Introducción a la Arquitectura de Computadores

T1: Introducción a la Arquitectura de Computadores

Por:

Azañero Chávez, Elvis Anthony

Chafloque Cerna, Bruno Alexander

 Cueva López, Milton

Villegas Díaz, Jhon Alex

Villena Alaya, Juan Carlos

Abril 20, 2017

1. Descripción del computador

Un computador es una máquina electrónica que realiza diversos tipos de cálculos a muy altas velocidades; acepta información digitalizada por el usuario, la procesa teniendo en cuenta una serie de instrucciones establecidas, y devuelve la información solicitada. Al hablar de computador, debemos distinguir frecuentemente entre arquitectura y organización, pues existen consensos para cada uno. La arquitectura del computador es el conjunto de atributos de un sistema que son visibles a un programador en lenguaje máquina; estos atributos tienen participación directa en la ejecución lógica de un programa; por ejemplo los atributos arquitectónicos serian un conjunto de instrucciones, el tipo de bits usados para representar diversos tipos de datos. La organización se refiere a las unidades funcionales y sus interconexiones, que realizan las especificaciones arquitectónicas. Entre los atributos tenemos a las señales de control y la tecnología de memoria usada, la organización opta por lo más apropiado en el desarrollo de los sistemas.

La distinción entre organización y arquitectura ha sido muy importante, ya que la arquitectura puede perdurar en el tiempo, pero la organización cambia con el avance tecnológico. Un ejemplo claro es IBM, quien producía un modelo de computador con cierta arquitectura; si un cliente tenia bajos recursos podía comprar un modelo barato y lento, pero si luego la demanda subía lo que hacía IBM es producir un modelo más caro y rápido, pero este modelo tenía la misma arquitectura que el modelo barato y lento, con algunas mejoras. A lo largo de la historia IBM produjo diferentes modelos de computadoras, pero con similar arquitectura de los primeros modelos que realizo, he aquí un ejemplo claro de que la arquitectura puede perdurar en el tiempo, pero siempre existen excepciones, tal es el caso de las microcomputadoras, donde la relación arquitectura y organización es mucho más estrecha, ya que los cambios tecnológicos no solo influyen en la organización, sino que también dan lugar a arquitecturas más ricas y potentes.

El funcionamiento del computador no es complejo; para los cuales existen cuatro funciones básicas que el computador debe llevar a cabo tanto el procesamiento de datos, almacenamiento de datos, transferencia de datos y control; el procesar datos es parte fundamental del funcionamiento del computador, ya que los datos se manifiestan de diferentes maneras y se deben manipular los mismos de varias formas ya sea para realizar cálculos, modificar palabras e imágenes, etc.; el computador almacena datos para que estén disponibles durante su procesamiento, por lo que existe al menos una función de almacenamiento de datos a corto plazo y también una función de almacenamiento de datos a largo plazo. La transferencia de datos se puede dar entre él mismo o al exterior, cuando los datos se llevan a un dispositivo que está conectado directamente al computador se le denomina como entrada/salida, y el dispositivo se le conoce como periférico; cuando se transfiere a equipos remotos se llama comunicación de datos. El control es producido por los entes que proporcionan instrucciones al computador.

El computador es una entidad que interactúa con su entorno externo. Todas sus conexiones con este entorno pueden clasificarse como dispositivos periféricos o líneas de comunicación. Existen cuatro componentes estructurales principales: CPU (Central Processing Unit-Unidad Central de Procesamiento): controla el funcionamiento del computador y realiza funciones de procesamiento de datos, Memoria Principal: permite almacenar los datos, Entrada Salida(E/S): transfiere datos entre el computador y el entorno externo, Sistema de interconexión: es un mecanismo que proporciona la comunicación entre la CPU, la memoria principal y la E/S.   El componente más interesante y complejo es la CPU, sus componentes estructurales son: Unidad de Control: controla el funcionamiento de la CPU y del computador, Unidad Aritmético-Lógica (ALU, Arithmetic Logic Unit): realiza las funciones de procesamiento de datos del computador, Registros: proporcionan almacenamiento interno a la CPU - Interconexiones CPU: son mecanismos que proporcionan comunicación entre la unidad de control, la ALU y los registros.

1. Von Newmann y su modelo de computador

Siendo Von Neumann asesor del proyecto ENIAC (el primer computador electrónico de propósito general del mundo) se dio cuenta de que la tarea de cargar y modificar programas para tal proyecto era muy tedioso. Entonces surgió una idea conocida como concepto del programa-almacenado la cual trata de que el proceso de programación podría ser más fácil si se pudiesen guardar en la memoria junto con los datos. Esta idea fue propuesta por Neumann en 1945 para un nuevo computador llamado EDVAC (Electronic Discrete Variable Computer). Al año siguiente, Neumann y sus colegas empezaron el diseño de un nuevo computador de programa-almacenado llamado IAS, el cual es el prototipo de toda una serie de computadoras de propósito general. La estructura general de este computador consta de 4 partes: La memoria principal que almacena los datos y las instrucciones, La unidad aritmético-lógica (ALU) capaz de hacer operaciones con datos binarios, La unidad de control que interpreta las instrucciones en memoria y provoca su ejecución y finalmente, pero no menos importante, El equipo de entrada salida (E/S) el cual es dirigido por la unidad de control.

Neumann para proponer el IAS tomo por modelo a las neuronas asociativas, sensoriales y motoras del sistema nervioso humano de la siguiente manera: como el dispositivo es un computador, tendría que realizar muy seguido las operaciones aritméticas básicas como la suma, resta, multiplicación y la división, por esta razón debería contener elementos especializados en estas operaciones, el cual da origen a la primera parte específica denominada Aritmética Central (CA); para que exista una secuencia correcta de las operaciones, debe ser realizado por un órgano de control central, el cual se tendría que ocupar de que se lleven a cabo las instrucciones formando así la segunda parte específica llamada Control Central(CC o C); todo dispositivo que realice operaciones de cálculo extensas y complejas debe tener una memoria considerable el cual da origen a la tercera parte específica conocida como Memoria(M); todas estas partes hacen referencia a las neuronas asociativas. Para que el dispositivo mantenga un contacto de entrada y salida existirá un medio llamado el medio de grabación exterior del dispositivo(R-Recording) por ende existirá dos órganos más los cuales son el órgano de entrada (I-Input) y el órgano de salida(O-Output).

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