositivos importantes para la selección de señales.
El sumador es un componente esencial para realizar operaciones aritméticas básicas.
La puerta XOR es fundamental en la operación de suma y generación de carry.
Los flip-flops permiten almacenar datos de forma temporal o permanente.
El reloj es esencial para sincronizar las operaciones en un procesador.
La memoria es necesaria para almacenar resultados y datos de operación.
La Máquina de Estados Finitos es un concepto clave para la programación de procesadores.
Los procesadores ejecutan instrucciones simples y repetitivas a alta velocidad.
La velocidad de carga de programas depende más de la memoria que de la velocidad del procesador.
El procesador MOS 6502 fue crucial en la introducción de los ordenadores personales y la arquitectura ARM.
La simulación del procesador MOS 6502 muestra cómo funcionaban los procesadores de la época.
Transcripts
en este vídeo vamos a hablar sobre Cómo
funciona un procesador para verlo vamos
a empezar con un transistor y vamos a
acabar construyendo un procesador
básico imagínate un cable con un botón
en medio cuando pulsas el botón la
electricidad puede pasar cuando lo
sueltas la electricidad no puede pasar
esto es un transistor Solo que tu dedo
es sustituido por otro cable eléctrico
todos los procesadores gráficas chips
están basados en transistores con estos
transistores podemos hacer los circuitos
básicos empecemos con las puertas andt
imaginemos que ahora nuestro cable
tenemos dos botones para que la
electricidad pase necesitamos pulsar
ambos botones eso es una puerta ant en
una puerta or tendríamos un cable que se
divide en dos en cada uno de los dos
cables tenemos un botón luego ambos
cables se vuelven a juntar por lo tanto
bastaría comp pusar uno de los botones
para conseguir que la electricidad pase
por último tendríamos la puerta not que
invierte la señal es decir si no
pulsamos el botón la electricidad puede
pasar en el momento que pulsamos el
botón la electricidad se desvía y ya no
pasa y estos serían los tres circuitos
lógicos básicos Aunque en realidad los
procesadores modernos se basan en la
tecnología cemos y utilizan las puertas
contrarias a las que hemos visto es
decir la nant y la nor os voy a poner el
ejemplo de una puerta nant en la
tecnología cemos que es lo contrario a
la puerta ant que hemos visto es decir
la electricidad siempre pasa salvo en el
caso en el que pulsemos los dos botones
en ese caso la electricidad no pasaría
porque se desvía por otro sitio Por qué
se utilizan estas puertas invertidas en
las s y la s aparte de otras ventajas
desde el punto de vista eléctrico son
más rápidas y nos interesa que nuestro
procesador sea lo más rápido posible
pero también es matemáticamente
demostrable que con puertas nant o con
puertas nor podemos implementar
cualquier función boleana es decir
cualquier función matemática o cualquier
cosa que podamos hacer en un ordenador
es posible implementarlo con puertas
nant o con puertas nor por lo tanto son
muy importantes pero para simplificar el
vídeo vamos a usar las puertas ant y or
pero saber que las puertas ant y or es
posible implementarlas con puertas nant
y nor para continuar tenemos que
aprender un poco sobre los números
binarios el 00 significa 0 el 01
significa 1 el 10 2 y el 1 1 3 ahora
imaginemos que tengo cuatro cables si
quiero representar el cero activo el
primer cable si quiero representar el
uno activo el segundo cable y así
sucesivamente Pues ahora puedo diseñar
un dispositivo que por ejemplo si activo
el tercer cable que significaría el dos
lo transforme a dos cables y en los dos
cables esos active el primero y el
segundo no Por lo tanto tendríamos uno
activado y otro no lo que sería 1 C el
dos en binario esto se llama multiplexor
también existe un dispositivo que
funciona exactamente al revés que se
llama decodificador en un decodificador
haríamos justo lo contrario pasar de dos
cables a cuatro Bueno podemos tener
cualquier número de cables si por
ejemplo yo activase los dos cables
representando el 1 o el tres en binario
por el otro lado se activaría el cable
cuatro que representa el tres este
dispositivo tomará importancia más
adelante Ahora pasemos a cosas un poco
más complejas nuestro procesador tiene
que saber sumar recordáis cuando en la
escuela hacíamos las sumas y decíamos
Esto me da dos me llevo uno y luego le
sumamos ese uno al otro pues un
procesador suma Exactamente igual que
como suamos en la escuela tenemos el
resultado y lo que nos llevamos a lo que
se llama carry Entonces cómo hacemos que
pueda sumar nos basta con una puerta xor
y una puerta ant Qué es una puerta xor
una puerta x or o special or es igual a
la or que hemos visto antes es decir
basta compulsar uno de los botones para
que la señal pase pero tiene la
peculiaridad de que si activamos dos los
dos botones la señal no pasaría cómo
funciona este sumador imaginemos que
queremos sumar 0 + 0 por lo tanto a y b
estarían apagados por lo tanto ninguna
de las dos puertas se activaría y
resultado sería 00 en la salida Si
queremos sumar por ejemplo 1 y 0 ponemos
la entrada a a un es decir enviamos
corriente y la b la dejamos apagada por
lo tanto la puerta xo se activará porque
uno de los dos está activado mientras
que la puerta a no se activará porque
solo uno está activado necesitamos los
dos para que se active por lo tanto el
resultado será 0 1 es decir 1 y si
sumamos 1 + 1 que da 2 en ese caso
enviaríamos corriente por la dos
entradas por a y b por lo tanto la
puerta an se activaría ya que tenemos
las dos entradas activadas en cambio la
puerta xor por lo que he explicado antes
no se activaría por lo tanto el
resultado sería 1 dos en binario esto se
lleva medio sumador pero combinando
varios de estos podemos hacer uno más
Grand en el que sumar más números por
ejemplo aquí tendríamos uno para sumar
tres entradas aunque no lo voy a
explicar porque es más complejo y nos
llevaría mucho tiempo pero que sepáis
que esto se hace con la combinación del
sumador simple que teníamos antes y el
resto de operaciones se obtiene a partir
de la suma y la resta nuestro procesador
ya sabe sumar pero necesitamos ahora
algo donde guardar el resultado de esa
suma porque si no sería inútil hacerla
aquí entran en juego los flip flop Qué
es un flip flop un flip flop es un
pequeño circuito donde podemos almacenar
un uno o un cero cuando le enviamos la
información las puertas se configuran
para que cada vez que llegue una señal
de reloj responda con lo que le hemos
enviado por ejemplo si le hemos metido
un cero responderá con cero si le hemos
metido un uno responderá con uno esta
información Se quía guardada todo el
tiempo que necesitemos y aquí entra en
juego un concepto muy importante el
reloj Qué es el reloj hemos estado
hablando todo el tiempo de Señales que
enviamos a través de cables Pero cuándo
las enviamos cuando queramos no el
procesador tiene un reloj que cada
cierto tiempo emite una señal Y esa
señal recorre el circuito cuando decimos
que un procesador funciona a 4 ghz lo
que estamos diciendo es que el reloj
emite 4000 millones de señales por
segundo es decir estos circuitos son
extremadamente rápidos un procesadora
actual realiza millones y millones de
operaciones por segundo la próxima vez
que os quejéis de que vuestro procesador
va lento recordar que en el tiempo en el
que tardáis en quejaros vuestro
procesador ya ha hecho miles de millones
de operaciones vamos que Lento no es
volviendo al tema de los flip flop con
un flip flop podemos almacenar un número
cer o uno pero añadiendo varios flip
flop podemos llegar a guardar números
más grandes y aquí entra en juego el
decodificador del que hemos hablado
antes cuando tengo una memoria muy
grande con un montón de flip flops puedo
enviar por ejemplo la señal 5 y el
decodificador me responderá con lo que
hay en la posición de memoria cinco por
lo tanto ahora ya podemos realizar
operaciones en nuestro procesador
podemos guardarlas en memoria y podemos
acceder a esa memoria ya tenemos
prácticamente un procesador completo
pero nuestro procesador es muy tonto es
decir no hace nada puede sumar puede
guardar en memoria pero todavía no hace
nada no podemos programar nada nos falta
el último elemento y probablemente el
más importante la máquina finita de
Estados qué es esto vamos a explicarlo
por un con un ejemplo imaginaos que
tenemos una máquina ex prendedora la
máquina finita de estado siempre piensa
en un estado en este caso el estado cero
sería esperando cuando un cliente llega
mete el dinero cuando la máquina detecta
que ha metido el dinero saltaría al
Estado contando dinero en el que
contaríamos cuánto nos han metido y lo
almacenaríamos en memoria después
saltarías al estado esperando a que el
cliente elija producto cuando el cliente
pulsa comprobaríamos el dinero que ha
metido y lo que cuesta lo que ha pedido
si ha metido dinero suficiente saltaría
a estado sacando producto donde
sacaríamos el producto para que el
cliente lo cogiera el cambio Si el
precio del producto es mayor que lo que
ha metido devolvería el dinero y le
diríamos que no se le puede dar ese
producto porque es más caro del dinero
que ha metido después en ambos casos
volveríamos al Estado inicial esperando
a que otro cliente metira el dinero es
una máquina exprendoras pero nos sirve
para explicar lo que es una máquina
finita de Estados siempre funciona igual
leemos un número y basándonos en ese
número pasamos a un estado o otro veamos
cómo funciona nuestro procesador cuando
lo encendemos leemos la posición cero de
memoria y en esa posición tenemos una
instrucción y la decodificamos por
ejemplo esa instrucción puede ser suma
la posición cuatro de memoria y la
posición cco el resultado déjalo en la
posición seis por lo tanto lo primero
que tenemos que hacer es obtener los
datos de la posición cuatro y la cinco
de memoria estos datos los enviamos
luego a la unidad aritmetic lógica o alu
esta unidad estaría formada por los
sumadores restadores y demás elementos
que hemos visto antes por lo tanto
nuestra alu realizaría la suma y después
el resultado lo guardamos en la posición
de memoria 6is que es lo que nos
indicaba la instrucción ahora sumamos
uno al contador de instrucciones por lo
tanto pasamos a la siguiente instrucción
y la siguiente instrucción por ejemplo
puede ser Mira la posición seis que es
donde hemos guardado el resultado de
antes y si es mayor que cinco salta la
instrucción número 100 si es menor que c
o igual a cinco pasa a la siguiente
instrucción todos los procesadores se
basan en instrucciones tan simples como
estas es decir súmame estos números
salta la posición no sé cuál compara si
este número es menor que cinco nuestro
procesador funciona con instrucciones
tan sencillas como esas cuando por
ejemplo decimos Ábreme Google Chrome o
Muéstrame esta imagen esa instrucción
que nosotros le damos a nuestro sistema
operativo se va a dividir luego en miles
o millones de instrucciones más
pequeñitas y simples que llegan al
procesador pero recordad que nuestro
procesador puede ejecutar miles de
millones de instrucciones por segundo
Por lo tanto dividirlo en millones de
instrucciones no es problema de hecho la
velocidad a la que se carga un programa
o se carga una imagen va a depender de
la velocidad de la memoria donde esté
guardada esa imagen o ese programa más
que la velocidad del procesador tengas
un i7 un i3 o tengas lo que tengas tu
procesador va a funcionar con
instrucciones tan sencillas como estas y
no te vas a encontrar en los circuitos
de tu procesador ningún elemento que no
hayamos visto en este vídeo todos los
circuitos que puedas encontrar en el
procesador más moderno actualmente se
forman a partir de los circuitos que
hemos visto en este vídeo ahora bien en
este vídeo hemos visto un procesador con
muy poquitos transistores en un
i76700k por ejemplo habría 1700 millones
de transistores en el seon tope de gama
con 22 núcleos tendríamos 7200 millones
de transistores vamos una burrada y es
increíble que tantos transistores se
puedan meter en un espacio tan pequeñito
como última curiosidad aquí tenéis una
simulación del funcionamiento del
procesador mos 6502
este procesador se usó por ejemplo en la
nes la acomodador ped o el Apple 2 y
podríamos decir que este procesador fue
el que introdujo los ordenadores
personales además inspiró la
arquitectura Arm arquitectura en la que
se basan todos los procesadores de los
móviles y tablets actuales por lo tanto
el mundo de la tecnología no sería el
que es sin este procesador el procesador
funcionaba 1 mhz es decir
0,001 ghz y era de 8 bits y bueno con
esta simulación final para que veáis
cómo funcionaría unes real acabamos
Espero que os haya gustado el vídeo que
hayáis aprendido Y si os ha gustado
dejar en los comentarios o darle a like
Porque si veo que este vídeo gusta
Entonces haré uno sobre cómo funcionan
las tarjetas gráficas hasta el siguiente
vídeo adiós
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