Arquitectura de Computadoras: Procesadores, Memoria y Modelos Fundamentales

Exploramos los conceptos esenciales de la arquitectura de computadoras, desde los modelos teóricos hasta los componentes físicos clave como la CPU y el sistema de memoria.

Modelos Arquitectónicos Fundamentales

La Máquina de Turing

La Máquina de Turing es un modelo teórico abstracto de computación que define un dispositivo capaz de manipular símbolos en una cinta de acuerdo con un conjunto de reglas. Sus componentes conceptuales incluyen:

• Memoria: Representada por una cinta infinita dividida en celdas.
• Cabezal de lectura-escritura: Capaz de leer y escribir símbolos en la cinta, y moverse a la izquierda o a la derecha.
• Procesador: Un conjunto finito de estados y una tabla de reglas que dictan las acciones del cabezal.

La Arquitectura de Harvard

La arquitectura de Harvard se caracteriza por tener la memoria de datos separada de la memoria del programa, y estas a su vez unidas a la CPU mediante buses independientes. Esto permite que la CPU acceda simultáneamente a instrucciones y datos, mejorando el rendimiento.

La Arquitectura de Von Neumann

La arquitectura de Von Neumann es un diseño de computadora que utiliza una única memoria tanto para las instrucciones del programa como para los datos. Sus componentes principales son:

• Unidad Aritmético-Lógica (ALU): Realiza operaciones aritméticas y lógicas.
• Unidad de Control (UC): Dirige y coordina las operaciones del sistema.
• Memoria Principal (RAM): Almacena tanto las instrucciones como los datos.
• Dispositivos de Entrada/Salida: Permiten la interacción con el exterior.

Son parámetros fundamentales para el rendimiento de la memoria en esta arquitectura:

• Tiempo o velocidad de acceso
• Velocidad de reloj
• Voltaje

La Unidad Central de Procesamiento (CPU)

La Unidad Central de Procesamiento (CPU) es el cerebro del ordenador. Consiste en un circuito que interpreta y ejecuta las instrucciones de los programas almacenados en memoria, toma los datos de las unidades de entrada, los procesa y los envía a las unidades o periféricos de salida.

Componentes de la CPU

La CPU está formada por:

• Unidad de Control (UC): Coordina y gestiona todas las operaciones.
• Unidad Aritmético-Lógica (ALU): Ejecuta operaciones matemáticas y lógicas.
• Registros: Pequeñas unidades de almacenamiento de alta velocidad dentro de la CPU.

Elementos Clave Adicionales de la CPU

También son elementos importantes que influyen en el rendimiento de la CPU:

• La frecuencia de reloj
• La longitud de palabra de los datos
• Tecnología utilizada

Implementación de la Unidad de Control (UC)

La UC dispone de la circuitería necesaria para leer la dirección de memoria de la siguiente instrucción a ejecutar, la localiza y la guarda.

Hay dos posibilidades principales para su implementación:

• Microprogramada: Las instrucciones están implementadas mediante una memoria de control que contiene microprogramas asociados a microinstrucciones en las que se descomponen.
• Cableada: Las instrucciones están implementadas directamente por hardware, ofreciendo mayor velocidad pero menor flexibilidad.

El Sistema de Memoria

La memoria es el elemento encargado de almacenar la información que necesita el ordenador y, por lo tanto, las instrucciones que forman los programas y los datos que se emplean en su ejecución.

Se encuentra dividida en celdas sobre las que se llevan a cabo operaciones de lectura y/o escritura.

Jerarquía de Memorias

Para optimizar los tiempos en los que el procesador obtiene un dato de la memoria, se organizan los distintos tipos de memoria en una jerarquía.

Características Clave de la Memoria

• Capacidad de almacenamiento
• Velocidad
• Coste por bit

Niveles de la Jerarquía de Memoria (de más rápido a más lento)

• Registros
• Memoria Caché
• Memoria RAM
• Disco Duro
• Almacenamiento en Red

La Memoria RAM

La Memoria RAM (Random Access Memory) es la memoria principal que se inserta en la placa base. Está compuesta por chips de memoria, un módulo donde están soldados y los contactos para conectarlos a la placa base.

Es más rápida que la memoria secundaria y es volátil, lo que significa que su contenido se pierde al apagar el ordenador.