Procesador y memoria: chisme 97 del Lince

Una CPU, una memoria y un programa que tienes que escribir tú: así se ve lo que pasa por debajo. Vamos a ver procesador y memoria.

Los robots Macrothele funcionan, pero el Lince quiere entender por qué. En su taller hay una placa vieja con un procesador minúsculo y 32 celdas de memoria. La Gata Montesa la mira y dice: «Antes de pedirle nada a un ordenador, averigua qué hace con cada orden. Lo que parece magia es una lista muy larga de pasos muy simples».

Introducción

Cuando abres una aplicación, el ordenador no entiende lo que quieres. Solo ejecuta órdenes muy simples, una detrás de otra: leer un número, sumarlo, guardarlo o saltar a otra orden. Todo lo demás se construye encima de eso.

En este chisme construimos una CPU y una memoria, las dos piezas que hacen trabajar a cualquier ordenador, y las programamos con un conjunto muy pequeño de órdenes.

Por qué este chisme

Muchos alumnos usan ordenadores todos los días sin saber qué hay dentro. Entender la CPU y la memoria explica por qué un programa tarda más con más datos, por qué un bucle mal hecho nunca termina y por qué los programas y los datos viven en el mismo sitio.

Cómo funciona

Un procesador (CPU) tiene tres piezas que nos interesan. La memoria guarda datos y órdenes en celdas numeradas, cada una con un número de 0 a 255. Los registros son casillas muy rápidas dentro de la CPU: aquí usamos el registro A como calculadora. La unidad de control repite un ciclo para cada orden: buscarla, entenderla y ejecutarla.

El programa vive en la memoria, junto a los datos. Por eso, si la memoria es pequeña, el programa debe ser corto. Y como la CPU lee una orden detrás de otra, cuanto más hace un programa, más tarda.

La ley de Moore es una observación sobre cuántos transistores caben en un chip. Explica por qué los procesadores han crecido tanto, aunque no es una ley física.

Qué necesitamos

• Un navegador moderno (Chrome o Edge). No hace falta instalar nada.
• La página del simulador: simulador del chisme 97.

Construcción

1. Abre el simulador y elige el ejemplo 1. Pulsa Cargar en memoria.
2. Pulsa Paso y mira qué cambia en cada celda y en el registro A.
3. Cambia al ejemplo 2, el de multiplicar con un bucle, y ejecútalo hasta el final.
4. Modifica el programa para que multiplique otros números y comprueba el resultado.

El programa de ejemplo

Este es el programa del ejemplo 2: multiplica 4 por 3 sumando el 4 tres veces. Cada línea es una orden, y cada orden ocupa dos celdas: el código y su argumento.

CARGA 29
SUMA 24
GUARDA 29
CARGA 28
RESTA 27
GUARDA 28
SALTA_SI_CERO 16
SALTA 0
CARGA 29
MUESTRA
FIN

Cómo probarlo

Ejecuta el ejemplo 1: la pantalla debe mostrar 8. Después ejecuta el ejemplo 2: debe mostrar 12. Cuenta cuántos pasos da la CPU en cada caso.

Qué estamos midiendo realmente

• Un paso no es un segundo. El simulador ejecuta una orden por pulsación. Un procesador real hace miles de millones de ciclos por segundo, pero el ciclo es el mismo.
• El programa es un número más. Si cambias una celda de programa por accidente, el programa hace otra cosa.
• Los errores son reales. El registro A solo guarda de 0 a 255. Si sumas más, vuelve a empezar desde 0: es un desbordamiento.
• Un bucle mal hecho no termina. El simulador se detiene tras 500 pasos.

Para el aula

• Predice qué muestra el ejemplo 1 antes de ejecutarlo. Después compruébalo paso a paso.
• Cambia el valor de la celda 25 del ejemplo 1 a 9. ¿Qué pasa si el resultado supera 255?
• Cambia el programa del ejemplo 2 para que multiplique 6 por 5. ¿Qué celdas tienes que cambiar?
• Escribe un programa que muestre 7 en la pantalla usando solo sumas.

Retos

1. Haz que funcione. Ejecuta el ejemplo 1 y comprueba que la pantalla muestra 8.
2. Modifica algo. Haz que el ejemplo 2 multiplique 7 por 4.
3. Escribe el tuyo. Programa que reste dos números y muestre la diferencia.
4. Provoca un desbordamiento. Busca dos números que, sumados, pasen de 255, y explica qué muestra la pantalla.
5. Mide el coste. Compara cuántos pasos necesita 3 × 4 y cuántos 3 × 40. ¿Qué crece más?

Para seguir investigando

• La placa de la pizarra de LEDs con micro:bit (chisme 24) tiene su propio procesador. Compara con lo que has visto aquí.
• El letrero del lince (chisme 25) usa una placa ESP32 con más memoria y más potencia.

Qué hemos aprendido

Un ordenador es una CPU que lee órdenes de la memoria, una a una, y las ejecuta con un ciclo muy simple. Los programas no son magia: son listas de órdenes que viven junto a los datos.

Los Macrothele ya tienen un procesador que el Lince entiende. Ahora sabe por qué un programa tarda lo que tarda y por qué un error pequeño puede hacer que todo falle.

Prototipo educativo: el procesador es imaginario y mucho más simple que uno real.