Definición de Coma flotante (unidad de procesamiento matemático en la CPU)
La unidad de coma flotante, también conocida como Floating Point Unit (FPU), es una sección especializada del hardware de la computadora encargada de realizar operaciones matemáticas con números en formato de coma flotante. Este tipo de números permite representar valores muy grandes, muy pequeños y fraccionarios, lo que resulta fundamental para la precisión en cálculos científicos, gráficos 3D, simulaciones físicas e inteligencia artificial.
Entre las operaciones típicas que ejecuta una unidad de coma flotante se encuentran la suma, resta, multiplicación, división y raíz cuadrada sobre números decimales o fraccionarios. En sistemas antiguos, la FPU podía realizar también operaciones transcendentes como funciones trigonométricas y exponenciales; en procesadores modernos, estas últimas suelen implementarse mediante software.
Otros nombres para la unidad de coma flotante son: unidad de punto flotante, coprocesador matemático, Floating Point Unit (FPU) y math coprocessor.
A diferencia de la aritmética de coma fija (donde los números tienen una cantidad fija de dígitos antes y después de la coma decimal), la aritmética de coma flotante permite mover la posición de la coma, facilitando la representación de un rango mucho más amplio de valores. Por ejemplo, el número 3.14159 puede representarse con gran precisión usando coma flotante, mientras que sería problemático en coma fija si hay limitación en la cantidad de dígitos.
En la mayoría de las CPU modernas, la FPU está integrada directamente en el procesador principal. Sin embargo, en computadoras más antiguas o sistemas embebidos, la unidad de coma flotante podía ser un coprocesador adicional, o incluso estar ausente. En estos casos, las operaciones de coma flotante se realizan por software, lo que reduce el rendimiento de los cálculos complejos.
- En las PC de escritorio de los años 80 y principios de los 90, la FPU era a menudo un chip opcional. Por ejemplo, la CPU Intel 80386 podía complementarse con el coprocesador matemático 80387 para mejorar el rendimiento en aplicaciones científicas o de CAD.
- En la arquitectura x86, existen registros especiales dedicados para operaciones de coma flotante, lo que permite realizar estos cálculos de manera eficiente y paralela a las operaciones con enteros.
La FPU es esencial en áreas como gráficos por computadora (por ejemplo, renderizado 3D), procesamiento de señales, cálculos financieros, simulaciones científicas y cualquier aplicación que requiera alta precisión numérica y rapidez en los cálculos.
La unidad de coma flotante como parte de la CPU
Hasta mediados de los años 90, las computadoras personales solían carecer de una FPU integrada; era común adquirirla como un coprocesador aparte. En la actualidad, la mayoría de los procesadores incluyen una o más FPUs integradas en el núcleo de la CPU, lo que ha incrementado considerablemente el rendimiento en aplicaciones matemáticamente intensivas. Sin embargo, en muchos sistemas embebidos y dispositivos con recursos limitados, las FPUs pueden omitirse para ahorrar costos y energía.
Cuando el hardware no incluye una FPU, las operaciones de coma flotante se simulan por software, lo cual es más lento pero reduce la complejidad y el costo del sistema.
En arquitecturas modernas existe una clara separación entre las operaciones de enteros y las de punto flotante, con diferentes rutas de procesamiento y registros especializados para cada tipo.
Estándares y compatibilidad
La arquitectura más común y extendida para la representación y manipulación de números en coma flotante es la IEEE 754. Este estándar define cómo se representan los números, cómo se manejan los redondeos y cómo se tratan los valores especiales como infinito y NaN (Not a Number), asegurando la compatibilidad entre distintas plataformas y lenguajes de programación.
Resumen: Coma flotante
- La FPU es una parte del hardware de la computadora que realiza operaciones matemáticas de alta precisión sobre números decimales y fraccionarios.
- Permite trabajar con números extremadamente grandes o pequeños, gracias a la flexibilidad de la aritmética de coma flotante.
- Es esencial en aplicaciones científicas, gráficas, financieras e ingenieriles.
Preguntas frecuentes
¿Por qué es importante la unidad de coma flotante?
Permite realizar cálculos complejos y precisos con números decimales y fraccionarios, fundamentales para aplicaciones científicas, gráficas y de ingeniería.
¿Cuál es la diferencia entre la unidad de coma flotante y la de coma fija?
La de coma flotante permite representar y calcular números con una amplia gama de valores y precisión variable, mientras que la de coma fija solo maneja una cantidad limitada de dígitos antes y después de la coma decimal.
¿Qué operaciones realiza una FPU?
Suma, resta, multiplicación, división, raíz cuadrada y, en algunos casos, funciones trascendentales como logaritmos y trigonometría.
¿Cuál es el estándar más común?
El estándar IEEE 754 es el más utilizado para la representación y operaciones con números de coma flotante.
¿Cuáles son las ventajas de usar una FPU?
Permite cálculos más rápidos y precisos con números decimales, manipulación eficiente de grandes volúmenes de datos científicos y mejora significativa del rendimiento en aplicaciones avanzadas.
En conclusión: La unidad de coma flotante es un componente esencial para el procesamiento matemático avanzado, permitiendo a las computadoras resolver problemas complejos con rapidez y precisión.
Tecnologías empleadas en CPUs |
|
| • Arquitectura |
• Harvard (Modified Harvard) • von Neumann • Dataflow • TTA |
| • Conjunto de instrucciones |
• ASIP • CISC • EDGE • EPIC • MISC • MIPS • NISC • OISC • RISC • TRIPS • VLIW • ZISC |
| • Tamaño de palabra (word) |
• 1 bit • 4 bit • 8 bit • 9 bit • 10 bit • 12 bit • 15 bit • 16 bit • 18 bit • 22 bit • 24 bit • 25 bit • 26 bit • 27 bit • 31 bit • 32 bit • 33 bit • 34 bit • 36 bit • 39 bit • 40 bit • 48 bit • 50 bit • 60 bit • 64 bit • 128 bit • 256 bit • 512 bit • bit variable |
| • Ejecución (ciclo de instrucción) |
• Segmentación (pipelining): Bubble, Operand forwarding |
| • Computación paralela |
• Paralelismo a nivel de Bit: bit-serial, palabra • Paralelismo a nivel de Instrucción: escalar, superescalar • Paralelismo de Datos: vector • Paralelismo a nivel de Memoria (MLP) • Paralelismo a nivel de Tareas: hilo de ejecución (thread) |
| • Multihilo |
• Temporal multithreading • Simultaneous multithreading: HyperThreading |
| • Taxonomía de Flynn |
• SISD • SIMD • MISD • MIMD (SPMD) • Modos de direccionamiento (addressing mode) |
| • Tipos |
• Procesador digital de señales (DSP) • GPGPU • Microcontrolador • Unidad de procesamiento físico (PPU) • System on a chip (SoC) • Celular (cellular architecture) |
| • Componentes |
• Unidad de generación de direcciones (address generation unit o AGU) |
| • Gestión de energía |
• APM • ACPI • Escala de frecuencia dinámica (Dynamic frequency scaling) • Escala de tensión dinámica (Dynamic voltage scaling) • Gating de reloj (clock gating) |
| • Seguridad por hardware de CPU |
• NX bit |
Para más información ver:
FPU.
Autor: Leandro Alegsa
Actualizado: 19-06-2023
¿Cómo citar este artículo?
Alegsa, Leandro. (2023). Definición de Coma flotante. Recuperado de https://www.alegsa.com.ar/Dic/coma_flotante.php
