¿Qué es la unidad de control?
La unidad de control es un circuito digital que gobierna las operaciones y maneja todas las señales de control dentro del procesador de una computadora. Permite que la unidad lógica, la memoria y los periféricos de entrada y salida sepan cómo replicar a las órdenes recibidas de un programa. Por tanto, encamina todo el flujo de entrada y salida, busca el código de las operaciones de los programas y dirige otras unidades enviando señales de temporización y de control.
Una unidad de control actúa al admitir los datos de entrada, que transforma en señales de control y que posteriormente son transmitidas al procesador central. El procesador ordena a los diferentes dispositivos qué operaciones deben realizar.
Esta unidad es el componente del procesador que actúa como su cerebro, porque genera las instrucciones para casi todas las operaciones y garantiza que las mismas se ejecuten correctamente.
Ejemplos de dispositivos que utilizan unidades de control son la unidad central de procesamiento (CPU) y la unidad de procesamiento de gráficos (GPU).
Componentes de la unidad de control
Para ejecutar una acción, la unidad de control de la CPU debe producir la señal de control necesaria en la secuencia adecuada. Hay dos enfoques que se utilizan para generar estas señales de control en la secuencia correcta.
- Unidad integrada. La unidad de control está constituida por compuertas lógicas, flip-flops, circuitos digitales, codificadores y decodificadores, que se encuentran cableados de una forma ya establecida. Se puede considerar como un aparato de estados, que varía de un estado a otro en cada ciclo de reloj, dependiendo del contenido del registro de instrucciones y las entradas externas. La salida de este aparato de estados son las señales de control. La secuencia de las operaciones realizadas por esta máquina está determinada por el cableado de los elementos lógicos. Por esta razón se denomina “integrada”. El diseño está basado en una arquitectura específica. Cuando se requieran cambios en el conjunto de instrucciones, se deben realizar cambios en el cableado y el circuito. Esta es la base para la arquitectura de cómputo de un conjunto reducido de instrucciones (RISC), que solo tiene un pequeño número de instrucciones.
- Señales de control. Las señales de control son fundamentales para dirigir la ejecución de las operaciones. Son difundidas por circuitos lógicos expresamente diseñados, en los que no se puede modificar el método de generación de las señales sin un cambio físico de la estructura del circuito. Las señales de control para efectuar una operación deben difundirse no en un único punto en el tiempo, sino durante todo el período de tiempo correspondiente al ciclo de ejecución de la instrucción. El código de operación de una instrucción incluye la información básica para difundir la señal de control.
- Decodificador de instrucciones. El código de operación se decodifica en el decodificador de instrucciones. Este está constituido por un conjunto de decodificadores que decodifican los diferentes campos del código de operación de la instrucción. El decodificador de instrucciones consiente que la unidad de control ingrese al primer estado vinculado con la ejecución de la nueva operación, el cual dura tanto tiempo como permanezcan sin alterarse las señales de temporización y otras señales de entrada. Un cambio de cualquiera de las señales mencionadas incita que cambie el estado de la unidad de control. Como resultado, algunas líneas que salen del decodificador de instrucciones adquieren valores en la señal. Estas líneas se encuentran acopladas al dispositivo generador de señales de control para las diferentes unidades de la computadora. Repitiendo la organización de estas fases se estructura en la unidad de control el ordenamiento apropiado de estados internos. Cuando llega una nueva instrucción a la unidad de control, las unidades integradas se encuentran en el estado inicial para recuperar la nueva instrucción.
- Unidad microprogramada. La diferencia esencial de este enfoque con respecto a la unidad integrada es la existencia de un almacén de control, que se utiliza para almacenar los microprogramas que incluyen las señales de control codificadas imprescindibles para la ejecución de una operación. No se va a decodificar el código de operación de la instrucción para crear en seguida una señal de control, sino que se indicará la dirección de un microprograma que está almacenado en el almacén de control. Es decir, las señales de control adjuntadas con las instrucciones están almacenadas en celdas especiales de memoria como microprogramas reemplazables. La unidad de control microprogramada es más lenta que la unidad integrada debido al tiempo que tarda restaurar las operaciones que se encuentran en la unidad de memoria.
Funciones de la unidad de control
- Interpretación de instrucciones. Lee y decodifica instrucciones almacenadas en la memoria, interpretando su significado y determinando qué operación debe ejecutarse a continuación.
- Secuenciación de operaciones. Organiza y controla el orden en que se ejecutan las instrucciones, asegurando que cada paso del ciclo de instrucción se realice en la secuencia correcta (ciclo de búsqueda, decodificación, ejecución y almacenamiento).
- Generación de señales de control. Envía señales de control a otros componentes del procesador, como la unidad aritmético-lógica (ALU), la memoria, los registros y los buses de datos, para coordinar el flujo de información entre ellos y la ejecución de las operaciones.
- Control del flujo de datos. Controla el movimiento de datos dentro del procesador y entre el procesador y otros componentes del sistema, como la memoria y los dispositivos de entrada/salida. Esto incluye el envío de datos desde la memoria a los registros o desde los registros a la ALU.
- Sincronización. Se asegura de que todas las operaciones dentro del procesador estén sincronizadas, utilizando el reloj del sistema para garantizar que las diferentes partes del procesador realicen sus tareas de manera ordenada y a la velocidad adecuada.
- Gestión de interrupciones. Responde a las señales de interrupción, que pueden ser generadas por dispositivos de hardware o por software. Cuando ocurre una interrupción, la unidad de control decide si detener temporalmente la ejecución del programa actual y atender la solicitud de interrupción.
- Control de operaciones de entrada/salida. Coordina la comunicación entre la CPU y los dispositivos de entrada/salida (E/S), asegurándose de que los datos se transfieran correctamente entre la memoria y los dispositivos periféricos.
- Ejecución de instrucciones lógicas y aritméticas. Aunque la unidad aritmético-lógica (ALU) realiza las operaciones matemáticas y lógicas, la unidad de control es la encargada de decirle cuándo debe realizar estas operaciones y con qué datos.
- Decodificación de direcciones de memoria. Ayuda a identificar las direcciones de memoria en las que se encuentran las instrucciones y los datos que deben ser accedidos durante la ejecución de los programas.
- Control del modo de operación del procesador. Puede cambiar el modo de operación del procesador (como los modos usuario o supervisor) según lo necesiten el sistema operativo o las aplicaciones que se estén ejecutando.
Referencias
- Control Unit (CU). Recuperado de techopedia.com.
- Control unit. Recuperado de computerhope.com.
- Computer Organization: Hardwired v/s Micro-programmed Control Unit. Recuperado de geeksforgeeks.org.
- Introduction of Control Unit and its Design. Recuperado de geeksforgeeks.org.
- Control unit. Recuperado de en.wikipedia.org.