Los cajones de almacenamiento en la CPU: los registros

Si estás empezando a aprender sobre cómo funcionan los ordenadores y a estudiar Computación, probablemente hayas oído hablar de los procesadores (CPU) y lo importantes que son para ejecutar programas y realizar cálculos. Sin embargo, no podemos pensar que la CPU es un todo indivisible. Este “cerebro” dentro del ordenador está compuesto por varias partes, como la unidad de control, la unidad aritmético-lógica o la memoria caché. Además de éstas, existen los registros en el procesador, usados para guardar datos de forma temporal. En este artículo vamos a explorar qué son los registros (registers en inglés), qué tipos hay y porque son importantes en Computación. Para ello, utilizaremos ejemplos explicativos que te ayudarán a entender cómo funcionan. Antes de eso, definamos qué es un registro.

¿Qué son los registros en un procesador?

Un registro es un pequeño espacio de almacenamiento temporal que existe dentro del procesador. Es decir, como un cajón que tiene un espacio limitado (de unos pocos bits) para almacenar datos no permanentes. A diferencia de la memoria RAM, que está fuera del procesador, los registros están ubicados directamente dentro de la CPU, lo que les permite acceder a los datos de manera extremadamente rápida. Los registros contienen datos que la CPU está utilizando en ese momento, lo que permite que las operaciones se realicen sin tener que acceder a la memoria más lenta.

Para entender esto, veamos un ejemplo. Imagina que la CPU es como un trabajador de oficina que necesita realizar cálculos rápidamente. Los registros serían como pequeñas notas adhesivas donde el trabajador anota temporalmente números importantes que está utilizando en ese instante. En lugar de ir a su archivador (memoria RAM) cada vez que necesita un número, lo tiene justo frente a él en esas notas, lo que hace el proceso mucho más rápido.

¿Cuál es el tamaño de los registros en la CPU?

Los registros son muy pequeños comparados con la memoria principal de una computadora; mientras que una computadora puede tener gigabytes (GB) de memoria RAM, los registros solo pueden almacenar unos pocos bytes de información. Por ejemplo, los procesadores modernos (como los incluidos en esta guía, tienen registros de 64 bits). Sin embargo, los procesadores más antiguos tenían menos bits: 32, 16, 8 o 4.

Sin embargo, el tamaño de los registros no es lo que les hace importantes. Su velocidad es lo que los hace tan necesarios para el buen funcionamiento de un ordenador; trabajan en perfecta sincronización con la CPU para que todo funcione de manera eficiente.

Tipos de registros en un procesador

Existen diferentes tipos de registros, cada uno con una función específica dentro del tremendo trabajo que realiza la CPU. A continuación, exploramos los más comunes y te mostramos ejemplos de cómo funcionan.

1. Registros de propósito general (general-purpose registers)

Los registros de propósito general se utilizan para almacenar datos temporales que el procesador necesita para realizar cálculos u otras operaciones. Estos registros son extremadamente flexibles y se utilizan en una amplia gama de tareas dentro de la CPU.

Para entenderlo, imagina que estás sumando dos números en tu calculadora. Cuando introduces el primer número, ese valor se almacena en un registro de propósito general (digamos, en el registro A). Luego introduces el segundo número, que se almacena en otro registro (registro B). La CPU toma los valores de ambos registros, realiza la suma y luego guarda el resultado en un tercer registro (registro C). Todo esto ocurre de manera muy rápida dentro de la CPU. Usando un lenguaje ensamblador para que entendamos este problema con los números 5 y 7, su código sería:

01. LDM #5 //el número 5 se introduce por teclado en el ordenador y se guarda temporalmente en el acumulador

02. STO A //el número 5 (existente en el acumulador) se guarda en el registro A

03. LDM #7 //el número 7 se introduce en el ordenador y se guarda en el acumulador

04. STO B //el número 7 (existente en el acumulador) se guarda en el registro B

05. ADD A //se suma el contenido del acumulador (7) con el valor del registro A (5)

06. STO C //la suma se guarda en el registro C

2. Registros de índice

Los registros de índice se utilizan para almacenar direcciones de memoria. En lugar de almacenar datos directamente, estos registros apuntan a ubicaciones específicas en la memoria donde se encuentran los datos.

Por ejemplo, imagina que estás frente a una estantería llena de libros.

El registro de índice te indicaría en qué posición desde el inicio de la estantería a la derecha, se encuentra el libro que estoy buscando. Si por ejemplo, estoy buscando el quinto libro contando desde la izquierda, el registro de índice contendría el valor 5.

Veamos otro ejemplo. Supongamos que estás editando un archivo de texto grande. En lugar de mover todo el archivo a los registros de propósito general (lo cual sería muy ineficiente), la CPU puede utilizar un registro de índice para recordar en qué parte del archivo estás trabajando. De esta manera, cuando necesites acceder a una parte específica del archivo, el procesador solo tiene que consultar el registro de índice para encontrar la ubicación correcta en la memoria.

3. Registros acumuladores

Un acumulador es un tipo especial de registro que almacena el resultado de operaciones matemáticas o lógicas. De hecho, lo hemos mencionado al principio, en el apartado de los registros de propósito general. Así, cada vez que la CPU realiza una operación (como sumar, restar o comparar valores), el resultado se almacena en el acumulador. Éste resultado acumulado es temporal, ya que cuando se produzca una nueva operación (sea cual sea), el antiguo valor del acumulador será sobrescrito por el nuevo.

¿Cómo funciona el acumulador? Piensa que, si estás realizando una serie de operaciones matemáticas, como sumar varios números uno tras otro, el acumulador guarda el total parcial de esas sumas. Por ejemplo, si estás sumando 5 + 3 + 2, el acumulador primero almacenará el 5, luego sumará 3 y almacenará el nuevo total (8), y finalmente sumará 2 para llegar a un total final de 10, que seguirá almacenado en el acumulador.

4. Registros de puntero de pila (StackPointer, SP)

El registro de puntero de pila es responsable de rastrear la ubicación de la pila.

Una pila (stack en inglés) es una estructura de datos que se utiliza para gestionar las llamadas a funciones y el almacenamiento temporal de datos. Este registro apunta a la parte superior de la pila en todo momento, permitiendo a la CPU guardar y recuperar datos de manera eficiente. Esto es así porque una pila de datos permite la entrada y la salida de los mismos desde la posición superior de la misma, como se ve en la siguiente imagen:

Por ejemplo, cuando tu ordenador ejecuta una función dentro de un programa, utiliza la pila para guardar temporalmente información como la dirección de retorno (dónde debe continuar el programa una vez que termine la función). El registro SP mantiene un seguimiento de la parte superior de esa pila, de modo que cuando se necesiten recuperar los datos, la CPU puede acceder rápidamente a ellos.

5. Registros de banderas (o flags)

Los registros de banderas no almacenan datos como lo hacen otros registros, sino que contienen pequeños indicadores que señalan el estado actual de la CPU. Estos indicadores pueden mostrar si el último cálculo resultó en cero (Zero Flag, Z), si hubo un desbordamiento (Overflow Flag, O), o si la operación generó un número negativo (Negative Flag, N), entre otros.

Para comprenderlo, imagina que estás dividiendo dos números. El procesador verificará si el resultado de esa división es cero, y si lo es, establecerá una bandera de «resultado cero». Esto es importante porque algunos programas necesitan saber si se ha producido un error, como la división por cero, para poder manejarlo de manera adecuada.

Cómo influyen los registros en el rendimiento de la CPU

Los registros son clave para el rendimiento del procesador. Sin ellos, la CPU no sería tan veloz y eficiente. Veamos cómo afectan los registros al rendimiento, a partir de estos hechos:

• Como los registros son extremadamente rápidos, la CPU puede realizar operaciones mucho más rápidamente que si tuviera que acceder a la memoria RAM para obtener cada dato.
• Cuantos más registros tenga un procesador, se tiene que:
  • Más información puede manejar simultáneamente sin tener que depender de la memoria externa. Esto no solo reduce el tiempo de acceso a los datos, sino que también mejora la eficiencia del procesamiento, permitiendo a la CPU ejecutar instrucciones más rápidamente y con menos interrupciones.
  • Puede reducir la necesidad de operaciones de carga y almacenamiento frecuentes entre la CPU y la memoria, minimizando las latencias asociadas con estos accesos y optimizando el flujo general de ejecución de programas.
• La capacidad del procesador para gestionar más datos internamente se traduce en un rendimiento más fluido y eficiente, especialmente en aplicaciones que requieren un alto grado de procesamiento paralelo o que manejan grandes volúmenes de datos.

Conclusión: La importancia de los registros en el procesador

En resumen, los registros en un procesador son como pequeñas áreas de almacenamiento que permiten que la CPU acceda a los datos de forma extremadamente rápida. Cada tipo de registro tiene una función específica, y todos juegan un papel crucial en la eficiencia y el rendimiento del procesador.

Saber cómo funcionan los registros te ayudará a comprender mejor cómo los procesadores manejan los datos y cómo estos impactan en el rendimiento de tu ordenador. Así que, la próxima vez que pienses en el funcionamiento interno de tu CPU, recuerda que los registros están en el corazón de todas las operaciones que realiza. No pienses en el procesador como un todo, porque no lo es. Intenta verlo como una suma perfecta de diferentes secciones que, trabajando al unísono hacen que tu ordenador funcione como se espera de él.

Un saludo y ¡hasta la próxima!