Arquitectura de Computadoras: Componentes y Funcionamiento

Este diagrama corresponde a los primeros computadores, denominados computadores von Neumann. Conceptualmente continúa siendo válido.

Unidades Funcionales

• Unidad de Entrada (E): Dispositivo por el que se introducen datos e instrucciones. Se transforman las informaciones de entrada en señales binarias. Puede haber varias U. de entrada.
• Unidad de Salida (S): Dispositivo por el que se obtienen los resultados de los programas ejecutados en el computador. Transforman las señales eléctricas binarias en información perceptible por el usuario.
• Memoria Interna (MI), memoria principal o memoria central: Almacena tanto datos como instrucciones durante la ejecución de los programas. Está ligada a las unidades más rápidas del computador (U. Control y U. Aritmético Lógica). Para que un programa se ejecute debe estar cargado en memoria principal. Está formada por circuitos electrónicos integrados (chips).
• Memoria Externa (ME): La memoria interna es muy rápida pero no puede almacenar mucha información y su zona RAM es volátil. Para guardar masivamente información, se utilizan otros tipos de memoria más lentos pero con más capacidad (del orden de un millón de veces más lentos y de mil veces más capaces). Además, la información queda almacenada hasta que el usuario las borra expresamente. Estas memorias se llaman memorias externas, masivas, auxiliares o secundarias.
• Unidad de tratamiento: La unidad principal que contiene es la aritmético-lógica (ALU), que contiene los circuitos en los que se hacen las operaciones de tipo aritmético (sumas, restas, etc.) y del tipo lógico (comparar dos números, operaciones del álgebra de boole binaria, etc.). Aparte de la ALU contiene buses de datos o registros (pequeñas memorias diseñadas para almacenar un dato, instrucción o dirección de memoria.

Tipos de Memoria

Memoria ROM (Read Only Memory)

• Sólo de lectura.
• Permanente (No volátil). Mantiene la información aunque el ordenador esté apagado.
• Contiene toda la información necesaria para iniciar la operación del ordenador.
• Su contenido lo graba el fabricante y no pueden modificarse.
• Puede tener dos variantes:
  • PROM: No puede ser borrada
  • EPROM: Puede borrarse con luz ultravioleta y grabarse de nuevo.

Memoria RAM (Random Access Memory)

• Memoria de acceso aleatorio.
• Volátil, su contenido desaparece al apagar el ordenador.
• Su contenido puede modificarse.
• Es la que contiene los datos y programas en ejecución. A la que normalmente nos referimos al hablar de Memoria Principal.

Ejemplo: Longitud de Palabra

Para muchas operaciones que se realizan en el computador, el byte (8 bits) es una unidad de información muy pequeña.

• Las ALUs suelen operar con datos de mayor longitud, normalmente un número entero de bytes: 8, 16, 32, 64 ó 128 bits.
• Llamamos palabra al conjunto de bits que forma un con el que opera la ALU, y coincide, en general, con el número de bits de la mayoría de los registros del procesador.
• La longitud de una palabra es el número de bits que la forma.
• Coincide también con el ancho del bus de datos que conecta el procesador con la memoria.
• Determina (de forma indirecta) la velocidad del computador:
  • Si un programa establece que los cálculos se realizan con una precisión de 32 bits y la longitud de palabra es de 16 bits, el número de instrucciones del programa al menos se duplica.
  • Cada instrucción ocupa un número determinado de bits (32, por ejemplo). Si la longitud de palabra es menor que el tamaño de las instrucciones (16, por ejemplo), para que el procesador capte cada instrucción de la M. Principal tendrá que realizar varias lecturas sucesivas de la memoria (2, en el ejemplo).

Palabra= 1Byte 512Mpalabras= 2²⁹ celdas. Palabra = 4 Bytes 128 Mpalabras = 2²⁷ celdas

Memoria Caché

La memoria Caché es una memoria más rápida que la memoria principal, pero de poca capacidad que se coloca entre la Memoria Principal y el procesador para aumentar la velocidad en el acceso a la memoria.

El Procesador

El procesador es donde se hacen todas las instrucciones del ordenador. Partes: Unidad de control, unidad aritmético-lógica, registros y acumulador. La dirección de los operandos pasa al bus de direcciones y la unidad de control envía al bus de control la señal de lectura. El decodificador interpreta el código de operación y determina cuál es la que debe realizar la unidad aritmético-lógica. Si la instrucción que se está ejecutando indica un salto en la secuencia de ejecución de las instrucciones del programa, la dirección de la siguiente instrucción a ejecutar aparecerá como operando en el RI. Desde este se pasa el contenido al CP, sustituyendo la dirección de la siguiente instrucción a ejecutar. La siguiente instrucción a ejecutar, una vez leída en la memoria principal, pasa por el Bus de Datos al Registro de instrucciones para ser ejecutada. La ALU recibe los operandos procedentes del Bus de Datos y realiza la operación que le haya indicado la Unidad de Control. El resultado se indica en el Acumulador. El registro de estado está compuesto por varios bits que si están activados (1) indican alguna circunstancia relativa a la última operación realizada. Aunque el significado y número de bits del registro varían dependiendo del fabricante, todos ellos suelen informar de hechos tales como:

• Si el resultado de la última operación ha sido 0. (utilizado en caso de comparaciones).
• Se ha producido acarreo.
• Se ha producido desbordamiento (overflow).

Los registros sirven para guardar resultados intermedios. De esta forma se evitan que estos resultados se tengan que escribir y posteriormente leer de memoria, agilizando así el funcionamiento del procesador y la ejecución de las instrucciones.

Periféricos

PERIFÉRICOS: Un periférico es un dispositivo a través del cual el ordenador se comunica con el mundo exterior o bien permite almacenar información. Los dispositivos periféricos se clasifican en 3 categorías:

• Unidades de Entrada (Teclado, ratón, ….)
• Unidades de Salida: (Monitor, impresora,…)
• Unidades de Almacenamiento secundario: (discos magnéticos, memorias flash, ….)

Los periféricos y la estructura interna del ordenador se comunican por medio de conectores. Existen dos tipos: conectores en paralelo y conectores en serie.

• Los conectores en paralelo transmiten varios bits al mismo tiempo y son adecuados para la comunicación con periféricos que funcionan a velocidad elevada. Por ejemplo el disco duro.
• Los conectores en serie transmiten un solo bit simultáneamente, de manera que para transmitir una secuencia de bits lo hacen uno tras otro en secuencia. Estos conectores son adecuados cuando la velocidad del periférico es muy lenta en comparación con el ordenador. Por ejemplo las impresoras.