Fundamentos de Arquitectura de Computadores y Procesamiento de Datos

Arquitectura de Computadores: Fundamentos Esenciales

Arquitectura de Von Neumann

• Tres componentes principales:
  • CPU (Unidad de Control + Unidad Aritmético-Lógica)
  • Memoria Principal
  • Sistemas de Entrada/Salida
• Sistema de interconexión: Bus
• Procesamiento secuencial de instrucciones
• Datos binarios
• Programa almacenado en memoria

Unidades Funcionales del Ordenador

Memorias

• Dirección de memoria: Lugar donde está almacenada la información.
• Palabra de memoria: Unidad de almacenamiento básica.
• Características:
  • Capacidad:
    • Número de bits de una memoria.
    • Relación entre dirección de memoria y palabra de memoria.
  • Tiempo de acceso:
    • Intervalo de tiempo desde que se solicita un dato a la memoria hasta que se obtiene.
    • Bajo: Caché, RAM.
    • Alto: Unidades magnéticas y ópticas.
  • Volatilidad de la información:
    • No volátiles: Flash, Ópticas, Magnéticas.
    • Volátiles: DRAM.
  • Naturaleza física del almacenamiento:
    • Semiconductor: RAM, ROM, Flash ROM, Stick Memory.
    • Magnético: Unidades de cinta o disco.
    • Óptico: Unidades de DVD, CD-ROM.
  • Modo de acceso a la información:
    • Secuencial.
    • Aleatorio: RAM, DVD.

Unidad Central de Proceso (CPU)

Es el “cerebro” del ordenador. Es la unidad encargada de ir tomando ordenadamente las instrucciones del programa almacenado en la memoria, interpretarlas y ejecutarlas.

Se compone de:

• Unidad Aritmético-Lógica (ALU): Contiene los circuitos electrónicos con los que se realizan las operaciones de tipo aritmético (sumas, restas, etc.) y de tipo lógico (comparar dos números, realizar operaciones del Álgebra de Boole binaria, etc.).
• Unidad de Control (UC): Es la parte de la CPU que:
  1. Recupera las instrucciones en la secuencia apropiada.
  2. Interpreta las instrucciones.
  3. Supervisa el estado del sistema.
  4. Envía las señales apropiadas a la ALU y a otras partes del computador, de acuerdo con el estado del sistema y la interpretación de la instrucción.

  La UC contiene un reloj que sincroniza todas las operaciones elementales de la computadora. El periodo del reloj se denomina tiempo de ciclo (entre decenas de nanosegundos y varios microsegundos). La frecuencia del reloj (Megahercios, MHz, o Gigahercios, GHz) determina, en parte, la velocidad de funcionamiento del computador.

• Registros del Procesador: PC, RI, Ac, etc.
  • Contador de Programa (PC): Indica la dirección de memoria donde se encuentra almacenada la próxima instrucción del programa a ejecutar.
  • Registro de Instrucción (RI): Guarda la instrucción que se está ejecutando.
  • Registros de Estado: Contienen datos sobre el estado del sistema.
• Reloj

Ciclo de Instrucción

1. Fetch (Búsqueda): Recupera la siguiente instrucción de memoria (de la dirección indicada por el Contador de Programa) e incrementa el Contador de Programa.
2. Decodificación: Decodifica el patrón de bits contenido en el Registro de Instrucción.
3. Ejecución: Realiza la acción solicitada por la instrucción contenida en el Registro de Instrucción, almacenando el resultado.

Buses

• Bus de Control
• Bus de Datos
• Bus de Direcciones de Memoria

Dispositivos Periféricos

• Entrada
• Salida
• Entrada/Salida
• Almacenamiento o de Memoria
• Comunicación

Representación Numérica y Errores

Errores de Representación

• Error de Desbordamiento: Ocurre cuando la cantidad a representar excede el rango permitido.
• Error de Redondeo: Se produce cuando la cantidad a representar se encuentra entre dos valores representables.

Representación de Números Enteros

• Signo-Magnitud: Rango [-2^n-1+1, 2^n-1-1] (0+ y 0-). Ejemplo: 11100 = -12.
• Complemento a Uno: Rango [-2^n-1+1, 2^n-1-1] (cambia 1 por 0 y 0 por 1 para negativos). Ejemplo: 10011 = -12.
• Complemento a Dos: Rango [-2^n-1, 2^n-1-1] (complemento a uno y se suma uno).

Representación de Números Reales

• Punto Fijo: (Parte entera, punto y parte decimal).
• Punto Flotante: (Signo, mantisa, exponente). Pasos:
  1. Extraer el signo.
  2. Representar el número en punto fijo.
  3. Normalizar la mantisa.
  4. Extraer la mantisa normalizada (m').
  5. Extraer el exponente (e) y obtener el exponente con exceso N (e' = e + N).