Arquitectura de computadores: CPU, buses, memoria y ejecución de instrucciones

Resumen

El documento describe los componentes internos de un computador: la CPU con su Unidad de Control y su Unidad Aritmético-Lógica, los buses de datos, direcciones y control, la jerarquía de memoria y los periféricos de entrada, salida, almacenamiento y comunicación. Explica también las fases de ejecución de una instrucción y el papel del sistema operativo en la gestión de la entrada/salida.

Puntos clave

La CPU controla y ejecuta las instrucciones, y de ella depende en gran medida la potencia del computador.
Los buses de datos, direcciones y control comunican las unidades; el bus de direcciones conecta la CPU con la memoria.
La Unidad de Control interpreta las instrucciones en lenguaje máquina y genera las señales de control.
La Unidad Aritmético-Lógica realiza operaciones aritméticas (suma, resta) y lógicas (AND, OR, comparación).
La jerarquía de memoria equilibra velocidad, coste y capacidad de almacenamiento.
La ejecución de una instrucción incluye búsqueda, decodificación, búsqueda de operandos, ejecución y almacenamiento del resultado, y la actualización del Contador de Programa.

Ponte a prueba

Unidad Central de Proceso (CPU)

Función: Controla y ejecuta las operaciones o instrucciones. La potencia de un computador viene definida principalmente por la de su CPU.

Buses de comunicación

Líneas (normalmente eléctricas) a través de las que se comunican las distintas unidades del ordenador:

Bus de datos: Intercambia datos. Una línea por cada bit.
Bus de direcciones: Transmite bits que representan direcciones. Por ello, este bus conecta la CPU con la memoria.
Bus de control: Son líneas que unen la CPU con el resto de elementos para poder controlar su funcionamiento de forma sincronizada.

Unidad de Control (UC)

Función: Interpreta y ejecuta las instrucciones traducidas a lenguaje máquina de los programas y genera las señales de control para llevarlas a cabo.

Unidad Aritmético-Lógica (UAL)

Función: Realiza las operaciones aritméticas (suma, resta, etc.) y lógicas (AND, OR, comparación, etc.).

La Memoria

Tenemos una jerarquía de memoria sujeta al compromiso de varios conceptos: velocidad, coste y capacidad de almacenamiento.

Memoria de almacenamiento externo: Se trata de los distintos soportes de almacenamiento que, aunque físicamente pueden estar en el interior de la carcasa del ordenador, no son direccionados por la UCP.

Entrada/Salida: Periféricos

Los periféricos permiten almacenar información y comunicarse con el exterior:

Periféricos de entrada: Introducen información al ordenador.
Periféricos de salida: Muestran información que ha sido procesada.
Periféricos de almacenamiento (E/S): Almacenan información. Físicamente pueden estar dentro o fuera de la carcasa del ordenador.
Periféricos de comunicación (E/S): Comunican con otros ordenadores y dispositivos externos.

Ejecución de Instrucciones

Fases:

Fase de búsqueda de la instrucción.
Fase de decodificación.
Búsqueda de operandos.
Fase de ejecución y almacenamiento del resultado.
La UC actualiza el CP (Contador de Programa) para pasar a ejecutar la siguiente instrucción (secuencial o con bifurcación/salto).

Gestión de la Entrada/Salida

Los tipos de dispositivos de E/S pueden ser muy variados y el sistema operativo (SO) debe velar porque la comunicación con ellos se realice de forma eficaz y segura.

Preguntas frecuentes

¿Qué función tiene la Unidad de Control?

La Unidad de Control interpreta y ejecuta las instrucciones traducidas a lenguaje máquina y genera las señales de control necesarias para llevarlas a cabo.

¿Qué diferencia hay entre los buses de datos y de direcciones?

El bus de datos intercambia datos, con una línea por cada bit, mientras que el bus de direcciones transmite bits que representan direcciones y conecta la CPU con la memoria.

¿Qué hace el Contador de Programa durante la ejecución?

La UC lo actualiza para pasar a la siguiente instrucción, de forma secuencial o mediante una bifurcación o salto.