¿Cómo se gestiona a sí misma una CPU? Así funciona la unidad de control

Si tuviéramos que definir en qué partes se compone un procesador entonces lo más seguro es que en el 99% de las veces haríamos una línea divisoria entre dos partes, por un lado, las unidades de ejecución y todos los elementos necesarios para su funcionamiento y por otro lado la unidad de control, la cual se encarga de la captación, pero especialmente de la decodificación de cada instrucción, para ello tenemos que entender el ciclo de instrucción.

Para entender cómo funciona la unidad de control hemos de entender previamente cómo funciona el ciclo de cada instrucción, dónde primero se capta una instrucción de la memoria y es colocada en el registro de instrucción, el siguiente paso es la descodificación de la instrucción por parte de la unidad de control, la cual tras terminar su trabajo envía la instrucción a la unidad de ejecución que corresponda a esa instrucción.

¿Cuáles son las tareas de la Unidad de Control?

unidad de control

La unidad de control es una pieza indispensable que realiza la siguiente lista de trabajos de manera continua y transparente:

  • Coordina el movimiento y el orden de los datos que se mueven dentro y fuera del procesador, así entre las diferentes subunidades que forman parte del mismo.
  • Interpreta las instrucciones.
  • Controla las diferentes ALUs y unidades de ejecución del procesador.
  • No solo se encarga de captar y decodificar las instrucciones, sino también de escribir los resultados en los registros, caches o en la dirección correspondiente de la RAM.

La unidad de control es por tanto el verdadero cerebro en la sombra dentro de la CPU, el que se encarga de gestionar que todas las piezas de la CPU reciban los datos correctos y ejecuten las instrucciones correctas en cada momento.

Se encarga de dos de las tres etapas del ciclo de instrucción de la CPU como es la captación de datos e instrucciones, así como la decodificación de las mismas. Aunque el trabajo por el cual es más conocida es por la descodificación de las diferentes instrucciones que ha de ejecutar el procesador. Veamos a continuación cómo se realiza este proceso de manera sencilla.

La Decodificación de instrucciones

Decodificación InstruccionesCada procesador tiene un conjunto de registros e instrucciones o ISA que podemos entender como el idioma del procesador, por lo que dependiendo de cada procesador un código binario puede significar una cosa u otra. Pero, en todos ellos la instrucción siempre se divide en dos partes: el opcode y el dato. El opcode es el código de instrucción, a cada instrucción le corresponde siempre el mismo opcode dentro de una ISA

Suponed que tenemos un ordenador con un opcode de 3 bits por lo que esto da 2^3 instrucciones, a través de un decodificador de n bits podemos generar una salida de 2^n bits, en este caso 3 bits generan 8 caminos distintos, según el tipo de instrucción a ejecutar se tomará un camino u otro para solucionarla durante la etapa de ejecución de la instrucción.

No todas las instrucciones van a pasar por las mismas unidades y los mismos procesos, no todas tienen un pipeline de la misma longitud y por tanto no van a tener todas el mismo trato, porque no es lo mismo realizar una suma que mover un dato.

Tipos de unidades de control

Procesador Render

Principalmente tenemos dos tipos de unidades de control, la cableada y la microprogramada.

  • Las unidades de control cableadas se utilizan en procesadores muy simples, ya que en ellas la tabla de registros e instrucciones no se puede cambiar al encontrarse todos los caminos de datos cableados previamente de manera fija, en una unidad de control cableada las instrucciones van a tener siempre el mismo rendimiento y no se van a poder añadir de nuevas ni optimizar su funcionamiento.
  • En el caso de las unidades de control microprogramadas se utiliza un procesador que se encarga de realizar todas las funciones de la unidad de control, esto permite optimizar la forma en la que las instrucciones se van a ejecutar e incluso añadir nuevas instrucciones.

Debido a la complejidad de la unidad de control microprogramada, estas realizan la decodificación de las instrucciones de manera mucho más lenta, es por ello que según el tipo de instrucción se hace uso de un tipo de unidad de control o de otro a la hora de tratar cada una de las instrucciones.

Las unidades microprogramadas suelen estar compuestas por un microcontrolador dentro del procesador. Su principal ventaja es que el fabricante puede optimizar cómo se capta y decodifica cada instrucción o incluso hacer cambios si hay un error de seguridad en la forma de ejecutar ciertas instrucciones. Esto es clave para cuando hay amenazas graves que pueden aprovechar los puntos débiles de la CPU como lo que ocurrió con Spectre y Meltdown.

Las GPU también tienen una unidad de control

Unidad control GPU

En realidad tiene dos distintas en su arquitectura, ya que el procesador de comandos es en sí misma una unidad de control, la cual se encarga de coger las listas de pantalla y de computación que escribe la CPU en una parte de la memoria, pero al contrario que con las unidades de control clásicas lo que hacen es asignar las tareas a las diferentes unidades shader y unidades de función fija. Se puede decir que el procesador de comandos es un enorme centro logístico, pero al contrario que una unidad de control convencional solo se encarga de la captación de los datos.

Dentro de cada unidad shader existe un planificador, este es el encargado de traducir las instrucciones a la ISA de la GPU para que sus unidades de ejecución las puedan ejecutar. Pero su funcionamiento es distinto a la Unidad de Control de una CPU y esto es debido a que en una GPU no se ejecutan programas de manera normal. En una GPU cada «programa» es una manipulación concreta sobre un píxel o un vértice, por lo que no importa en qué orden se solucionen en cada una de las subetapas del pipeline 3D. Simplemente si un hilo de ejecución no puede ser resuelto en el tiempo estipulado, entonces la unidad de control lo retrasa.

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