LA ARQUITECTURA DE VON NEUMANN

 

El siguiente articulo trata sobre La arquitectura de Von Neumann.

 Empezare definiendo que se entiende por Sistema Informático (SI). El sistema informático es el conjunto de componentes hardware necesarios para la explotación de las aplicaciones informáticas o software. El objetivo de los sistemas informáticos es dar soporte al procesado, almacenamiento, entrada y salida de datos.

La estructura básica de un sistema informático es la siguiente:

     1.HARDWARE: parte física del equipo formada por 4 componentes que son:

•  Unidad Central de Proceso.
• La memoria auxiliar.
• Dispositivos de entrada/salida o periféricos.
• buses de comunicación.  

    2. SOFTWARE:  parte lógica (programas) del equipo formada por

• Sistema operativo (SO)
• Aplicaciones. 

    3.HUMANWARE: parte humana que se divide en dos grupos:

• El profesional informático
• Los usuarios

    4. FIRMWARE: es el Software que viene incorporado en el hardware.



En la actualidad se utilizan dos tipos principales de ordenadores: analógicos y digitales, sin embargo el término ordenador es usado referirse a los ordenadores digitales.

Existen muchas opciones posibles a la hora de diseñar un ordenador digital. En la actualidad, la más aceptada es la denominada arquitectura de  Von Neuman, propuesta por el matemático húngaro John von Neumann. 



" John von Neumann (28 de diciembre de 1903, Budapest - 8 de febrero de 1957, Washington, D.C., Estados Unidos) fue un matemático húngaro-estadounidense que realizó contribuciones fundamentales en física cuántica, análisis funcional, teoría de conjuntos, ciencias de la computación, economía, análisis numérico, cibernética, hidrodinámica, estadística y muchos otros campos. Está considerado como uno de los más importantes matemáticos de la historia moderna."




 La arquitectura de Von Neumman, consta de las siguientes partes:

1.-Unidad de Memoria (UM)

2.- Unidad Central de Proceso (CPU) o microprocesador.

      2.1.- Unidad de Control (UC)
      2.2.- Unidad Aritmético-Lógica (UAL)
     

3.- Unidad de Entrada/Salida (UE/S)

4.- Bus del sistema.


 






A continuación explicaré cada una de las partes mas detenidamente.

1.- La Unidad de Memoria (UM)

Es la encargada de almacenar infornmación. Se utiliza dicha unidad para almacenar información y programas. De esta manera un ordenador, puede utilizarse para varios programas sin necesidad de ser programado de nuevo.

La memoria de un ordeandor se organiza en varios niveles dependiendo de su velocidad. Esta distribuición se llama jerarquía de memoria y optimiza el uso de esta ya que la información esta en un determinado nivel según su probabilidad de ser utilizada: a mayor probabilidad, menor nivel.

Los niveles están diseñados de tal forma que las memorias más rápidas están en los niveles más bajos. Así en general, la jerarquía de niveles es esta:

Nivel	Memoria	Velocidad	Capacidad
4	Auxiliar	< 10 KHz	GB a EB
3	Secundaria	> 100 KHz	GB a EB
2	Principal	> 66 MHz	MB a GB
1	Cache	> 200 MHz	KB a MB
0	Registros	> 1GHz	bit

• Auxiliar: Esta memoria se usa como soporte de respaldo de información, pudiendo situarse en medios extraibles o en red.
• Secundaria: También llamada memoria de disco. Se utiliza para almacenar información de forma permanente por lo que es de alta capacidad.
• Principal: Conocida también como memoria RAM. Es el bloque que constituye realmente la unidad de memoria (UM). Se emplea para almacenar datos y programas de forma temporal.
• Caché: Memoria intermedia entre la UM y la CPU usada como apoyo para acelerar los accesos de la CPU a la UM. la chaché en realidad está dispuesta en varios niveles (L1, L2, L3, L4). En función de la frecuencia de uso, 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 en la UC y la UAL.

Los niveles 0,1 y 2 constituyen lo que se conoce como la memoria interna del equipo. Los demás niveles forman la llamada memoria externa.

La unidad de memoria coincide con la memoria principal. La memoria está compuesta por un conjunto de celdas , cada una de las cuales tiene capacidad para 1B.
Todas estas celdas están identificadas por un numero llamado dirección de memoria.
Los registros auxiliares son:

•     Un registro de direcciones (RD), utilizado para almacenar de forma temporal la dirección de memoria de un dato o instrucción.
•     Un registro de datos (RM), que almacena temporalmente cualquier dato o instrucción que se intercambie con la memoria.

El registro de direcciones enlaza el bus de direcciones con la memoria de forma unidireccional: desde el bus hacia la memoria.
El registro de datos enlaza el bus de datos con la memoria de forma bidireccional: desde el bus hacia la memoria y viceversa.

La memoria puede realizar dos tipos de operaciones:

•     Lectura (L): se accede a la información que contiene.
•     Escritura (E): se introduce información en la memoria.

2.- Unidad Central de Proceso (CPU) o microprocesador.

 Es el circuito integrado constituido por millones de componentes electrónicos.Se encarga de interpretar las instrucciones contenidas en los programas y procesa los datos. Está constituida por:

•     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 cómo funcione, así sera el rendimiento del equipo.
  Además se encarga de sincronizar las acciones que realiza cada una de las unidades funcionales de un computador. Las funciones de la unidad de control son básicamente dos.
  
  
  
  
  1. Interpretación de las instrucciones: La unidad de control debe ser capaz de decodificar los códigos de operación y los modos de direccionamiento de las instrucciones y actuar de forma diferente para cada uno de ellos
  2. Secuenciamiento de las operaciones: La unidad de control se encarga de la temporización de las distintas operaciones necesarias para la ejecución de cada instrucción. También debe controlar el secuenciamiento de las instrucciones en función de la evolución del registro contador de programa.La función principal de la unidad de control de la UCP es dirigir la secuencia de pasos de modo que la computadora lleve a cabo un ciclo completo de ejecución de una instrucción, y hacer esto con todas las instrucciones de que conste el programa.

•     Unidad aritmético lógica (UAL): tiene como finalidad realizar las operaciones necesarias para procesar la información. Es el verdadero núcleo de cálculo del ordenador ya que se encarga de realizar las operaciones aritméticas (suma, resta,..) y lógicas (comparación, negación,..) ordenadas por la UC.
  El elemento principal en la UAL es el operador. Un operados es un componente electrónico cuya misión es realizar un cálculo. Los operadores se pueden clasificar según:
  
       Su ámbito: En genéricos, ya que pueden realizar diferentes operaciones o en específicos ya que solo pueden realizar un tipo de operación.
  
      El número de operandos: En monádicos, que son los que solo permiten una entrada, por ejemplo, el negador. Diádicos, que permiten dos entradas, por ejemplo, el operador suma, o triádicos, ya que permiten 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 hasta terminar y en paralelo ya que recepcionan la información en bloques de bits, que procesan de forma simultánea.

3.- Unidad de Entrada/Salida (UE/S)

 Es la encargada de establecer la comunicación entre el usuario y la CPU. Para llevar a cabo el enlace utiliza unos dispositivos llamados periféricos. Podemos clasificarlos en función de su propósito en:

1.     Periféricos  de entrada: Se introduce información en el ordenador.
2.     Periféricos de salida: Usados por el ordenador para mostrar información al usuario.
3.     Periféricos de entrada y salida: Pueden actuar en los dos sentidos, tanto para introducir datos como para mostrarlos.

          3.1  Periféricos de comunicaciones: se usan para establecer una comunicación entre dos
                  usuarios a través de los ordenadores, por ejemplo: módem, router, switch...

          3.2  Periféricos de almacenamiento: se utilizan como memoria auxiliar a la principal del
                  ordenador, se puede realizar las mismas operaciones de escritura y lectura.

Debido a la gran cantidad de periféricos que hay, deberá haber un sistema que permita el intercambio de información entre cualquiera de estos dispositivos y el ordenador, el cual consta de dos partes:

    Interfaz: Se encarga de gestionar el intercambio de información entre periféricos y la CPU.
    Controlador: su objetivo es controlar directamente el periférico y suele ir integrado en él.



  4.- Bus del Sistema.

 Para que las unidades más importantes de una computadora puedan "comunicarse" entre sí, existe un elemento que las interconecta, llamado bus del sistema. Físicamente, el bus del sistema es un conjunto de cables. 

Este bus se encuentra separado en tres canales que manejan respectivamente direcciones, datos y señales de control, los cuales permiten el procesador comunicarse con los demás dispositivos del microcomputador, tales como las memorias y los dispositivos de E/S.

Bus de Datos

Este bus es bidireccional y es el canal por el cual se conducen los datos entre la CPU y los demás dispositivos (memorias, puertos y otros).

Bus de Direcciones

El bus de direcciones es un canal unidireccional por el cual la CPU envía las direcciones de memoria para ubicar información en los dispositivos de memoria, puertos u otros dispositivos del microcomputador.

Bus de Control

El bus de control, al igual que el bus de direcciones es unidireccional y se utiliza para efectuar la lectura y escritura en las memorias y puertos de E/S. Este bus en general lo emplea la CPU para controlar el flujo de los datos y las direcciones de forma organizada.

aquí os dejo un vídeo que explica muy bien el bus del sistema:





Fuentes

tecnología e informática

Presentación de la unidad de control

YouTube

Wikipedia

Apuntes de FUHA

Hola y bienvenido a mi blog, gracias por visitarme.

 Este blog ha sido creado para la asignatura de FUHA (Fundamentos de Hardware), donde iré publicando artículos que nos mande el profesor. Además también escribiré sobre otros temas relacionados con la informática. 

 Bye bye.