La arquitectura de Computadores
La arquitectura de computadoras es el diseño conceptual y la estructura operacional fundamental de un sistema que conforma una computadora. Es decir, es un modelo y una descripción funcional de los requerimientos y las implementaciones de diseño para varias partes de una computadora, con especial interés en la forma en que la unidad central de proceso (CPU) trabaja internamente y accede a las direcciones de memoria.
La arquitectura de una computadora explica la situación de sus componentes y permite determinar las posibilidades de un sistema informático, con una determinada configuración, pueda realizar las operaciones para las que se va a utilizar. La arquitectura básica de cualquier ordenador completo está formado por solo 5 componentes básicos: procesador, memoria RAM, disco duro, dispositivos de entrada/salida y software. 
Conceptos Iniciales de la Arquitectura de Computadores:
Un computador es un sistema secuencial complejo que procesa información, esta se trata de información binaria, utilizando solamente los dígitos de valores lógicos ‘1’ y ‘0’. Estos valores lógicos binarios se corresponden con valores de tensión eléctrica, de manera que un ‘1’ lógico corresponde a un nivel alto a 5 voltios y un ‘0’ lógico corresponde a un nivel bajo de tensión cercano a 0 voltios; estos voltajes dependen de la tecnología que utilicen los dispositivos del computador.
Procesador: Es el cerebro del sistema, encargado de procesar todos los datos e informaciones. A pesar de que es un dispositivo muy sofisticado no puede llegar a hacer nada por sí solo. Para hacer funcionar a éste necesitamos algunos componentes más como lo son memorias, unidades de disco, dispositivos de entrada/salida y los programas. El procesador o núcleo central está formado por millones de transistores y componentes electrónicos de un tamaño microscópico.
Una posible clasificación de la jerarquía seria:
1. Nivel de Componente. Los elementos de este nivel son difusiones de impurezas tipo P y de tipo N en silicio, polisilicio cristalino y difusiones de metal que sirven para construir los transistores.
2. Nivel Electrónico. Los componentes son transistores, resistencias, condensadores y diodos construidos con las difusiones del nivel anterior. Esta tecnología de muy alta escala de integración o VLSI es la que se utiliza en la fabricación de circuitos integrados. En este nivel se construyen las puertas lógicas a partir de transistores.
3. Nivel Digital. Se describe mediante unos y ceros son las puertas lógicas, biestables y otros módulos tanto combinacionales como secuenciales. Este nivel es la aplicación del álgebra booleana y las propiedades de la lógica digital.
4. Nivel RTL. El nivel de transferencia de registros (RTL) será el preferido para la descripción de los computadores. Elementos típicos en este nivel de abstracción son los registros y módulos combinacionales aritméticos.
5. Nivel PMS. Este nivel es el más alto de la jerarquía. Las siglas PMS provienen del ingles Processor Memory Switch. Con elementos de jerarquía los buses, memorias, procesadores y otros módulos de alto nivel.
1.2 Arquitectura Clásica de un Computador Modelo Von Neumann
La arquitectura Von Neumann tiene sus orígenes en el trabajo del matemático John Von Neumann desarrollado con John Mauchly y John P. Eckert y divulgado en 1945 en la Moore School de la Universidad de Pensilvania, Estados Unidos, en el que se presentaba e EDVAC ( Electronic Discrete Variable Automatic Computer). De aquí surgió la arquitectura del programa almacena en memoria y búsqueda/ejecución secuencial de instrucciones. En términos generales una computadora tiene que realizar 3 funciones:
Tal que un PC (Personal Computer) debe procesar datos, transformando la información recibida, de igual forma tiene que almacenar datos, como resultado final de estas. También debe de realizar transferencia de datos entre su entorno y el mismo. La arquitectura de un computador hace referencia a la organización de sus elementos en módulos con una funcionabilidad definida y a la iteración entre ellos.
En el esquema de la Figura 1.1 se muestra la estructura básica de Von Neumann que debe llevar una computadora para su correcta operación.
La arquitectura Von Neumann tiene sus orígenes en el trabajo del matemático John Von Neumann desarrollado con John Mauchly y John P. Eckert y divulgado en 1945 en la Moore School de la Universidad de Pensilvania, Estados Unidos, en el que se presentaba e EDVAC ( Electronic Discrete Variable Automatic Computer). De aquí surgió la arquitectura del programa almacena en memoria y búsqueda/ejecución secuencial de instrucciones. En términos generales una computadora tiene que realizar 3 funciones:
- Procesamiento de Datos
- Almacenamiento de Datos
- Transferencia de Datos
Tal que un PC (Personal Computer) debe procesar datos, transformando la información recibida, de igual forma tiene que almacenar datos, como resultado final de estas. También debe de realizar transferencia de datos entre su entorno y el mismo. La arquitectura de un computador hace referencia a la organización de sus elementos en módulos con una funcionabilidad definida y a la iteración entre ellos.
En el esquema de la Figura 1.1 se muestra la estructura básica de Von Neumann que debe llevar una computadora para su correcta operación.
FIGURA 1.1: ESTRUCTURA BÁSICA DE UNA COMPUTADORA.
1.2.1 Unidad Central de Procesamiento
Controla el funcionamiento de los elementos de un computador. Desde que el sistema es alimentado por una corriente, este no deja de procesar información hasta que se corta dicha alimentación. La CPU es la parte más importante del procesador, debido a que es utilizado para realizar todas las operaciones y cálculos del computador. La CPU tiene a su vez otra estructura interna que se muestra en la Figura 1.2.
· Unidad de Control (UC): La unidad de control se encarga de leer de la memoria las instrucciones que debe de ejecutar y de secuenciar el acceso a los datos y operaciones a realizar por la unidad de proceso. La UC genera las señales de control que establecen el flujo de datos en todo el computador e interno en la CPU. Una instrucción no es más que una combinación de unos y ceros. Consta de un código de operaciones binarias para ejecutar la instrucción, la UC la almacena en un registro especial, interpreta su código de operación y ejecuta la secuencia de acciones adecuada, en pocas palabras decodifica la instrucción.
· Unidad Aritmética Lógica o ALU (por su acrónimo en ingles Arithmetic Logic Unit): Es la parte de la CPU encargada de realizar las transformaciones de los datos. Gobernada por la UC, la ALU consta de una serie de módulos que realizan operaciones aritméticas y lógicas. La UC se encarga de seleccionar la operación a realizar habilitando los caminos de datos entre los diversos operadores de la ALU y entre los registros internos.
· Registros Internos: El almacenamiento de los resultados a la ejecución de las instrucciones en la memoria principal podría ser lento y excesivamente tendría muchos datos en el sistema de interconexión con la memoria, con lo que el rendimiento bajaría. De la misma manera también se almacenan en registros internos la configuración interna del CPU o la información durante la última operación de la ALU. Los principales registros de un CPU son:
1. Contador de programa.- se encarga de almacenar la dirección de la siguiente instrucción a ejecutar.
2. Registro de Instrucción.- se almacena la instrucción capturado en memoria y la que se está ejecutando.
3. Registro de Estado.- compuesto por una serie de bits que informan el resultado obtenido en la última operación de la ALU.
4. Registro Acumulador.- algunos CPU’s realizan operaciones aritméticas en un registro llamado acumulador, su función es la de almacenar los resultados de las operaciones aritméticas y lógicas.
El ciclo para ejecutar cualquier instrucción se divide en ciclo de búsqueda y ciclo de instrucción como es ilustrado en el esquema de la Figura 1.3 . El primero hace que el CPU genere señales adecuadas para acceder a la memoria y leer la instrucción; el segundo es similar; la diferencia entre los dos es el código de operación de cada instrucción.
Controla el funcionamiento de los elementos de un computador. Desde que el sistema es alimentado por una corriente, este no deja de procesar información hasta que se corta dicha alimentación. La CPU es la parte más importante del procesador, debido a que es utilizado para realizar todas las operaciones y cálculos del computador. La CPU tiene a su vez otra estructura interna que se muestra en la Figura 1.2.
FIGURA 1.2: ESTRUCTURA DE LA CPU Y SU CONEXIÓN CON LA MEMORIA.
· Unidad Aritmética Lógica o ALU (por su acrónimo en ingles Arithmetic Logic Unit): Es la parte de la CPU encargada de realizar las transformaciones de los datos. Gobernada por la UC, la ALU consta de una serie de módulos que realizan operaciones aritméticas y lógicas. La UC se encarga de seleccionar la operación a realizar habilitando los caminos de datos entre los diversos operadores de la ALU y entre los registros internos.
· Registros Internos: El almacenamiento de los resultados a la ejecución de las instrucciones en la memoria principal podría ser lento y excesivamente tendría muchos datos en el sistema de interconexión con la memoria, con lo que el rendimiento bajaría. De la misma manera también se almacenan en registros internos la configuración interna del CPU o la información durante la última operación de la ALU. Los principales registros de un CPU son:
1. Contador de programa.- se encarga de almacenar la dirección de la siguiente instrucción a ejecutar.
2. Registro de Instrucción.- se almacena la instrucción capturado en memoria y la que se está ejecutando.
3. Registro de Estado.- compuesto por una serie de bits que informan el resultado obtenido en la última operación de la ALU.
4. Registro Acumulador.- algunos CPU’s realizan operaciones aritméticas en un registro llamado acumulador, su función es la de almacenar los resultados de las operaciones aritméticas y lógicas.
El ciclo para ejecutar cualquier instrucción se divide en ciclo de búsqueda y ciclo de instrucción como es ilustrado en el esquema de la Figura 1.3 . El primero hace que el CPU genere señales adecuadas para acceder a la memoria y leer la instrucción; el segundo es similar; la diferencia entre los dos es el código de operación de cada instrucción.
FIGURA 1.3: CICLOS DE LA MAQUINA VON NEUMANN
1.2.2 Memoria
La memoria principal de los computadores tiene una estructura similar a la mostrada en el esquema de la Figura 1.4. Se considera como una matriz de celdas en la que la memoria puede acceder a los datos aleatoriamente.
Dicha matriz está organizada en palabras, cada una de las cuales tiene asignada una dirección que indica su posición. Cada palabra está formada por una serie de celdas a las que se accede en paralelo; en cada una se almacena un bit y estos son los que definen las instrucciones.
1.2.3 Entrada/Salida
Como el gabinete, disco duro, placa madre, unidades de CD o DVD, etc.
En la Figura 1.5 se muestra como cada control de periférico tiene una dirección única en el sistema. La interfaz de E/S decodifica el bus de direcciones para detectar que el CPU se dirige a él. El direccionamiento es muy similar a la de las memorias. El bus de datos se utiliza para el paso de datos entre el periférico y la memoria. Las líneas especiales de control sirven para coordinar y sincronizar la transferencia.
La memoria principal de los computadores tiene una estructura similar a la mostrada en el esquema de la Figura 1.4. Se considera como una matriz de celdas en la que la memoria puede acceder a los datos aleatoriamente.
FIGURA 1.4: ESQUEMA DE UNA MEMORIA DE ACCESO ALEATORIO.
Dicha matriz está organizada en palabras, cada una de las cuales tiene asignada una dirección que indica su posición. Cada palabra está formada por una serie de celdas a las que se accede en paralelo; en cada una se almacena un bit y estos son los que definen las instrucciones.
1.2.3 Entrada/Salida
Como el gabinete, disco duro, placa madre, unidades de CD o DVD, etc.
En la Figura 1.5 se muestra como cada control de periférico tiene una dirección única en el sistema. La interfaz de E/S decodifica el bus de direcciones para detectar que el CPU se dirige a él. El direccionamiento es muy similar a la de las memorias. El bus de datos se utiliza para el paso de datos entre el periférico y la memoria. Las líneas especiales de control sirven para coordinar y sincronizar la transferencia.
FIGURA 1.5: ESQUEMA DE UNA INTERFAZ DE ENTRADA/SALIDA.
1.2.4 Sistema de Interconexión: Buses.
La conexión de los diversos componentes de una computadora, tales como discos duros, tarjetas madres, unidades de CD, teclados, ratones, etc. se efectúan a través de los buses. Un bus se define como un enlace de comunicación compartido que usa múltiples cables para conectar subsistemas. Cada línea es capaz de transmitir una tensión eléctrica que representa un ‘1’ o un ‘0’. Cuando hay varios dispositivos en el mismo bus, habrá uno que podrá enviar una señal que será procesada por los demás módulos. Si se mandan los datos al mismo tiempo marcara un error o una contención del bus, por lo que el acceso estará denegado. Según si criterio de funcionabilidad los buses se dividen en:
· Buses de datos: es el que se utiliza para transmitir datos entre los diferentes dispositivos del computador.
· Buses de Direcciones: sirve para indicar la posición del dato que se requiere acceder.
· Bus de Control: sirven para seleccionar al emisor y al receptor en una transacción del bus.
· Bus de alimentación: sirve para proporcionar a los dispositivos voltajes distintos.
La conexión de los diversos componentes de una computadora, tales como discos duros, tarjetas madres, unidades de CD, teclados, ratones, etc. se efectúan a través de los buses. Un bus se define como un enlace de comunicación compartido que usa múltiples cables para conectar subsistemas. Cada línea es capaz de transmitir una tensión eléctrica que representa un ‘1’ o un ‘0’. Cuando hay varios dispositivos en el mismo bus, habrá uno que podrá enviar una señal que será procesada por los demás módulos. Si se mandan los datos al mismo tiempo marcara un error o una contención del bus, por lo que el acceso estará denegado. Según si criterio de funcionabilidad los buses se dividen en:
· Buses de datos: es el que se utiliza para transmitir datos entre los diferentes dispositivos del computador.
· Buses de Direcciones: sirve para indicar la posición del dato que se requiere acceder.
· Bus de Control: sirven para seleccionar al emisor y al receptor en una transacción del bus.
· Bus de alimentación: sirve para proporcionar a los dispositivos voltajes distintos.
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