De Transistores a CPU

Prologo

Como "piensa" la computadora? Probablemente sabes que la CPU es el "cerebro" del ordenador, pero como funciona realmente? Como pasa de metal y plastico a un dispositivo inteligente capaz de ejecutar programas y procesar datos? Este capitulo te lleva desde los transistores mas basicos hasta entender los principios de construccion de la CPU.

Que aprenderas en este articulo?

Comprension de terminos: "frecuencia de CPU", "multinucleo", "set de instrucciones" ya no seran misterios
Perspectiva de ejecucion de codigo: ver como una linea de codigo pasa por fetch, decode, execute, writeback
Pensamiento en capas de abstraccion: entender como cada capa sirve a la superior

Capitulo	Contenido	Concepto clave
Capitulo 1	Transistores	Interruptores del mundo digital
Capitulo 2	Puertas logicas	Implementacion fisica de la logica booleana
Capitulo 3	Unidades funcionales	Sumadores, registros, multiplexores
Capitulo 4	Nucleo CPU	Fetch, decode, execute, writeback

0. Vision general: De la arena a la inteligencia

La capacidad de "pensamiento" de las computadoras modernas proviene de algo muy simple: el interruptor.

Cuando la corriente pasa por un interruptor, esto representa "1"; cuando no pasa, "0". Si tenemos miles de millones de estos interruptores, y podemos hacer que la salida de uno controle a otro, podemos construir redes logicas increiblemente complejas.

La clave para entender los sistemas computacionales es la abstraccion. Desde la arena hasta la inteligencia, hay cuatro niveles:

Desglose por capas

Capa 1: Transistores (miles de millones) -- El "interruptor" mas basico. MOSFET: aplicar voltaje a la puerta permite el flujo entre fuente y drenaje
Capa 2: Puertas logicas (miles de millones) -- Transistores conectados forman AND, OR, NOT, XOR -- matematicas booleanas en circuitos
Capa 3: Unidades funcionales (cientos) -- Combinacion de puertas logicas: sumadores, multiplexores, registros
Capa 4: Nucleo CPU (1-128 nucleos) -- Centro de comando: fetch, decode, execute, writeback

1. Transistores: Interruptores del mundo digital

MOSFET transistor diagram -- click to toggle Gate voltage

Source
Source

Gate0

Open -> output 0

Drain
Drain

👆 Click to toggle Gate voltage

1.1 Que es un transistor?

Un transistor es un dispositivo semiconductor que podemos abstraer como un "interruptor" perfecto:

Fuente (Source) y Drenaje (Drain): como los dos extremos de una tuberia
Puerta (Gate): la valvula que controla el flujo

La diferencia clave: no controlamos con la mano, sino con voltaje. Cuando un interruptor puede ser controlado por la senal electrica de otro interruptor, cruzamos el abismo de la "intervencion humana" a la "computacion automatica".

1.2 Como representan 0 y 1?

Alto voltaje (ej: 3.3V) = logico 1 (True)
Bajo voltaje (cercano 0V) = logico 0 (False)

1.3 Evolucion del numero de transistores

Ano	Procesador	Transistores	Proceso
1971	Intel 4004	2,300	10um
1993	Intel Pentium	3.1M	800nm
2006	Core 2 Duo	291M	65nm
2020	Apple M1	16B	5nm
2023	Apple M3 Max	92B	3nm

2. Puertas logicas: Calcular con interruptores

Four Basic Logic GatesThe building blocks of all digital computing

ANDAND gate

Operation:A ∧ B

Outputs 1 only when both inputs are 1

Series switches: both switches must be closed

Truth table

A	B	Output
0	0	0
0	1	0
1	0	0
1	1	1

OROR gate

Operation:A ∨ B

Outputs 1 when at least one input is 1

Parallel switches: either switch can close the circuit

Truth table

A	B	Output
0	0	0
0	1	1
1	0	1
1	1	1

NOTNOT gate

Operation:¬A

Inverts the input: 0 becomes 1, 1 becomes 0

Inverter: on becomes off, off becomes on

Truth table

A	Output
0	1
1	0

XORXOR gate

Operation:A ⊕ B

Outputs 1 only when the two inputs are different

Difference detector: different means true

Truth table

A	B	Output
0	0	0
0	1	1
1	0	1
1	1	0

Core idea: Logic gates turn physical circuit on/off states into mathematical true/false operations. They are the bridge from hardware to software logic.

2.1 Puertas basicas

AND: Todas las entradas deben ser 1 para que la salida sea 1. Como dos llaves en serie.
OR: Si una entrada es 1, la salida es 1. Como llaves en paralelo.
NOT: Invierte la entrada. 1 se convierte en 0, 0 en 1.
XOR: La salida es 1 cuando las entradas son diferentes. "Detector de diferencia".

2.2 Sumar con puertas logicas

Un XOR (para la suma) + un AND (para el acarreo) = semisumador (Half Adder).

Half Adder -- Interactive DemoClick inputs A and B to see the result for one binary column

+=00

▲ Carry: pass a 1 to the column on the left ▲ Sum: the digit written in this column

0 + 0 = 0. Write 0 in this column, with no carry.

All possible cases

0000

0110

1010

1101

Look closely at the table and two patterns appear:

The sum column is 1 only when A and B are different. This is XOR.
The carry column is 1 only when A and B are both 1. This is AND.

The circuit is connected like this:

A = 0

B = 0

XOR gate

Different -> 1

Output: 0

AND gate

All 1 -> 1

Output: 0

Sum
0

Carry
0

El semisumador solo acepta dos entradas. Para sumas multinumero necesitamos el sumador completo (Full Adder) que acepta tres entradas (A, B, y el acarreo anterior).

Full Adder -- Interactive DemoA full adder adds one more input: carry-in (Cin) from the lower bit. Click the three inputs to try it.

++=01

ABCarry-inCarrySum

1 + 0 + 0 = 1. Write 1 in this column, with no carry.

Compared with a half adder: A full adder adds a third input: carry-in (Cin). In multi-bit addition, each column adds A, B, and the carry from the column on the right.

All 8 cases (3 inputs -> 2³ = 8)

00000

00110

01010

01101

10010

10101

11001

11111

Inside a full adder = two half adders in series

Step 1: Half adder 1

First calculate A + B

A = 1B = 0

→

Intermediate sum: 1Carry 1: 0

▸

Step 2: Half adder 2

Add the intermediate sum and carry-in

Intermediate sum = 1Cin = 0

→

Sum: 1Carry 2: 0

▸

Step 3: Merge carries

If either carry path is 1, carry 1 into the next higher bit.

Carry 1 = 0Carry 2 = 0

→

Final carry: 0

Encadenando multiples sumadores completos obtenemos sumas de multiples bits:

Ripple Carry AdderCascade multiple full adders to perform multi-bit binary addition

CascadeLower-bit Cout connects to higher-bit Cin

RippleCarry propagates bit by bit like a wave

OverflowThe highest bit produces a carry beyond the range

Bits:

A =+B ==13

A0111(7)

B0110(6)

=1101(13)

Adder cascadeHover to inspect each bit calculation

Bit 0Half adder

A1B0

Sum1Cout0

Bit 1Full adder

A1B1Cin0

Sum0Cout1

Bit 2Full adder

A1B1Cin1

Sum1Cout1

Bit 3Full adder

A0B0Cin1

Sum1Cout0

Overall calculation

Input:A = 7 (0111), B = 6 (0110)

Process:Start at bit 0, compute each sum and carry, and propagate carries toward higher bits.

Result:1101 = 13

Core idea: Carry ripples from the lowest bit to the highest bit, which is why this circuit is called a ripple carry adder. More bits increase delay, but the circuit stays simple.

Complete Adder DemoFrom logic gates to multi-bit addition -- abstraction layer by layer

Layer 1: Logic gates

The basic operation units. Each gate performs one Boolean operation.

AND gateOutputs 1 only when all inputs are 1

OR gateOutputs 1 when any input is 1

XOR gateOutputs 1 when inputs differ

AND gateA AND B

0001

>=1

OR gateA OR B

0111

XOR gateA XOR B

0110

NOT gateNOT A

Core idea: Logic gates turn voltage levels (0/1) into Boolean operations (false/true). They are where hardware starts implementing math.

Abstraction layers

◇Logic gates

→

⊞Half adder

→

⊞⊞Full adder

→

[]Multi-bit adder

→

CPUALU/CPU

3. Unidades funcionales: Combinacion de puertas logicas

Modulo	Mision	Analogia
Sumador	Motor aritmetico	Abaco incansable
Multiplexor (MUX)	Control de flujo de datos	Desvio de ferrocarril
Decodificador	Traducir instrucciones binarias	Descifrador de claves
Flip-Flop	Registrar estado	Sube y baja que mantiene posicion

Common Functional Units -- switch modules to see how they work

Multiplexer (MUX): like a railway switch, it uses the select signal to decide which data input passes through.

Data 0 (D0)

Data 1 (D1)

MUX

Select (Sel)

Output (Out)0

The select signal is 0, so the output equals data 0 (D0): 0

3.1 Registros: Almacenamiento de datos

CPU Register FileHigh-speed storage inside the CPU

Special Registers

0x00401000

Program counter

0x8B450008

Instruction register

MAR

0x00401000

Memory address register

MDR

0x00000000

Memory data register

ACC

0x0000001A

Accumulator

General Purpose Registers

RAX

0x00000000

Return value

RBX

0x00000000

Base register

RCX

0x00000000

Counter register

RDX

0x00000000

Data register

RSI

0x00000000

Source index

RDI

0x00000000

Destination index

RBP

0x00000000

Base pointer

RSP

0x7FFDE000

Stack pointer

Program Status Word (PSW / FLAGS)

CF0Carry flag

PF0Parity flag

AF0Auxiliary carry

ZF0Zero flag

SF0Sign flag

OF0Overflow flag

Registers vs Memory

Feature	Register	Memory (RAM)
Location	Inside the CPU	Outside the CPU
Access speed	Fastest (< 1ns)	Slower (50-100ns)
Capacity	Tiny (bytes)	Large (GB)
Role	Hold instructions, operands, and results	Store programs and data

La memoria se crea mediante retroalimentacion: la salida vuelve a la entrada, creando un ciclo cerrado que mantiene el estado. Cuando 32 o 64 flip-flops se alinean bajo la misma senal de reloj, obtenemos un registro.

Data Bus (Data Input)

Gate

🔒

4-bit Register (Stored State)

Control Center

Try changing the left-side input. The register value is locked while the feedback loop is closed.

4. Arquitectura CPU: De unidades funcionales al procesador

4.1 Componentes principales

ALU (Unidad Aritmetica Logica): ejecuta operaciones
Banco de registros: almacenamiento temporal ultra-rapido
Bus interno: transporte de datos entre modulos
Unidad de control: lee instrucciones, genera senales de control

CPU Internal Microarchitecture

Click a module to see its subcircuits and how it works

CPU Core (Central Processing Unit)

Address Bus

Data Bus

Control Unit

Program Counter (PC)

Instruction Register (IR)

Instruction Decoder

Clock Generator

Control signals ↓

Register File

General Registers R0-R3

Accumulator (ACC)

Arithmetic Logic Unit (ALU)

Adder Circuit

Status Flags

Control Bus

🖱️

Click a module in the CPU diagram to explore its circuit-level implementation.

4.2 Como ejecuta instrucciones la CPU?

Fetch: Leer la instruccion de memoria
Decode: Analizar que operacion realizar
Execute: Realizar la operacion en la ALU
Write Back: Escribir el resultado en registro o memoria

Detailed CPU Instruction Cycle Demo

CPU

Control Unit CU

PC256Program Counter

IR—Instruction Register

MAR—Memory Address Register

MDR—Memory Data Register

Arithmetic Logic Unit ALU

ACC0Accumulator

—

General Register File

R00

R10

R20

R30

Address Bus

Data Bus

Control Bus

→

↔

→

Main Memory

▶0x100LOAD R0, [0x200]

0x101LOAD R1, #7

0x102ADD R0, R1

0x103STORE [0x201], R0

Data Area

0x51242

0x5130

FetchFetch

DecodeDecode

ExecuteExecute

Write BackWrite Back

Step 0 / 32

Click "Clock Pulse" to step through execution, or "Auto Run" to play continuously.

Pipeline: Buscando la maxima eficiencia

En lugar de esperar a que una instruccion complete las 4 etapas antes de comenzar la siguiente, el pipeline permite superponerlas: mientras la instruccion A se ejecuta, la B se decodifica y la C se busca.

5. Resumen: A traves de las capas de abstraccion

Fisica macro: Arena (dioxido de silicio)
Fisica micro: Miles de millones de transistores
Algebra digital: Puertas logicas AND/OR/NOT
Modulos microarquitectonicos: Unidades funcionales
Arquitectura compleja: CPU
Reino de aplicaciones: Software e Internet

Reflexion final

El llamado poder de computo no es mas que una enorme cantidad de interruptores reorganizandose en un espacio cerrado; al compas del reloj, completan calculos complejos en esta pequena oblea de silicio.

"Cantidad conduce a salto cualitativo" -- esta frase se verifica continuamente en la arquitectura de computadoras.

Lectura adicional

Libro clasico: "Computer Organization and Design" - Patterson & Hennessy
Simulacion logica digital: Construir un sumador de 8 bits
Arquitectura avanzada: Cache multinivel, ejecucion fuera de orden, GPU
Lenguaje ensamblador: Entender como el codigo de alto nivel se convierte en instrucciones maquina

De Transistores a CPU ​

0. Vision general: De la arena a la inteligencia ​

1. Transistores: Interruptores del mundo digital ​

1.1 Que es un transistor? ​

1.2 Como representan 0 y 1? ​

1.3 Evolucion del numero de transistores ​

2. Puertas logicas: Calcular con interruptores ​

2.1 Puertas basicas ​

2.2 Sumar con puertas logicas ​

3. Unidades funcionales: Combinacion de puertas logicas ​

3.1 Registros: Almacenamiento de datos ​

4. Arquitectura CPU: De unidades funcionales al procesador ​

4.1 Componentes principales ​

Control Unit

Register File

Arithmetic Logic Unit (ALU)

4.2 Como ejecuta instrucciones la CPU? ​

5. Resumen: A traves de las capas de abstraccion ​

Lectura adicional ​

De Transistores a CPU

0. Vision general: De la arena a la inteligencia

1. Transistores: Interruptores del mundo digital

1.1 Que es un transistor?

1.2 Como representan 0 y 1?

1.3 Evolucion del numero de transistores

2. Puertas logicas: Calcular con interruptores

2.1 Puertas basicas

2.2 Sumar con puertas logicas

3. Unidades funcionales: Combinacion de puertas logicas

3.1 Registros: Almacenamiento de datos

4. Arquitectura CPU: De unidades funcionales al procesador

4.1 Componentes principales

4.2 Como ejecuta instrucciones la CPU?

5. Resumen: A traves de las capas de abstraccion

Lectura adicional