Existen muchas opciones posibles a la hora de diseñar un ordenador digital. En la actualidad, la más aceptada es la denominada arquitectura de Von Neumann, propuesta por el matemático húngaro John Von Neumann en 1945. Esta arquitectura está compuesta de las siguientes partes:
- Unidad de Memoria (UM): se encarga de almacenar información.
- Unidad Central de Proceso (CPU) o microprocesador: es el circuito integrado constituido por millones de componentes electrónicos. Constituido esencialmente por:
- Unidad de Control (UC).
- Unidad Aritmético-Lógica (UAL).
- Su propia memoria integrada que no es la RAM.
- Unidad de Entrada/Salida (UE/S): realiza las operaciones de introducción y extracción de la información en el ordenador.
- Buses de comunicación: estas unidades se conectan entre sí usando unos canales llamados buses. Hay buses de diferentes tipos, dependiendo lo que circule por ellos:
- Bus de datos (BD): transfiere datos entre los elementos del ordenador.
- Bus de direcciones (BA): transfiere direcciones entre la UC y la UM.
- Bus de control (BC): emite las señales de control que gobiernan el funcionamiento de las unidades.
Unidad de Memoria (UM)
Es la encargada de almacenar información. Esta arquitectura se caracteriza por utilizar dicha unidad tanto para almacenar información como programas. Aquí surge el concepto de programa almacenado. De esta manera, un ordenador puede utilizarse para varios cometidos sin necesidad de reprogramarlo.
La unidad de memoria se organiza en varios niveles de velocidad. Esta organización se denomina jerarquía de memoria y optimiza el uso de esta.
Los niveles están diseñados de forma que las memorias más rápidas se sitúen en los niveles más bajos. Existe una relación entre la velocidad de una memoria y su capacidad y coste.
- Auxiliar: esta memoria se usa como soporte de respaldo de información, pudiendo situarse en medios extraíbles o en red.
- Nivel 4.
- Velocidad <10 KHz.
- Capacidad de GB a EB.
- Secundaria: también llamada memoria de disco. Se utiliza para almacenar información de forma permanente, por lo que es de alta capacidad.
- Nivel 3.
- Velocidad >100 KHz.
- Capacidad de GB a EB.
- Principal: conocida también como memoria RAM. Es el bloque que constituye realmente la UM. Se emplea para almacenar datos y programas de forma temporal.
- Nivel 2.
- Velocidad >66 KHz.
- Capacidad de MB a GB.
- Caché: memoria intermedia entre la UM y la CPU utilizada como apoyo para acelerar los accesos de la CPU a la UM. La caché, en realidad, está dispuesta en varios niveles (L1, L2, L3, L4) siendo L1 la más rápida y de menor capacidad, y la L4 la más lenta y de mayor capacidad. En función de la frecuencia de uso de la información se va moviendo entre los diferentes niveles de la caché antes de abandonarla.
- Registros: son memorias de alta velocidad y baja capacidad utilizadas para el almacenamiento intermedio de datos en las unidades funcionales, especialmente la UC y la UAL.
La unidad de memoria viene a coincidir con la memoria principal. Está compuesta por un elemento de memoria (a su vez compuesto de celdas, con capacidad cada una para 1B) y dos registros auxiliares.
Los registros auxiliares son:
- Registro de direcciones (RD): utilizado para almacenar de forma temporal la dirección de memoria de un dato o instrucción.
- Registro de datos (RM): almacena temporalmente cualquier dato o instrucción que se intercambie con la memoria.
El registro de datos enlaza el bus de forma bidireccional.
Sobre la memoria se pueden realizar dos tipos de operaciones:
- Lectura (L).
- Escritura (E).
Unidad Central de Proceso (CPU) o Microprocesador.
Es el circuito integrado por millones de componentes electrónicos. Se encarga de interpretar las instrucciones contenidas en los programas y procesa los datos. Constituida esencialmente por:
- Unidad Aritmético-Lógica (UAL): tiene como cometido realizar las operaciones necesarias para procesar la información.
- Unidad de Control (UC): su objetivo es gestionar y coordinar todas las unidades funcionales para obtener el fin deseado. Gran parte de la complejidad de un ordenador reside en el diseño de esta unidad ya que, dependiendo de como funcione, así será el rendimiento del equipo.
- Su propia memoria integrada que no es la RAM.
Unidad Aritmético-Lógica (UAL).
El elemento principal de la UAL es el operador. Un operador es un componente electrónico cuya misión es realizar un cálculo. Los operadores se pueden clasificar según:
- Su ámbito:
- Genéricos: pueden realizar diferentes operaciones.
- Específicos: sólo pueden realizar un tipo de operación.
- El número de operandos:
- Monádicos: sólo una entrada, por ejemplo, el negador.
- Diádicos, dos entradas, por ejemplo, el operador suma.
- Triádicos: tres entradas, por ejemplo, el condicional.
- Su capacidad de operar:
- En serie: reciben la información en una secuencia de bits y los procesan uno a uno.
- En paralelo: recepcionan la información en bloques de bits, que se procesan de forma simultánea.
Unidad de Control.
La UC se encarga de buscar las instrucciones de la UM, interpretarlas y generar en cada momento las órdenes necesarias para ejecutar la operación requerida por cada instrucción. La UC está compuesta por:
- Circuito de control: genera las señales de control necesarias para gobernar el ordenador. Sus partes principales son:
- Decodificador.
- Secuenciador.
- Reloj: es un circuito que genera pulsos, los cuales marcan la temporización básica del sistema.
- Registros: son utilizados por el circuito de control para labores auxiliares diversas.
Unidad de Entrada/Salida.
.jpg)
Esta unidad es la encargada de establecer la comunicación entre el usuario y la CPU. Para llevar a cabo el enlace utiliza unos dispositivos denominados periféricos. Podemos clasificar los periféricos en función de su propósito en:
- Periféricos de entrada: con ellos el usuario introduce información en el ordenador. Ejemplos: ratón, teclado, joystick...
- Periféricos de salida: son utilizados por el ordenador para mostrar la información al usuario. Ejemplos: impresora, pantalla, altavoces...
- Periféricos de E/S: pueden actuar en los dos sentidos del flujo de la información. A su vez se clasifican en:
- Periféricos de comunicaciones: se emplean para establecer una comunicación entre dos usuarios a través de ordenadores. Ejemplos: switch, router, módem...
- Periféricos de almacenamiento: se usan como memoria auxiliar a la principal del ordenador.
- Interfaz: se encarga de gestionar el intercambio de información entre el periférico y la CPU. Adapta la información específica de cada dispositivo a un conjunto de señales normalizadas de forma que actúa como interlocutor del periférico y la máquina.
- Controlador: su misión es gestionar directamente el periférico. Es un sistema electrónico o mecánico que suele ir integrado en el propio periférico, por lo que podemos deducir que es específico de este.
Una de estas soluciones posibles pasa por la creación de un bus de E/S, de uso específico para los dispositivos. Este bus contiene líneas dedicadas para datos, direcciones y señales de control, de forma que se reduce de forma notable el problema de "cuello de botella" que podría plantearse en el equipo si durante el proceso de órdenes internas ocuparan los buses los periféricos.
