Arquitectura de Von Neumann: Componentes, Buses, Periféricos y Funcionamiento del Ordenador

Arquitectura de Von Neumann

Su idea clave es almacenar el programa en la memoria para que se ejecute en un único procesador. A partir de aquí, todos los ordenadores funcionan de esta forma.

CPU (Unidad Central de Proceso)

La CPU está formada por los siguientes elementos:

• UC (Unidad de Control): se encarga de interpretar y gestionar las instrucciones máquina del programa, así como de generar señales de control para realizar las operaciones.
  • Decodificador de instrucciones (D.I.)
  • Reloj: mide el tiempo.
  • Secuenciador: marca el orden de las instrucciones y las sincroniza con el reloj.
• ALU (Unidad Aritmético-Lógica): su función es operar los datos que recibe según lo indique la UC. Las operaciones que realiza son aritméticas y booleanas.
• Unidad de coma flotante (FPU): también llamada unidad de punto flotante, coprocesador matemático, unidad de procesamiento matemático (NPU) o procesador de datos numéricos (NDP).

Registros

Los registros se dividen en dos grupos:

• Visibles al usuario:
  • Registro de dirección
  • Registro de datos
  • Registro de condición
• De control y estado:
  • Contador de programa (CP)
  • Registro de instrucción (RI)
  • Registro de dirección de memoria (RDM)
  • Registro de intercambio de memoria (RIM)

Buses de comunicación

Las distintas unidades, incluida la memoria, se comunican entre sí a través de buses, que son líneas eléctricas o incluso ópticas que transmiten información entre unidades; por cada hilo se transmite 1 bit. El bus marca la cantidad de datos que un ordenador es capaz de procesar a la vez, indicando si es de 16, 32 o 64 bits.

Tipos de bus

• Bus de datos: permite el intercambio de datos entre la CPU y las unidades externas (memoria, periféricos…). Su velocidad se mide en MHz o GHz.
• Bus de direcciones: transmite la dirección entre la CPU y la memoria, indicando en qué posición se encuentra un dato. Es importante destacar que a mayor tamaño de bus, mayor será el número de datos a los que se puede acceder.
  • Bus de 10 bits → 2¹⁰ = 1024 posiciones
  • Bus de 16 bits → 2¹⁶ = 65 536 posiciones
• Bus de control: genera los impulsos de control creados por la UC para gobernar el ordenador. No tiene importancia la cantidad de bits.

Tipos de memoria

• Caché: memoria muy rápida situada entre la CPU y la RAM, que contiene datos que seguramente serán utilizados en breve.
• Memoria RAM: memoria rápida que contiene los programas y datos que posiblemente se ejecutarán o que ya se han ejecutado y se cree que volverán a ejecutarse.

Historia de los ordenadores

En la era mecánica se utilizaban las tarjetas perforadas, y en la era electrónica, las cintas magnéticas.

• Los ordenadores mecánicos eran más grandes y pesados, mientras que los electrónicos eran menos voluminosos y más ligeros.
• En la era mecánica la información era más fiable que en la electrónica.

Era mecánica: Máquina de diferencias de Babbage, Máquina analítica de Babbage, máquina de calcular de Blaise Pascal.

Era electrónica: MANIAC, IBM 360.

Los periféricos

Periféricos de entrada

Son aquellos que sirven para introducir información en la máquina.
Ejemplos: teclado, ratón, cámara web, escáner, micrófono, lector de código de barras, joystick, pantalla táctil.

Periféricos de salida

Muestran la información una vez procesada por la máquina.
Ejemplos: monitor, impresora, altavoces, auriculares, fax…

Periféricos de entrada/salida

Periféricos de almacenamiento

Se encargan de mostrar o guardar datos al procesador. Actúan tanto de entrada como de salida, pero forman un grupo especial al no poder mostrar esta información directamente al usuario.
Ejemplos: disco duro, lectora, grabadora de CD/DVD/Blu-ray, memorias flash (USB), cintas magnéticas, disquetes, discos extraíbles.

Periféricos de comunicación

Se comportan igual que los de almacenamiento, ya que pueden recibir o enviar datos, por lo que también tienen función de E/S.
Ejemplos: fax-módem, tarjeta de red, tarjeta wireless, Bluetooth, controladora de puerto serie, puerto paralelo, infrarrojo, USB…

Funcionamiento del ordenador

Cuando encendemos un ordenador, se producen internamente los siguientes pasos:

1. Cuando el usuario enciende el ordenador, la fuente de alimentación envía corriente a todos los dispositivos hardware, incluida la CPU.
2. Cuando la CPU recibe la corriente, envía una orden al chip de memoria ROM de la BIOS (Basic Input/Output System), donde se encuentran grabadas las rutinas de POST (Power-On Self-Test), o test de comprobación de encendido.
3. Al ejecutar el test, si la BIOS no encuentra nada anómalo (suele revisar el estado de los dispositivos básicos: CPU, memoria RAM, teclado…), continúa el proceso con la localización de la CPU.
4. La BIOS busca la primera instalación del sistema operativo; en pantalla aparece el logotipo de Windows, Linux, etc. El sistema operativo se va cargando en la RAM para posteriormente ser ejecutado por la CPU.
   • 4.1 Puede ocurrir que tengamos instalados varios sistemas operativos; en ese caso, la BIOS nos dará un programa de arranque para elegir uno de ellos. La BIOS siempr carga la primera posición de memoria del disco duro.
5. Una vez ejecutado el sistema operativo, todo programa ejecutado seguirá el proceso: M.S → RAM → CPU.
6. Al apagar el ordenador, se guardan todos los registros del sistema operativo y la RAM queda totalmente vaciada.

Software del ordenador

Definición: conjunto de programas, instrucciones y reglas informáticas para ejecutar ciertas tareas en la computadora.

Clasificación del software

Según el tipo de trabajo realizado:

• Software de sistema: permite que el hardware de un ordenador funcione correctamente. Realiza la administración de la parte física del ordenador. Ejemplos: sistemas operativos, drivers, herramientas y diagnósticos.
• Software de aplicación: ayuda a realizar tareas de propósito específico o general, cumpliendo la función de asistir al usuario. Ejemplos: aplicaciones ofimáticas, aplicaciones gráficas, navegadores, hojas de cálculo.
• Software de programación: ayuda al usuario a desarrollar nuevo software, facilitando la creación de distintos programas. Debe permitir una interacción sencilla, con sistemas de compilación directos e interfaz gráfica agradable. Ejemplos: Visual Basic, C++, Java, Borland.