Arquitectura de Von Neumann

El modelo de Von Neumann se basa en la división del ordenador en partes funcionales e independientes, permanentemente conectadas. Una de estas unidades gestiona todo el proceso.

1. CPU (ALU, UC)

La CPU (Unidad Central de Proceso) busca en la memoria las instrucciones de un programa, las interpreta y las ejecuta. Además, procesa los datos que se introducen a través de las unidades de entrada y salida.

Está compuesta por:

• UC (Unidad de Control): Busca, interpreta y ejecuta las instrucciones.
• ALU (Unidad Aritmética Lógica): Realiza operaciones aritméticas y lógicas con los datos, guardando los resultados.
• Registros: Almacenes temporales y pequeños para la información dentro de la CPU. Hay de propósito general y específicos.
• Buses: Conectan todos los elementos.

Funciones de la UC

• Buscar la siguiente instrucción del programa en ejecución.
• Interpretarla.
• Generar las señales de control para que los demás componentes realicen las tareas.

Componentes de la UC

• Contador de Programas (PC): Contiene la dirección de la siguiente instrucción a ejecutar.
• Registro de Instrucciones (IR): Almacena la instrucción en ejecución.
• Decodificador (DI): Interpreta los códigos de operación.
• Secuenciador (S): Genera microórdenes para ejecutar la instrucción paso a paso.
• Reloj (CLK): Genera impulsos para sincronizar las instrucciones. Su velocidad se mide en Hz (1 pulso/seg).
• Registro de Estado: Almacena las condiciones de la última operación.

Funciones de la ALU

• Realiza operaciones aritméticas con números enteros (suma, resta).
• Realiza operaciones lógicas para comparar números (AND, OR, NOT).
• Realiza desplazamientos de bits.

Componentes de la ALU

• Circuito Operacional: Realiza las operaciones con los datos del registro de entrada.
• Registro de Entrada: Dos registros que guardan los operandos.
• Acumulador: Almacena resultados temporales.
• Registro de Estado: Almacena las condiciones de la última operación.

La ALU se acompaña de la FPU (Unidad de Coma Flotante), que realiza operaciones con números en coma flotante.

2. Registros

Celdas de memoria de alta velocidad que almacenan temporalmente los datos durante las operaciones. Formadas por un número de bits (múltiplo de 8) que se manipulan en conjunto. A mayor potencia del microprocesador, mayor número de bits.

Tipos:

• Visibles al usuario: Registros direccionables en lenguaje máquina o ensamblador.
• De control y estado: Intervienen en la ejecución, pero el programador no los manipula.

3. Buses

Rutas por donde circula la información entre las unidades funcionales del ordenador. Cada conexión transmite 1 bit.

Tipos:

• Bus de direcciones: Transporta direcciones de memoria. A mayor tamaño, mayor memoria accesible.
• Bus de datos: Transporta instrucciones y datos. A mayor tamaño, mayor información accesible a la vez.
• Bus de control: Transmite señales de control para que la UC dirija el funcionamiento.

4. Memoria (RAM, ROM, Cache)

Dispositivo que almacena información en formato digital.

Cache

Situada entre la CPU y la memoria principal, de tamaño menor a la RAM.

Funcionamiento: Al acceder a un dato en RAM, se copia en la caché para accesos más rápidos posteriores.

Niveles: L1 (más cercano y pequeño al microprocesador), L2, L3 (más grande y lejano).

RAM (Memoria de Acceso Aleatorio)

Dispositivo desde donde la CPU recibe datos e instrucciones, y guarda resultados. El tiempo de acceso a cada posición es independiente de su ubicación.

Compuesta por celdas biestables agrupadas en bits. Cada conjunto tiene una dirección única.

Operaciones: lectura y escritura.

Registros:

• MAR: Guarda la dirección de memoria a acceder (lectura/escritura).
• MDR: Contiene la información leída de memoria.

Operación de lectura:

1. UC escribe en MAR la dirección.
2. Selector de memoria indica la memoria.
3. Se lee la memoria.
4. Se escribe el contenido en MDR.
5. UC accede a MDR.

Operación de escritura:

1. UC escribe en MAR la dirección.
2. UC escribe en MDR el dato.
3. Selector de memoria indica la memoria.
4. Se escribe.

ROM (Memoria de Solo Lectura)

Memoria no volátil que contiene la rutina de inicio del equipo.

Rutinas de inicio:

• POST (Power-On Self-Test): Autodiagnóstico al encender.
• BIOS (Basic Input/Output System): Localiza recursos y carga el sistema operativo en RAM.

Tipos de ROM:

• PROM: Grabación única, no modificable.
• EPROM: Borrable y regrabable.
• EEPROM: Modificable dentro del ordenador, datos persistentes sin alimentación.
• FLASH: Volátil que simula ser no volátil.