Arquitectura del Ordenador: CPU, Memoria y Sistema Operativo

Arquitectura del Ordenador

La CPU (Unidad Central de Procesamiento)

La CPU es el componente del ordenador encargado del control y el proceso de datos. La potencia de un ordenador se mide por la de su CPU. También se le conoce como procesador o microprocesador. Está formada por:

Unidad de Control (UC)

La Unidad de Control (UC) interpreta y ejecuta las instrucciones máquina almacenadas en la memoria principal y genera señales de control.

Componentes de la Unidad de Control:

• Descodificador de Instrucción (DI): Extrae y analiza el código de operación de la instrucción en curso contenida en el Registro de Instrucción (RI) y genera señales de control.
• Reloj: Proporciona una sucesión de impulsos eléctricos a intervalos constantes, marcando el ritmo de funcionamiento del descodificador.
• Secuenciador: Genera órdenes sincronizadas con los impulsos de reloj, haciendo que la instrucción cargada en él se ejecute de manera ordenada.

Unidad Aritmético-Lógica (UAL o ALU)

La Unidad Aritmético-Lógica (UAL o ALU) recibe los datos sobre los que efectúa operaciones de cálculo y comparaciones, toma decisiones lógicas y devuelve el resultado, bajo la supervisión de la UC.

Registros

Los registros de trabajo almacenan información temporal y constituyen el almacenamiento interno de la CPU. La UC, la UAL y los registros conforman el procesador central del sistema, encargado del control y la ejecución de todas las operaciones. Un registro es un conjunto de bits que se manipulan en bloque. Este número varía dependiendo de la CPU, pero siempre son múltiplos de 8.

Tipos de Registros:

• Registros visibles al usuario: De dirección, datos y condición.
• Registros de control y de estado: Contador de Programa (CP), Registro de Instrucción (RI), Registro de Dirección de Memoria (RDM), Registro de Intercambio de Memoria (RIM).

El Bus del Sistema

Todos los componentes se comunican a través de un conjunto de circuitos o conexiones llamado bus.

• Bus de Datos: Permite el intercambio de datos entre la CPU y el resto de unidades. Cada instrucción de un programa y cada byte viaja por este bus. Su velocidad se mide en megahercios (MHz) o gigahercios (GHz) y su tamaño se mide en bits.
• Bus de Direcciones: Transmite direcciones entre la CPU y la memoria, funcionando sincronizado con el bus de datos. Es empleado por la CPU para seleccionar la dirección de memoria o el dispositivo de entrada/salida con el cual va a intercambiar información.
• Bus de Control: Genera los impulsos eléctricos necesarios para gobernar el resto de elementos.

La Memoria

Memoria RAM

La memoria principal o RAM almacena dos tipos de información: el programa o secuencia de instrucciones a ejecutar y los datos que manejan dichas instrucciones. La manipulación de los programas y los datos está dirigida por la unidad de control. Está formada por un conjunto de casillas o posiciones de memoria capaces de almacenar un dato o una instrucción. Cada casilla contiene 8 bits. Esta memoria es volátil. Para operaciones de lectura/escritura se utilizan el Registro de Dirección de Memoria (RDM), el Registro de Intercambio de Memoria (RIM) y el selector de memoria.

Jerarquía de las Memorias

• Registros de la CPU: Baja capacidad pero de alta velocidad, integrados en el procesador, guardan y acceden a valores muy usados, generalmente en operaciones matemáticas.
• Memoria caché: De baja capacidad y muy rápida. Se interpone entre el procesador y la memoria principal. Permite acelerar el acceso a los datos, trasladándolos a un medio más rápido cuando se supone que van a leerse o a modificarse pronto.
• Memoria principal (RAM): Es más lenta y de mayor capacidad que la caché.
• Memoria secundaria o de disco: De alta capacidad, oscilan entre varios gigabytes (GB) o terabytes (TB). La forman los discos duros del ordenador, donde se almacenan todos los programas y archivos para un uso posterior.

Memoria ROM

La memoria ROM almacena programas o datos que tienen que ver con el diseño del sistema principal o con alguna de sus partes. Son fundamentales en el proceso de arranque del ordenador. Cuando encendemos el ordenador, la CPU envía una orden al chip de la memoria ROM de la BIOS, donde se encuentran grabadas las rutinas del POST (Power-On Self-Test). Si la BIOS no encuentra nada anormal, continúa el proceso de arranque, ejecutando instrucciones del Sistema Operativo, trasladándolas a la RAM, y aparece la primera pantalla del sistema operativo. Una vez arrancado, podremos ejecutar cualquier programa. La CPU procesa las instrucciones y los datos que están almacenados de forma temporal en la RAM. Una vez que finaliza el proceso con los datos, obtendremos los resultados.

El Sistema Operativo

El Sistema Operativo es un conjunto de programas que controlan el funcionamiento del hardware. Ofrecen al usuario un modo sencillo de acceso al ordenador, coordinan y jerarquizan todos los procesos que se llevan a cabo en un ordenador. Está compuesto por:

• El núcleo: Representa las funciones básicas, se encarga del programa de arranque, planifica procesos y tareas, administra los periféricos, la comunicación entre procesos, la memoria y los archivos.
• El intérprete de comandos: Posibilita la comunicación con el sistema operativo a través de un lenguaje de control. Es una interfaz entre la CPU y el usuario.
• El sistema de archivos: Permite que los archivos se registren en una estructura arbórea.

Funciones del Sistema Operativo:

• Interfaz de usuario: Libera al usuario del conocimiento del hardware, permitiendo interactuar con él de forma sencilla y rápida.
• Reconocimiento de hardware: Reconoce los componentes instalados y permite su utilización.
• Administración de la información: Gestiona el sistema de archivos y las autorizaciones de acceso a archivos, aplicaciones y usuarios.
• Manejo de interrupciones: Usa puertos de interrupción para dar prioridad a un programa sobre otro o a la ejecución de una instrucción sobre otra.
• Administración de memoria: Gestiona el espacio de memoria asignado para cada aplicación y usuario. Cuando la memoria física es insuficiente, puede crear una zona de memoria en el disco duro, denominada memoria virtual.
• Gestión de recursos: Controla el acceso de los programas a los recursos materiales a través de los drivers, asignando a los programas los recursos que necesitan para funcionar.