Arquitectura Von Neumann y Componentes Esenciales de la CPU: Registros y Funcionamiento

Arquitectura Von Neumann: Fundamentos

La arquitectura Von Neumann se caracteriza por disponer de una sola memoria principal donde se almacenan datos e instrucciones. A dicha memoria se accede a través de un sistema de buses único (direcciones, datos y control).

Unidad Central de Proceso (CPU)

Se encarga de interpretar y ejecutar las instrucciones contenidas en los programas. Es el único elemento activo que maneja datos e instrucciones y realiza operaciones aritméticas y lógicas (se denomina elemento activo porque recibe una serie de datos y genera otros diferentes). Está formada por:

Componentes Principales de la CPU

Unidad de Control (UC)

Es la parte más compleja de la CPU. Su función consiste en buscar la instrucción en la memoria principal, interpretarla (*decodificarla*) y ejecutarla, generando una secuencia ordenada de señales que actúan sobre la ALU para que realice la operación deseada y regule todo el flujo interno de información entre los diferentes registros.

Unidad Aritmético Lógica (ALU)

Realiza operaciones aritméticas y lógicas básicas.

Palabra del Procesador

Define el tamaño de la información que puede manejar el procesador en paralelo.

Reloj

Marca el ritmo de ejecución de la instrucción en curso en la CPU. Cuanto más frecuente sea esta señal, más veloz será el procesador. Es conocida como la *frecuencia del procesador*. Se suele medir en KHz (10³ Hz), MHz (10⁶ Hz) o GHz (10⁹ Hz).

Registros Esenciales de la CPU

Registro de Instrucción (IR)

Guarda la instrucción procedente de la memoria que se va a ejecutar.

Contador de Programa (PC)

Registro que contiene la dirección de la siguiente instrucción a ejecutar. Una vez utilizado para acceder a la memoria y extraer la nueva instrucción, el valor del PC deberá incrementarse para que apunte a la siguiente instrucción o cambiar a un valor distinto si se desea provocar un 'salto' o rotura de la secuencia de ejecución.

Registro de Estado (SR)

Guarda información sobre el resultado de la última operación realizada por la ALU:

• ZF (Zero Flag) = 1: Si el resultado de la última operación ha sido nulo (cero).
• CF (Carry Flag) = 1: Si el resultado de la última operación ha provocado acarreo.
• OF (Overflow Flag) = 1: Si el resultado de la última operación ha provocado desbordamiento (*overflow*).
• SF (Sign Flag) = 1: Si el resultado de la última operación ha provocado un resultado negativo.

Banco de Registros Generales

Almacén a corto plazo para datos intermedios. Su número depende del modelo de procesador.

Registro MAR (Memory Address Register)

Almacena la dirección del dato o instrucción a la que se está accediendo en memoria. En el caso de las instrucciones, su valor se carga del registro PC.

Registro MDR (Memory Data Register)

Registro donde se guarda el dato/instrucción leído de la memoria o el último registro donde se deja el dato a escribir en la memoria. Representa la interfaz entre la memoria y el resto de registros de la CPU.

Registros Temporales de la ALU

Registro TMPE

Almacena uno de los dos operandos de entrada que intervienen en la operación que va a realizar la ALU.

Registro TMPS

Almacena el resultado de la operación realizada por la ALU.

Tipos de Instrucciones

• Instrucciones de Transferencia de Datos: Mueven datos entre los registros internos de la CPU o entre los registros de la CPU y la memoria.
• Instrucciones Aritmético-Lógicas: Realizan operaciones como ADD, SUB, AND, OR, XOR, NOT, etc.
• Instrucciones de Control o Salto: Pueden cambiar el flujo secuencial de ejecución de instrucciones en un programa, provocando un cambio en el Contador de Programa (PC).

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