Arquitectura de Von Neuman. Componentes básicos
1. Descripción básica de la arquitectura de Von Neumann.
Es una arquitectura de computadoras basada en la descrita en 1945 por el matemático y físico John von Neumann. Está compuesto por:
1.1. Unidad central de proceso (CPU). Está formado por:
- La unidad de control (UC).
- Unidad aritmético-lógica (UAL o ALU).
- Registros.
1.2. Unidad de control (UC). Sus componentes son:
- Descodificador de instrucciones (RI).
- Reloj.
- Decodificador.
1.3. Unidad aritmético-lógica (UAL).
1.4. Registros internos del microprocesador. Se divide en dos tipos:
1. Visibles al usuario
- Registro de dirección.
- Registro de datos.
- Registro de condición.
2. De control y de estado
- Contador de programas (CP).
- Registro de instrucción (RI).
- Registro de dirección de memoria (RDM).
- Registro de intercambio de memoria (RIM).
1.5. Buses de comunicación. Esta formado por:
- Bus de datos.
- Bus de direcciones.
- Bus de control de la CPU.
1.6. La memoria principal, la RAM.
1. Almacena dos tipos de información.
2. Tiene dos faces en la ejecución de una instrucción.
3. Dividida en celdas que se referencia mediante direcciones.
4. Jerarquías de memorias .
- Registros CPU.
- Caché, RAM.
- Secundarias de discos y auxiliares.
1.7. Unidades de entrada y salida. Se pueden clasificar en:
- Entrada.
- Salida.
- Almacenamiento.
- Comunicación.
1.8. Arranque del ordenador
2. CPU: Elementos básicos y funcionamiento.
Es el auténtico cerebro del ordenador: controla y gobierna todo el sistema. Consiste en un circuito integrado que interpreta y ejecuta las instrucciones de los programas almacenados en memoria y que además toma los datos de las unidades de entrada, los procesa y los envía a las unidades o periféricos de salida.
2.1. Unidad central de proceso (CPU),
A la CPU también le podemos llamar procesador o microprocesador. Está formada por:
- La unidad de control (UC): Interpreta y ejecuta las instrucciones almacenadas en la memoria principal.
- La unidad aritmético-lógica (UAL o ALU): Recibe los datos sobre los que efectúa operaciones de cálculo y comparaciones, toma decisiones lógicas.
- Registros: Es donde se almacena información temporal, que constituyen el almacenamiento interno de la CPU.
2.2. Unidad de control.
Se encarga de interpretar y ejecutar las instrucciones máquina que conforman los programas y de generar las señales de control necesarias para llevarlas a cabo.
Componentes de la UC.
- Descodificador de instrucciones (RI): Se encarga de extraer y analizar el código de operación de la instrucción en curso contenida en el RI
- Reloj: Va marcando los tiempos de ejecución de los pasos a realizar para cada instrucción y marca el ritmo de funcionamiento del descodificador de instrucción. Además, se encarga de sincronizar todo el sistema. La velocidad de reloj se mide en gigahercios (GHz).
- Decodificador: Este dispositivo genera órdenes o microórdenes elementales que, sincronizadas con los impulsos de reloj
2.3. Unidad aritmético-lógica (UAL).
Su función es operar con los datos que recibe siguiendo las órdenes de la UC. Una parte importante de la UAL es la unidad de coma flotante.
2.4. Los registros internos del microprocesador.
En el interior del procesador existen unas celdas de memoria de alta velocidad que permiten a la CPU almacenar datos temporalmente mientras se efectúa alguna operación. Son los llamados registros internos, que constituyen la memoria interna del procesador. Están formados por un conjunto de bits que se manipulan en bloque.
Existen dos registros:
1. Visibles al usuario
- Registro de dirección.
- Registro de datos.
- Registro de condición.
2. De control y de estado
- Contador de programas (CP).
- Registro de instrucción (RI).
- Registro de dirección de memoria (RDM).
- Registro de intercambio de memoria (RIM).
2.5. Buses de comunicación.
Las unidades que integran el ordenador se comunican a través de los buses; son las líneas eléctricas u ópticas a través de las cuales se comunican las distintas unidades de un ordenador. Los buses son cables por los que circula la información en forma de bits.
Distinguimos tres tipos de buses:
- Bus de datos: Permite establecer el intercambio de datos entre la CPU y el resto de unidades. Cada instrucción de un programa y cada byte de datos viaja por este bus. La velocidad del bus de datos se mide en megahercios (MHz) o gigahercios (GHz). Otra de las características de la CPU es el número de bits que transfiere simultáneamente a través de este bus. El tamaño del bus se mide en bits.
- Bus de direcciones: Transmite direcciones entre la CPU y la memoria. El bus de direcciones funciona sincronizado con el de datos. Es el empleado por la CPU para seleccionar la dirección de memoria o el dispositivo de entrada/salida con el cual va a intercambiar información. El bus de direcciones es necesario para conocer las direcciones de los datos que se envían a (o que se reciben desde) la CPU por el bus de datos.
- Bus de control de la CPU: Genera los impulsos eléctricos necesarios para gobernar el resto de elementos.
2.6. La memoria principal, la RAM.
En la memoria principal o memoria RAM (Ramdon Access Memory, memoria de acceso aleatorio) se almacenan dos tipos de información: el programa o secuencia de instrucciones a ejecutar y los datos que manejan dichas instrucciones. La memoria RAM es donde se almacenan los datos y los programas que se están ejecutando en ese momento en el ordenador; cuando se apaga el ordenador, el contenido de la RAM desaparece, por eso se dice que esta memoria es volátil.
1. Almacena dos tipos de información.
2. Tiene dos faces en la ejecución de una instrucción.
- Búsqueda: Consiste en localizar la instrucción a ejecutar dentro de la memoria principal y llevarla a la UC para procesarla.
- Ejecución: Es la realización de las acciones que llevan asociadas las instrucciones. Por ejemplo, una suma o una resta.
3. Dividida en celdas que se referencia mediante direcciones.
4. Jerarquías de memoria.
- Registros CPU: Son memorias de baja capacidad pero de alta velocidad, integradas en el procesador, que permiten guardar y acceder a valores muy usados, generalmente en operaciones matemáticas.
- Memoria caché: De baja capacidad, muy rápidas, con tiempos de acceso inferiores a los 5 ns. Se interponen entre el procesador y la memoria principal. La memoria caché permite acelerar el acceso a los datos, trasladándolos a un medio más rápido cuando se supone que van a leerse o a modificarse pronto.
- RAM: Es más lenta y de mayor capacidad que la caché.
- Secundarias de discos y auxiliares: Estas son de alta capacidad y oscilan entre varios Gb o Tb. El tiempo de acceso se mide en milisegundos (10–6 s). Lo forman los discos duros del ordenador, tanto internos como externos, donde se almacenan todos los programas y archivos.
2.7. Unidades de entrada y de salida: los periféricos.
Son dispositivos que se conectan al ordenador y permiten almacenar información y comunicar al ordenador con el mundo exterior. Se pueden clasificar en:
- Periférico de entrada: Son los que introducen datos externos a la computadora. Ejemplo; Teclado, ratón, etc.
- Periférico de salida: Son los que reciben información que es procesada por la CPU. Ejemplo: Monitor, altavoces, etc.
- Periférico de almacenamiento: Se encargan de guardar los datos de forma que permanezca para usos posteriores. Pueden ser internos. Ejemplo: Disco duro, Blu-Ray, etc.
- Periférico de comunicación: Facilitan la interacción entre dos o más ordenadores o entre un ordenador y otro periférico externo. Ejemplo: Tarjeta de red, Bluetooth, etc.
2.8. Arranque del ordenador.
La memoria ROM (Read Only Memory), o de solo lectura, se usa para almacenar programas o datos que tienen que ver con el diseño del sistema principal, o con alguna de sus partes, como la tarjeta de vídeo, la controladora de las unidades de disco, la tarjeta de sonido, etc. Son fundamentales en el proceso de arranque del ordenador. Cuando encendemos el ordenador, la fuente de alimentación lleva corriente a todos los componentes, incluyendo a la CPU, que envía una orden al chip de la memoria ROM de la BIOS.
Si la BIOS no encuentra nada anormal, continúa el proceso de arranque del ordenador. Posteriormente, ejecuta instrucciones del SO trasladándolas a la RAM y aparece la primera pantalla del sistema operativo. Una vez arrancado, podremos ejecutar cualquier programa (el programa elegido se cargará en la RAM).
Una vez que finaliza el proceso con los datos, obtendremos los resultados y podremos dirigirlos hacia un dispositivo de salida (por ejemplo, la impresora) o guardarlos en un periférico de almacenamiento.
3. Buses de comunicación.
Las unidades que integran el ordenador se comunican a través de los buses; son las líneas eléctricas u ópticas a través de las cuales se comunican las distintas unidades de un ordenador. Los buses son cables por los que circula la información en forma de bits.
Distinguimos tres tipos de buses:
- Bus de datos: Permite establecer el intercambio de datos entre la CPU y el resto de unidades. Cada instrucción de un programa y cada byte de datos viaja por este bus. La velocidad del bus de datos se mide en megahercios (MHz) o gigahercios (GHz). Otra de las características de la CPU es el número de bits que transfiere simultáneamente a través de este bus. El tamaño del bus se mide en bits.
- Bus de direcciones: Transmite direcciones entre la CPU y la memoria. El bus de direcciones funciona sincronizado con el de datos. Es el empleado por la CPU para seleccionar la dirección de memoria o el dispositivo de entrada/salida con el cual va a intercambiar información. El bus de direcciones es necesario para conocer las direcciones de los datos que se envían a (o que se reciben desde) la CPU por el bus de datos.
- Bus de control de la CPU: Genera los impulsos eléctricos necesarios para gobernar el resto de elementos.
4. La memoria principal, la RAM.
En la memoria principal o memoria RAM (Ramdon Access Memory, memoria de acceso aleatorio) se almacenan dos tipos de información: el programa o secuencia de instrucciones a ejecutar y los datos que manejan dichas instrucciones. La memoria RAM es donde se almacenan los datos y los programas que se están ejecutando en ese momento en el ordenador; cuando se apaga el ordenador, el contenido de la RAM desaparece, por eso se dice que esta memoria es volátil.
1. Almacena dos tipos de información.
2. Tiene dos faces en la ejecución de una instrucción.
- Búsqueda: Consiste en localizar la instrucción a ejecutar dentro de la memoria principal y llevarla a la UC para procesarla.
- Ejecución: Es la realización de las acciones que llevan asociadas las instrucciones. Por ejemplo, una suma o una resta.
3. Dividida en celdas que se referencia mediante direcciones.
4. Jerarquías de memoria.
- Registros CPU: Son memorias de baja capacidad pero de alta velocidad, integradas en el procesador, que permiten guardar y acceder a valores muy usados, generalmente en operaciones matemáticas.
- Memoria caché: De baja capacidad, muy rápidas, con tiempos de acceso inferiores a los 5 ns. Se interponen entre el procesador y la memoria principal. La memoria caché permite acelerar el acceso a los datos, trasladándolos a un medio más rápido cuando se supone que van a leerse o a modificarse pronto.
- RAM: Es más lenta y de mayor capacidad que la caché.
- Secundarias de discos y auxiliares: Estas son de alta capacidad y oscilan entre varios Gb o Tb. El tiempo de acceso se mide en milisegundos (10–6 s). Lo forman los discos duros del ordenador, tanto internos como externos, donde se almacenan todos los programas y archivos.
5. Unidas de Entrada/Salida.
Son dispositivos que se conectan al ordenador y permiten almacenar información y comunicar al ordenador con el mundo exterior. Se pueden clasificar en:
- Periférico de entrada: Son los que introducen datos externos a la computadora. Ejemplo; Teclado, ratón, etc.
- Periférico de salida: Son los que reciben información que es procesada por la CPU. Ejemplo: Monitor, altavoces, etc.
- Periférico de almacenamiento: Se encargan de guardar los datos de forma que permanezca para usos posteriores. Pueden ser internos. Ejemplo: Disco duro, Blu-Ray, etc.
- Periférico de comunicación: Facilitan la interacción entre dos o más ordenadores o entre un ordenador y otro periférico externo. Ejemplo: Tarjeta de red, Bluetooth, etc.
6. En arranque del ordenador.
La memoria ROM (Read Only Memory), o de solo lectura, se usa para almacenar programas o datos que tienen que ver con el diseño del sistema principal, o con alguna de sus partes, como la tarjeta de vídeo, la controladora de las unidades de disco, la tarjeta de sonido, etc. Son fundamentales en el proceso de arranque del ordenador. Cuando encendemos el ordenador, la fuente de alimentación lleva corriente a todos los componentes, incluyendo a la CPU, que envía una orden al chip de la memoria ROM de la BIOS.
Si la BIOS no encuentra nada anormal, continúa el proceso de arranque del ordenador. Posteriormente, ejecuta instrucciones del SO trasladándolas a la RAM y aparece la primera pantalla del sistema operativo. Una vez arrancado, podremos ejecutar cualquier programa (el programa elegido se cargará en la RAM).
Una vez que finaliza el proceso con los datos, obtendremos los resultados y podremos dirigirlos hacia un dispositivo de salida (por ejemplo, la impresora) o guardarlos en un periférico de almacenamiento.
- Vídeo relacionado con la CPU
7. Fuente de información
Ha sido todo cogido del tema, menos las imágenes que son de Google.
Todos los procesadores actuales tienen una caché de nivel 1 o L1 y una segunda caché de nivel 2 o L2, que es más grande que la L1 pero menos rápida que la L1. Los procesadores más modernos incluyen ya una caché 3 o L3..jpg/400435282/752x399/inform%20(10).jpg)
En la actualidad se utiliza el Thermal Design Power (TDP) (algunas veces denominado Thermal Design Point) para representar la máxima cantidad de calor que necesita disipar el sistema de refrigeración de un ordenador.
