Arquitectura Von Neumann: Pilares de la Computación Digital

Arquitectura de Von Neumann: Pilares de la Computación Digital

La arquitectura de Von Neumann es un modelo fundamental para el diseño de computadoras digitales, que describe una estructura de diseño para un ordenador digital con partes que constan de una unidad de procesamiento central (CPU) que contiene una unidad aritmético-lógica (ALU) y registros del procesador, una unidad de control que contiene un contador de programa e instrucciones de registro, memoria para almacenar tanto datos como instrucciones, almacenamiento masivo externo y mecanismos de entrada/salida.

Principios de la Arquitectura Von Neumann

• La entrada de información se realiza utilizando los periféricos de entrada, como el teclado, el ratón, el escáner, entre otros.
• Esta información de entrada se almacena en la memoria principal del sistema.
• El procesamiento de los datos y la ejecución de las instrucciones son realizados por el microprocesador.
• Tras el procesamiento, el resultado se envía a los periféricos de salida, como el monitor o la impresora (reacción del cuerpo), para su visualización o uso.

La Unidad Central de Procesamiento (CPU)

El microprocesador es el componente físico que implementa la funcionalidad de la CPU, mientras que la CPU es el elemento funcional que interpreta y ejecuta instrucciones. Por lo tanto, la CPU no es sinónimo de microprocesador, ni viceversa.

La función principal de la CPU es interpretar y ejecutar las instrucciones de un programa almacenado en memoria, procesando la información de entrada recibida desde los periféricos para generar un resultado que se envía a los periféricos de salida.

Componentes de la CPU

La CPU está formada por:

• Unidad de Control (UC): Es la encargada de interpretar y ejecutar las instrucciones. Básicamente, decodifica las instrucciones para determinar qué operación debe realizarse.
• Unidad Aritmético-Lógica (ALU): Realiza todos los cálculos aritméticos (sumas, restas, etc.) y operaciones lógicas (AND, OR, NOT, etc.).
• Registros:
  • Son pequeñas memorias internas dentro del microprocesador, caracterizadas por su ultrarrápida velocidad de acceso.
  • Almacenan bits de información, típicamente en tamaños de 16, 32 o 64 bits, dependiendo de la arquitectura del procesador.

La Memoria Principal

La arquitectura de Von Neumann se basa en el concepto fundamental de "programa almacenado", lo que implica que todo programa, para ser ejecutado por la CPU, debe residir total o parcialmente en la memoria principal.

• Cuanta más memoria disponible, mayor será la cantidad de programas que se podrán almacenar y, consecuentemente, más programas se podrán ejecutar simultáneamente.
• En la memoria se almacenan tanto las instrucciones que la CPU debe ejecutar como los datos necesarios para la ejecución de dichas instrucciones.

El Bus del Sistema

Para que los diferentes componentes de la computadora (CPU, memoria, periféricos) puedan comunicarse entre sí, deben estar interconectados a través de cables.

Estos cables están integrados en la placa base y constituyen el bus del sistema. Se puede conceptualizar el bus como una "carretera" que conecta todas las "ciudades" (componentes) del sistema entre sí, permitiendo el flujo de información.

El bus es un recurso compartido por todos los elementos del sistema. Sin embargo, en un momento dado, solo un elemento puede hacer uso de él para transmitir información.

Tipos de Buses según la Información Transferida

Según el tipo de información que se transfiere a través del bus, distinguimos:

• Bus de Datos: Se encarga de la transferencia de los datos necesarios para las operaciones y las propias instrucciones del programa.
• Bus de Direcciones: Transfiere las direcciones de memoria donde se localizan tanto las instrucciones como los datos que la CPU necesita acceder.
• Bus de Control: Transporta las señales de control que coordinan y sincronizan la correcta ejecución de las instrucciones y el flujo de datos entre los componentes.