Arquitectura y Funcionamiento Interno de Sistemas Informáticos

Arquitectura de Von Neumann: El Flujo de Información

El usuario proporciona información de entrada a través de la Unidad de Entrada/Salida (UES). Esta información se traslada a la Unidad de Memoria (UM), que envía las instrucciones a la Unidad de Control (UC) para que las interprete y ordene a la Unidad Aritmético-Lógica (UAL) iniciar la secuencia de cálculos que desembocará en la información de salida. Esta información se almacena en la UM y se presenta al usuario a través de la UES.

Unidades Funcionales Clave

Unidad de Memoria (UM)

La Unidad de Memoria (UM) almacena la información y los programas. De esta manera, un ordenador puede utilizarse para varios cometidos sin necesidad de reprogramarlo.

Unidad de Entrada/Salida (ES)

La Unidad de Entrada/Salida (ES) realiza las operaciones de introducción y extracción de información en el ordenador. Le da sentido a la utilidad del ordenador, permitiendo al usuario introducir información y al ordenador mostrarle la información al usuario.

Unidad Aritmético-Lógica (UAL)

La Unidad Aritmético-Lógica (UAL) realiza las operaciones necesarias para procesar la información.

Unidad de Control (UC)

La Unidad de Control (UC) gestiona y coordina todas las unidades funcionales para obtener el fin deseado.

Buses de Comunicación

Todas estas unidades se comunican a través de canales llamados buses de comunicación:

• Buses de Datos: Transfieren datos entre los elementos del ordenador.
• Buses de Direcciones: Transfieren direcciones entre la UC y la UM.
• Bus de Control: Emite señales de control que gobiernan el funcionamiento de las unidades.

Unidad Central de Procesamiento (CPU)

La CPU (Unidad Central de Procesamiento) es el conjunto de la UAL y la UC.

Tipos de Memoria en la UM

La Unidad de Memoria (UM) se clasifica en varios tipos:

• Memoria Auxiliar: Se usa como soporte de respaldo de información, puede situarse en medios extraíbles.
• Memoria Secundaria: Generalmente memoria de disco. Almacena la información de forma permanente, con alta capacidad.
• Memoria Principal: También conocida como RAM, es el bloque que constituye la UM. Almacena datos y programas de forma temporal.
• Memoria Caché: Memoria intermedia entre la UM y la CPU, acelera los procesos de la CPU a la UM. Se organiza en niveles (L1, L2, L3).
• Registros: De alta velocidad y baja capacidad, son unidades de almacenamiento intermedio entre la UC y la UAL.

Unidad de Entrada/Salida (UEntSal) y Periféricos

La Unidad de Entrada/Salida (UEntSal) establece la comunicación entre el usuario y la CPU. Se clasifica en:

• Periféricos de Entrada: El usuario introduce la información en el ordenador.
• Periféricos de Salida: El ordenador muestra la información al usuario.
• Periféricos de Entrada/Salida (E/S): Actúan en los dos sentidos del flujo, introducen y muestran la información.
• Periféricos de Comunicación: Establecen la comunicación entre dos usuarios a través de los ordenadores.
• Periféricos de Almacenamiento: Son memorias auxiliares a la principal, realizan las mismas operaciones de lectura y escritura.

Interfaz y Controlador

La Interfaz gestiona el intercambio de información entre el periférico y la CPU. El Controlador gestiona directamente el periférico.

Gestión de Entrada/Salida (E/S)

Existen dos tipos de gestión de E/S:

• E/S Mapeada en Memoria: La memoria y la interfaz del periférico comparten los buses y las puertas de E/S.
• E/S Aislada: Cada uno de los dispositivos de E/S tiene un bus dedicado.

Detalles de la Unidad Aritmético-Lógica (UAL)

La Unidad Aritmético-Lógica (UAL) es el núcleo de cálculo del ordenador. Se encarga de realizar las operaciones aritméticas y lógicas ordenadas por la UC. El elemento principal es el operador.

• Ámbito:
  • Genéricos: Pueden realizar operaciones diferentes.
  • Específicos: Realizan un tipo de operación.
• Número de Operandos: Monádicos, Diádicos, Triádicos.
• Capacidad de Operar:
  • En Serie: Reciben la información en una secuencia y la procesan uno a uno.
  • En Paralelo: Reciben la información en bloques de bits que procesan simultáneamente.

El registro que recibe el resultado de la operación se denomina acumulador.

Detalles de la Unidad de Control (UC)

La Unidad de Control (UC) busca la instrucción en la UM, la interpreta y genera en cada momento las órdenes necesarias para ejecutar la operación.

• Circuito de Control: Genera las señales de control necesarias para gobernar el ordenador.
  • Decodificador: Interpreta la instrucción y determina el conjunto de órdenes necesarias para llevarlas a cabo.
  • Secuenciador: Distribuye de forma ordenada las señales de control a cada orden recibida.
• Reloj: Circuito que genera pulsos, marcan la temporización básica del sistema.
• Registros: Se utilizan para labores auxiliares diversas.

Funcionamiento del Ordenador: El Ciclo de Instrucción

El Funcionamiento de un Ordenador se basa en un ciclo de instrucción que incluye:

• Fase de Búsqueda: La CPU lee la instrucción desde la memoria. Al comienzo del ciclo de instrucción, la CPU busca en memoria una instrucción. Para saber la posición de la memoria, utiliza un registro llamado Contador de Programa, donde almacena la dirección de la siguiente instrucción. Busca las instrucciones de manera secuencial hasta finalizar esta fase.
• Fase de Ejecución: Se decodifica la instrucción y se lanza una secuencia de órdenes para llevar a cabo cada uno de los pasos que esta requiere.

Fase de Interrupción

Cuando en el ciclo de instrucción interviene un periférico, es necesario cambiar el esquema de dos fases para que la CPU no tenga que esperar a que el periférico complete cada operación de cada instrucción. Para mejorar el rendimiento en este sentido, se introduce la Fase de Interrupción. Antes de ejecutar un nuevo ciclo, la CPU comprueba si algún periférico quiere hacer uso de sus recursos. En caso negativo, continúa con el ciclo; en caso positivo, se guarda el valor de los registros y se procesa la petición. Una vez procesada la petición, se recuperan los registros guardados y se continúa con el ciclo.