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ARQUITECTURA DE LAS COMPUTADORAS

La arquitectura de computadoras cumple un rol esencial en el diseño, funcionamiento y mejora de los sistemas informáticos. Su implementación permite la creación de sistemas óptimos y eficientes, incrementando el rendimiento y reduciendo los recursos requeridos. De hecho, una correcta arquitectura puede marcar la diferencia en lo que, a velocidad, capacidad de respuesta y consumo de energía refiere. Adentrémonos en su concepto y modelos más relevantes para entender el impacto de su funcionamiento.

CONCEPTO DE ARQUITECTURA DE COMPUTADORAS

Se trata de un conjunto de reglas, principios y estándares que definen la estructura y el diseño de los componentes de hardware y software que conforman un sistema informático. Esta disciplina abarca desde el nivel más bajo, como los circuitos electrónicos y la lógica digital, hasta el nivel más alto, como lo son los sistemas operativos y las aplicaciones.

En tal sentido, la arquitectura de computadoras constituye la base conceptual y técnica que admite la creación de ordenadores y sistemas informáticos funcionales. Incluye la forma en que los componentes se comunican entre sí, la manera en que se gestionan los recursos, cómo se ejecutan las instrucciones, así como el procedimiento de almacenar y acceder a los datos.

¿Qué importancia tiene la arquitectura?

La arquitectura de los ordenadores es importante en el sentido de que determina cómo funcionará un ordenador y para qué se puede utilizar. Determina el rendimiento, el consumo de energía, el tamaño y el coste del ordenador.

Una arquitectura de ordenador puede ser una combinación de hardware y software, o sólo una de las dos. Una arquitectura de hardware es la implementación de la lógica de un ordenador, mientras que la arquitectura de software es la implementación de la funcionalidad de un ordenador. Sin embargo, la arquitectura de software depende en gran medida de la arquitectura de hardware.

ARQUITECTURA DE ORDENADORES Y ARQUITECTURA DE SOFTWARE

Los términos arquitectura de computadoras y arquitectura de software no son lo mismo y tienen significados totalmente diferentes. Mientras que la arquitectura de los ordenadores es la lógica que dirige un dispositivo físico, la arquitectura del software es la lógica que dirige la funcionalidad de un dispositivo.

COMPONENTES FUNDAMENTALES DE LA ARQUITECTURA DE COMPUTADORAS

Los principales componentes de la arquitectura de una computadora tienen que ver con las partes que forman un ordenador. Entre ellos se encuentran:

CPU: puede apreciarse como el cerebro de la computadora. Se encarga de ejecutar las instrucciones de los programas y realizar operaciones tanto matemáticas como lógicas. Se compone fundamentalmente por la Unidad de Control (UC) y la Unidad Aritmético-Lógica (ALU).
Bus: tiene que ver con los canales de comunicación que permiten la transferencia de datos entre la CPU, la memoria y los dispositivos de entrada/salida. Usualmente, se dividen en tres tipos: el bus de datos, el de direcciones y el bus de control.
Memoria principal: se trata del espacio de almacenamiento temporal, donde se guardan las instrucciones de los programas y los datos que están siendo procesados. Se divide en celdas o posiciones de memoria, cada una con una dirección única que permite acceder a la información almacenada.
Unidad de Entrada/Salida (E/S): son los dispositivos que permiten la interacción entre el usuario y la computadora. Incluye teclados, mouse o ratón, pantallas, impresoras, discos duros, unidades USB y otros periféricos.
Reloj: consiste en un componente que genera pulsos eléctricos a intervalos regulares, marcando el ritmo de las operaciones de la CPU y sincronizando todos los componentes del sistema.
Sistema Operativo: hace referencia a un software esencial que actúa como intermediario entre el usuario y el hardware. Gestiona los recursos de la computadora, permitiendo la ejecución de programas y tareas.

¿Qué es la ley de Moore y para qué sirve?

La Ley de Moore se refiere a una observación hecha por el cofundador de Intel, Gordon Moore, en 1965, en la que descubrió que el número de transistores por pulgada cuadrada en los circuitos integrados se había estado duplicando año tras año desde su invención.

La Ley de Moore vaticina que esta tendencia se mantendrá intacta en los próximos años. Aunque el ritmo ha disminuido, el número de transistores por pulgada cuadrada se duplicó aproximadamente cada año y medio. Esto se usa como la definición actual de la Ley de Moore.

Ley de Moore Establece que la velocidad del procesador o el poder de procesamiento total de las computadoras se duplica cada doce meses.

Electrónica

El número de transistores por chip se duplica cada año.
El costo del chip permanece sin cambios.
Cada 18 meses se duplica la potencia de cálculo sin modificar el costo

Performance

Se incrementa la velocidad del procesador Se incrementa la capacidad de la memoria
La velocidad de la memoria corre siempre por detrás de la velocidad del procesador

Hasta ahora, la Ley de Moore ha demostrado ser correcta, una y otra vez, y como resultado de ello se ha dicho durante mucho tiempo que es responsable de la mayoría de los avances en la era digital, desde PCs hasta superordenadores, debido a su uso en la industria de los semiconductores para guiar la planificación a largo plazo y establecer objetivos para la investigación y el desarrollo.

La Ley de Moore es una ley de economía, no física. Indica que cada nuevo chip tendrá el doble de transistores y por lo tanto calculará la capacidad de la generación anterior para el mismo costo de producción.

Esta sencilla regla ha impulsado todos los avances en la revolución tecnológica durante más de medio siglo y sigue definiendo los límites cada vez mayores de la tecnología actual, permitiéndonos tomar conceptos como la inteligencia artificial y los vehículos autónomos, y hacerlos realidad.

TIPOS DE ARQUITECTURA DE COMPUTADORAS

Hay varios tipos de arquitectura de computadoras:

ARQUITECTURA VON NEUMANN

Modelo

Fue propuesto por el matemático John Von Neumann en la década de 1940. Es una de las arquitecturas fundamentales en el campo, sirvió para la creación de la computadora EDVAC, que ha servido como fundamento para el diseño de ordenadores actuales.

Los datos y programas se almacenan en una misma memoria de lectura- escritura
Los contenidos de esta memoria se acceden indicando su posición sin importar su tipo.
Ejecución en secuencia (salvo que se indique lo contrario) Representación Binaria

Contiene

Este describe una arquitectura de diseño para un computador digital electrónico con partes que constan de:

Unidad central de procesamiento (CPU), la cual contiene una Unidad de Control, una Unidad Aritmética Lógica y Registros.
Memoria Principal, la cual puede almacenar tanto instrucciones como datos.
Sistema de Entrada/ Salida

La arquitectura von Neumann es una arquitectura secuencial en la que el cálculo se ejecuta de forma secuencial. El cálculo se realiza en un orden secuencial. Esta arquitectura tiene una unidad central de procesamiento (CPU), una memoria y dispositivos de entrada-salida. La CPU tiene un registro de instrucciones y un registro de datos. La memoria es un dispositivo de almacenamiento que contiene las instrucciones y los datos durante el cálculo. También se utiliza para almacenar datos e instrucciones. Los dispositivos de entrada y salida se utilizan para comunicarse con el mundo exterior. Incluyen teclados, pantallas, impresoras, escáneres y otros dispositivos.

Con este modelo surge el concepto de programa almacenado, por el cual se les conoce a las computadoras de este tipo también.
La separación de la memoria y la CPU acarreó un problema denominado Neumann bottleneck (cuello de botella de Neumann).
Esto se debe a que la cantidad de datos que pasa entre estos dos elementos difiere mucho en tiempo con las velocidades de ellos (throughput) por lo cual la CPU puede permanecer ociosa.

Modelo de Bus es un refinamiento del modelo Von Neumann

Su propósito es el de reducir la cantidad de conexiones entre la CPU y sus sistemas.

La comunicación entre componentes se maneja por un camino compartido llamado BUS, el cual está compuesto por:

Bus de datos
Bus de direcciones
Bus de control

MODELO DE BUS

El bus es un dispositivo en común entre dos o más dispositivos, si dos dispositivos transmiten al mismo tiempo señales, estas pueden distorsionarse y consecuentemente perder información. Por dicho motivo existe un arbitraje para decidir quién hace uso del bus.
Cada línea puede trasmitir señales que representan unos y ceros, en secuencia, de a una señal por unidad de tiempo. Si se desea transmitir 1 byte, se deberán mandar 8 señales, una detrás de otra, en consecuencia, se tardaría 8 unidades de tiempo.

Existen varios tipos de buses que realizan la tarea de interconexión entre las distintas partes del computador, al bus que comunica al procesador, memoria y E/S se lo denomina bus del sistema

INSTRUCCIONES

La función de una computadora es la ejecución de programas. Los programas se encuentran localizados en memoria y consisten de Instrucciones.
La CPU es quien se encarga de ejecutar dichas instrucciones a través de un ciclo denominado ciclo de instrucción. Las instrucciones consisten de secuencias de 1 y 0 (binarias) llamadas código máquina y no son legibles para las personas.
Por ello se emplean lenguajes como el ensamblador (bajo nivel) o lenguajes de programación como Python o Java (alto nivel). Las instrucciones son ejecutadas por la CPU a grandes velocidades.
Por ejemplo: 3.000.000.000 de operaciones x segundo para una CPU que opera a 3GHz.

CICLO DE EJECUCIÓN

UC obtiene la próxima instrucción de memoria (usando el registro PC) y dejando la información en el registro IR - Fetch de Instrucción (FI)

Se incrementa el PC

La instrucción es decodificada (del IR) a un lenguaje que entiende la ALU - Decode de Instrucción (DI)

Obtiene de memoria los operando requeridos por la instrucción - Calcular Operandos (CO) y Fetch de Operandos (FO)

La ALU ejecuta y deja los resultados en registros o en memoria - Execute Instrucción (El) y Write Operand (WO)

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ARQUITECTURA HARVARD

Arquitectura Microcontroladores

Es un modelo similar a la arquitectura de Von Neumann, pero este se caracteriza por utilizar memorias físicamente separadas para almacenar las instrucciones del programa y los datos de manera independiente. Esto permite que la CPU acceda simultáneamente a ambos, mejorando el rendimiento en ciertas aplicaciones específicas. Se ha usado principalmente en aplicaciones donde se requiere un alto rendimiento en el procesamiento de señales o en tareas específicas donde el acceso simultáneo a instrucciones y datos es ventajoso.

Arquitectura Harvard

MODELO

Arquitectura Harvard originalmente se refería a las ARQUITECTURAS DE COMPUTADORAS que utilizaban dispositivos de almacenamiento físicamente separados para las instrucciones y para los datos (en oposición a la Arquitectura de Von Neumann)

CONTIENE

Este describe una arquitectura de diseño para un computador digital electrónico con partes que constan de:

Unidad central de procesamiento (CPU), la cual contiene una Unidad de Control, una Unidad Aritmética Lógica y Registros.
Memoria Principal, la cual puede almacenar tanto instrucciones como datos.
Sistema de Entrada/ Salida

MEMORIAS

Fabricar memorias mucho más rápidas tiene un precio muy alto. La solución, por tanto, es proporcionar una pequeña cantidad de memoria muy rápida conocida con el nombre de CACHE. Mientras los datos que necesita el procesador estén en la caché, el rendimiento será mucho mayor.

SOLUCIÓN HARVARD

La arquitectura Harvard ofrece una solución particular a este problema. Las instrucciones y los datos se almacenan en cachés separadas para mejorar el rendimiento. Pero, por otro lado, tiene el inconveniente de tener que dividir la cantidad de caché entre los dos, por lo que funciona mejor sólo cuando la frecuencia de lectura de instrucciones y de datos es aproximadamente la misma.

Esta arquitectura suele utilizarse en PICs, o Microcontroladores, usados habitualmente en productos de propósito específico como electrodomésticos, procesamiento de audio y video, entre otras cosas.

PROCESADOR

Dos unidades funcionales principales:

Unidad de control(UC)
Unidad aritmética y lógica. (ALU)

La UC lee la instrucción de la memoria de instrucciones, genera las señales de control para obtener los operandos de memoria de datos y luego ejecuta la instrucción mediante la ALU almacenando el resultado en la memoria de datos.

MEMORIA DE INSTRUCCIONES

Es la memoria donde se almacenan las instrucciones del programa que debe ejecutar el microcontrolador. El tamaño de las palabras de la memoria se adapta al número de bits de las instrucciones del microcontrolador.

La memoria de instrucciones se implementa utilizando memorias no volátiles:

ROM, PROM, EPROM, EEPROM o flash.

MEMORIA DE DATOS

Se almacenan los datos utilizados por los programas. Los datos varían continuamente y, por lo tanto, utiliza memoria RAM, sobre la cual se pueden realizar operaciones de lectura y escritura. Habitualmente se utiliza SRAM (memoria RAM estática o static RAM). Si es necesario guardar algunos datos de manera permanente o que varíen poco (configuración o estado del microcontrolador), se utiliza memoria EEPROM o flash.

¿Dónde se utiliza? Son utilizados comúnmente en desarrollo de productos o sistemas de propósito específico como electrodomésticos, telecomunicaciones, automóviles, mouse, impresoras, en procesamiento de audio y video, hasta robótica, entre otras cosas.

¿Cuáles son los beneficios de la arquitectura de computadoras?

La arquitectura de computadoras ofrece una variedad de beneficios primordiales que impulsan el desarrollo tecnológico y mejoran la experiencia del usuario. Entre ellos se encuentran:

Aporta al incremento significativo del rendimiento de una computadora al permitir una ejecución más rápida y eficiente de las tareas.
Gracias al establecimiento de estándares de arquitectura se posibilita la compatibilidad entre diferentes sistemas y componentes, lo que agiliza la interconexión y la interoperabilidad de dispositivos y software.
Promueve el avance del campo al permitir la creación de nuevos procesadores, chips, dispositivos y sistemas avanzados.
Al mejorarse los componentes y circuitos electrónicos en la arquitectura de computadoras, se reduce el consumo de energía y optimiza la eficiencia. Esto es esencial para dispositivos portátiles o sistemas que requieren un bajo consumo energético.
Contando con una arquitectura clara y bien definida, se mejora el desarrollo de software y la programación de aplicaciones para diferentes plataformas.
Fomenta una experiencia de usuariomás fluida y rápida, lo que implica una mayor satisfacción del cliente y una mejor adopción de los productos tecnológicos.
Una arquitectura flexible y escalable permite que los sistemas se adapten a las necesidades cambiantes de los usuarios y las empresas, lo que es fundamental en un entorno tecnológico en constante evolución.