Fundamentos de Arquitectura de Computadoras: CPU, Memorias y Buses Esenciales

Arquitecturas Fundamentales y Componentes del Sistema

Arquitecturas de Computadoras: Von Neumann vs. Harvard

A continuación, se detallan las diferencias clave entre las arquitecturas Von Neumann y Harvard:

Arquitectura Von Neumann

• Los datos y las instrucciones se almacenan en la misma memoria y son gestionados por el mismo sistema de manejo de la información.
• En un equipo que usa Von Neumann sin caché, la CPU solo puede realizar una operación a la vez: escribir, leer o ejecutar una instrucción.
• Concepto: Necesitaba conectar permanentemente las unidades del ordenador y coordinar el funcionamiento bajo un control central.

Arquitectura Harvard

• Los datos y los programas (instrucciones) se almacenan en dispositivos de memoria independientes, manejados por subsistemas separados.
• Permite la ejecución simultánea: puede leer, escribir e instruir al mismo tiempo.
• Para lograr mayor rapidez, se utiliza la memoria caché dividida, optimizando el procesamiento de datos e instrucciones.

Componentes Clave del Procesamiento

Máquina de Turing

Los componentes esenciales de la Máquina de Turing son:

• Memoria
• Cabezal de lectura-escritura
• Procesador

Componentes de la Arquitectura Von Neumann

• Unidad Aritmético-Lógica (ALU)
• Memoria
• Unidad de Control (UC)
• Dispositivos de Entrada/Salida (E/S)

Unidad Central de Procesamiento (CPU)

La CPU consiste en un circuito que interpreta y ejecuta las instrucciones de los programas almacenados en memoria. Además, toma los datos de las unidades de entrada, los procesa y los envía a las unidades o periféricos de salida.

Estructura de la CPU

La CPU está formada por:

• Unidad de Control (UC)
• Unidad Aritmético-Lógica (ALU)
• Registros

Fases de Ejecución de Instrucciones

El ciclo de ejecución de una instrucción se compone de las siguientes fases:

1. Carga, búsqueda o lectura: La Unidad de Control (UC) envía a la memoria principal la dirección de la instrucción a ejecutar.
2. Decodificación: La UC recibe la instrucción, la analiza y, en su caso, lee los operandos de la memoria principal (RAM), enviando su dirección y activando las señales de control.
3. Ejecución: La ALU, bajo las órdenes de la UC, realiza la operación sobre los operandos y almacena el resultado en los registros.
4. Incremento del contador de programa: También denominado puntero de instrucción, permite pasar a ejecutar la instrucción siguiente.

Jerarquía y Tipos de Memoria

Jerarquía de Memorias

La jerarquía de memorias se ordena de mayor velocidad y menor capacidad a menor velocidad y mayor capacidad:

1. Registros
2. Memoria Caché
3. RAM (Memoria Principal)
4. Disco Duro (Almacenamiento local)
5. Almacenamiento en red

Tipos de Memoria

Registros

• Son memorias muy veloces pero con poca capacidad.
• Están integrados en el procesador y usan tecnología SRAM.
• Tipos: Registros de datos, registros de memoria, registros de propósito general.

Memoria Caché

• Es una memoria más pequeña y rápida.
• Ubicada entre la memoria principal y el procesador.
• Su objetivo es almacenar copias de los datos situados en memoria principal para acelerar el acceso.

Memoria RAM (Random Access Memory)

• Es una unidad que se divide en celdas identificadas por una dirección.
• Está formada por bloques de circuitos integrados o chips, capaces de almacenar y retener valores binarios.

Tipos de Módulos RAM (DIMM)

• DIMM – SDR
• DIMM – DDR
• DIMM – DDR2
• DIMM – DDR3
• DIMM – DDR4

Disco Duro (HDD)

• Es un dispositivo de almacenamiento de información no volátil.
• Emplea un sistema de grabación magnética para almacenar datos.

Memoria Flash

• No volátil.
• Actualizable.
• Alta densidad.

Buses del Sistema

Los buses son canales de comunicación que permiten la transferencia de información entre los componentes del sistema.

Tipos de Buses (Funcionales)

• Bus de Datos (Bidireccional): Transporta datos procedentes o con destino a la memoria principal y las unidades de Entrada/Salida.
• Bus de Direcciones (Unidireccional): Transporta las direcciones de la Unidad de Control a la memoria principal o a los periféricos.
• Bus de Control (Bidireccional): Transporta las señales de control (microórdenes) generadas por la Unidad de Control.

Bus Front Side Bus (FSB)

El Front Side Bus es la conexión entre el procesador y el NorthBridge (chip que controla la CPU, la RAM, la tarjeta gráfica y el Southbridge). En algunos contextos, todavía se denomina bus del sistema.

Tipos de Buses en Placas Base

• Bus PCI: Transmite datos en paralelo.
• Bus AGP: Está dedicado a conectar tarjetas de video.
• Bus PCI Express (PCIe): Es la evolución del bus PCI, ofreciendo mayor velocidad y rendimiento.