Arquitectura de Von Neumann: Componentes y Funcionamiento de la CPU y Buses

Arquitectura de Von Neumann: Unidades Básicas y Funcionamiento

La arquitectura de Von Neumann se compone de cuatro unidades básicas interconectadas:

Unidad Central de Proceso (UC)

La UC tiene la función de leer las instrucciones máquina almacenadas en la memoria principal y generar las señales de control necesarias para que toda la máquina ejecute dichas instrucciones. Para conocer la posición de memoria, existe un registro llamado contador de programa, que, aunque está dentro de la memoria, tiene un acceso más rápido. Este registro determina, en parte, la potencia de la máquina.

Unidad Aritmético Lógica (UAL)

La UAL se emplea para llevar a cabo operaciones elementales (aritméticas y lógicas) y operaciones relacionales. Los datos provienen de la memoria principal y pueden almacenarse temporalmente en registros de la UAL.

Unidad de Memoria

La Unidad de Memoria está formada por un conjunto de celdas de igual tamaño (número de bits). Estas celdas se identifican mediante una dirección y sobre ellas se pueden realizar operaciones de lectura o escritura. Cada celda es un punto de memoria, el elemento básico de información.

Unidad de Entrada/Salida (E/S)

La Unidad de E/S realiza la transferencia de información a través de canales asociados a dichas unidades. Estos canales están formados por memorias auxiliares o secundarias, llamadas periféricos.

Buses

Los buses son los caminos a través de los cuales las instrucciones y los datos circulan entre las distintas unidades del ordenador.

Programas

Un programa es un conjunto de instrucciones almacenadas secuencialmente en posiciones o direcciones sucesivas de memoria, que se ejecutan una detrás de otra. Este modelo es capaz de ejecutar una serie de instrucciones elementales (instrucciones-máquina) almacenadas en la memoria principal junto con el programa, para ser leídas y ejecutadas. La capacidad de ejecutar diferentes programas es lo que define a estas máquinas como de "propósito general". Cada elemento tiene una función determinada, es imprescindible y se comunica con otros elementos del sistema para procesar la información y llevar a cabo la tarea para la que fue programado.

CPU: Componentes y Funcionamiento Detallado

La CPU (Unidad Central de Proceso) es el cerebro del ordenador. Dentro de la CPU, encontramos:

ALU (Unidad Aritmético Lógica)

• Contiene los circuitos electrónicos para realizar operaciones aritméticas y lógicas.
• Incluye elementos auxiliares (registros) para transmitir o almacenar temporalmente los datos.

Unidad de Control

La unidad de control gestiona la ejecución de programas:

• Toma las instrucciones una tras otra.
• Decodifica el código de instrucción.
• Envía microinstrucciones a las otras unidades del sistema.
• Busca la siguiente instrucción y repite el proceso.

Componentes internos de la Unidad de Control:

• Registro de instrucción: Almacena temporalmente la instrucción que la UC está ejecutando.
• Secuenciador: Envía las microinstrucciones según el código de operación de la instrucción.
• Registro de estado: Conjunto de biestables (flags) que almacenan información sobre la última operación realizada en la ALU (acarreo, resultado negativo o cero, etc.).
• Contador de programa: Registro que se carga automáticamente al inicio de la ejecución con la dirección de la primera instrucción. Se incrementa cada vez que se carga una instrucción en el registro de instrucción.

Buses: Comunicación entre Componentes

Los componentes de la CPU se comunican entre sí y con otros componentes mediante cables que permiten la transferencia de datos binarios. Un conjunto de cables que transmite información en paralelo se denomina Bus.

Tipos de Buses

• Bus de datos:
  • Transfiere instrucciones o datos entre los componentes.
  • Es bidireccional.
  • Su ancho (número de cables) determina la cantidad de bits que se pueden transferir en paralelo (8, 16, 32, 64 bits, etc.).
• Bus de direcciones:
  • Transfiere la dirección de la siguiente instrucción o dato.
  • Es unidireccional (de la CPU a la memoria).
  • Si es estrecho, las instrucciones se transfieren en dos partes (la mitad más significativa y luego la menos significativa).
  • El ancho del bus de direcciones determina el tamaño máximo de la memoria que se puede direccionar (ej: un bus de 16 bits permite direccionar 2¹⁶ posiciones).
• Bus de control:
  • Transfiere las microinstrucciones generadas por el secuenciador a los distintos componentes.