Introducción a la Arquitectura de Computadoras


La máquina computacional universal "universal computing machine" de Turing (alternativamente llamada "universal machine", "machine U", "U") es el nombre dado por él (1936-1937) a su modelo de "una-máquina" (máquina computacional) de todo propósito que podría “correr” cualquier secuencia de instrucciones arbritarias (pero bien formadas) llamdas "quintuples". Este modelo es considerado por algunos, p.e. Davis (2000) como el origen de la “computadora de programas almacendos” -- usada por John von Neumann (1946) para su Instrumento Computacional Electrónico "Electronic Computing Instrument" que ahora lleva el nombre de von Neumann: la arquitectura von Neumann.



La arquitectura von Neuman

La arquitectura von Newman es un modelo de diseño de computadora que usa una unidad de proceso y una sencilla estructura de almacenaje separada para contener tanto instrucciones y datos. Esta fue nombrada en honor del matematico y científico John von Newmman. Tal computadora implementa una máquina universal de Turing y el modelo referencial común de arquitecturas secuenciales especificas, en contraste con las arquitecturas paralelas. El término “computadora de programa almacenado” es generalmente usado para referirse a una computadora de este diseño.





1. Unidad central de proceso:


También llamada CPU, o procesador del sistema.


Esta compuesto de las siguientes partes:

- La unidad de control: coordina las actividades de la computadora, ejecutando programas en forma ordenada y interactuando con las unidades de entrada y salida.

- La unidad aritmético-lógica (ALU): como su nombre lo indica es la parte de la CPU que se encarga de todos las operaciones aritméticas básicas (suma, resta, multiplicación, división, etc.) y lógicas (las operaciones: O lógica, Y lógica, Negación, etc.)


2. Tipos de Memoria:


Memoria: Parte de la computadora que almacena los programas (o parte de ellos) y datos para que el programa que esté en funcionamiento cumpla su tarea. Es por este motivo que esta memoria es de gran velocidad.


Existen dos tipos de memoria:


- Memoria RAM: (Random Acces Memory) Memoria de acceso aleatorio. En este tipo de memoria se puede escribir y leer, pero los datos almacenados en ella desaparecerán si se desconecta la energía. Hay diferentes tipos de memoria RAM, la estática SRAM (retiene los datos mientras haya energía) y la dinámica DRAM (va perdiendo el dato que tiene almacenado y hay que refrescarlos frecuentemente), por este motivo las SRAM son mas rápidas pero tienen menos capacidad que una DRAM para un mismo dispositivo de memoria.


- VRAM: (Video RAM) Es un tipo especial de memoria RAM, que se utiliza en adaptadores de video. Su principal diferencia es que puede ser accesada por dos diferentes dispositivos en forma simultánea. Esto permite que un monitor pueda acceder a la VRAM para actualizar la pantalla mientras que el procesador gráfico suministra nuevos datos. Permite mejores rendimientos, pero es más cara.


- RAMBUS: Esta memoria es exclusiva de las Pentium 4, y trabaja a una velocidad de 400 a 800 Mhz del bus de datos


Tipos de presentación de la memoria RAM:


- SIMM: (Single In line Memory Module). Es un encapsulado que consta de un circuito impreso pequeño con los chips de memoria y que se inserta generalmente en un zócalo SIMM en la placa madre de la computadora. Hay de dos tipos de 30 y de 72 pines. Los de 30 vienen en capacidades de 256K y 1Mb y ya casi no se usan. Los de 72 vienen en versiones de 4, 8, 16, 32 . Su principal desventaja: trabajan en pares.


- DIMM: (Dual In line Memory Module). Igual que el anterior, pero se inserta en un zócalo DIMM en la placa madre y utiliza un conector de 168 contactos. Hay de varios tipos EDO, DRAM, SDRAM, PC100, PC133.


No se pueden mesclar DIMM y SIMM. Las DIMM EDO, DRAM. SDRAM trabajan de 66 a 83 Mhz, wel PC100 a 100 Mhz y el PC133 a 133 Mhz. Estos Mhz. se refieren a la velocidad del bus de datos de la tarjeta madre. El DIMM EDO trabaja a 45 nanosegundos, DRAM y SDRAM a 15 nanosegundos, PC100 a 10 nanosegundos y PC133 a 7 nanosegundos. Mientras mas bajo los nanosegundos mas rápida la memoria.


- DDR ( double-data-rate synchronous dynamic random access memory). Este logra mayor ancho de banda que las precedentes memorias single-data-rate SDRAM al transferir datos al subir y caer la señal del reloj (bombeo doble). Effectivamente, esta casi duplica la tasa de transferencia sin incrementar la frecuencia del bus. Con datos siendo transferidos a 64 bits a la vez, la DDR da un tasa de transferencia de [mbcr x 2 x 64] / 8; esto se ve como (memory bus clock rate) x 2 (para tasa dual) x 64 (número de bits transferidos) / 8 (número de bits/byte). Así con un bus de frecuencia de 100 Mhz, la DDR-SDRAM provee de una tasa máxima de transferencia de 1600 MB/s.


Memorias ROM - PROM - EPROM - EEPROM.

Sistema de buses, unidades de entrada y salida (E/S). Memoria auxiliar.


Memoria ROM: (Read Only Memory) Memoria de sólo lectura. Este dispositivo sólo permite leer la información que en el está grabada. Y no pierde la información cuando se quita la energía. Normalmente vienen grabadas de fábrica.


Existen variaciones de este tipo de memoria:

- Memoria PROM: Cuando se compra está en blanco (vacía) y mediante un proceso el usuario graba la información en ella, pero sólo una vez.

- Memoria EPROM: (erasable PROM) Igual a la anterior pero que mediante la exposición de una ventana, en la parte superior del integrado, a la luz ultravioleta, por un periodo definido de tiempo, se puede borrar.


- Memoria EEPROM: (electrical erasable PROM) Igual a la anterior pero el borrado se realiza eléctricamente.

- Memoria Flash: Tipo especial de EEPROM que puede ser borrada y reprogramada dentro de una computadora. Los EEPROM necesitan un dispositivo especial llamado lector de PROM.


3. Sistema de Buses: Los diferentes elementos que componen una computadora se tienen que comunicar de alguna manera, y esta comunicación se realiza por los llamados buses. Los buses son un conjunto de hilos o conexiones que llevan información de todo tipo de un elemento a otro, transportando la información en paralelo, (esto quiere decir, que los datos van por todos los hilos del bus simultáneamente).


Hay 3 tipos de buses:


- Bus de datos: Lleva los datos que es necesario enviar de un elemento a otro, puede ser bidireccional (los datos pueden ir en uno u otro sentido). Existe un bus de datos interno: (ejemplo: entre el microprocesador y la memoria) y uno externo, entre la computadora y sus periféricos (ejemplo: Computadora e impresora)


- Bus de direcciones: Muchos de los elementos de una computadora así como las posiciones de memoria tienen una dirección única dentro del sistema. De esta dirección se puede leer un dato o en esta dirección podemos escribir un dato. En el bus de direcciones se coloca la dirección del elemento a accesar y con ayuda del bus de datos movemos la información de un elemento a otro.


Ejemplo: Si la CPU quiere leer unos datos de memoria para después enviarlo a la impresora o la pantalla, primero pone en el bus de direcciones la dirección del dato en memoria, lo lee (lo obtiene a través del bus de datos), después pone en el bus de direcciones la otra dirección (la de pantalla o impresora) y escribe (con ayuda del bus de datos). ¿Quién controla todo este proceso......?


- Bus de control: Son hilos que transportan señales de control, dan la información del estado de ciertos componentes, la dirección del flujo de la información, controlan el momento (temporización) en que suceden ciertos eventos de manera que no haya choques de datos, transmiten señales de interrupción, etc.


4. Unidades de entrada: Son los elementos que permiten incluir datos al sistema. Ejemplos: teclado, mouse (ratón). joystic, etc.


5. Unidades de salida: Son elementos que a diferencia de las unidades de entrada, envían al exterior del sistema información. Ejemplo: Monitor (pantalla), impresora, parlantes, etc.


6. Memoria auxiliar: Llamada también de almacenamiento masivo, secundaria o externa. Este tipo es, al igual que la memoria ROM, no volátil (no se pierde la información al quitarle la energía), y permite guardar información en grandes cantidades. Entre las alternativas de este tipo de almacenamiento están: los disquetes, la cinta magnética, los discos duros, los CD-ROM.



Referencias

Martin Davis (2000). Engines of Logic: Mathematicians and the origin of the Computer, 1st edition, W. W. Norton & Company, New York. ISBN 0-393-32229-7