Arquitectura de computadora

Introduccin

La arquitectura de computadoras es el diseo conceptual y la estructura operacional fundamental de un sistema que conforma una computadora. Es decir, es un modelo y una descripcin funcional de los requerimientos y las implementaciones de diseo para varias partes de una computadora, con especial inters en la forma en que la unidad central de proceso (CPU) trabaja internamente y accede a las direcciones de memoria.Laarquitecturade unacomputadoraexplica la situacin de sus componentes y permite determinar las posibilidades de unsistemainformtico, con una determinada configuracin, pueda realizar lasoperacionespara las que se va a utilizar. La arquitectura bsica de cualquier ordenador completo est formado por solo 5 componentes bsicos: procesador, memoria RAM, disco duro, dispositivos de entrada/salida y software.

Conceptos InicialesUn computador es un sistema secuencial sncrono complejo que procesa informacin, esta se trata de informacin binaria, utilizando solamente los dgitos de valores lgicos 1 y 0. Estos valores lgicos binarios se corresponden con valores de tensin elctrica, de manera que un 1 lgico corresponde a un nivel alto a 5 voltios y un 0 lgico corresponde a un nivel bajo de tensin cercano a 0 voltios; estos voltajes dependen de la tecnologa que utilicen los dispositivos del computador.

ProcesadorEs el cerebro del sistema, encargado de procesar todos los datos e informaciones. A pesar de que es un dispositivo muy sofisticado no puede llegar a hacer nada por s solo. Para hacer funcionar a este necesitamos algunos componentes ms como lo son memorias, unidades de disco, dispositivos de entrada/salida y los programas. El procesador o ncleo central est formado por millones de transistores y componentes electrnicos de un tamao microscpico. El procesamiento de las tareas o eventos que este realiza va en funcin de los nanosegundos, haciendo que los miles de transistores que contiene este trabajen en el orden de los MHz. La informacin binaria se introduce mediante dispositivos perifricos que sirven de interfaz entre el mundo exterior con el usuario. Estos perifricos lo que van a hacer ser traducir la informacin que el usuario introduce en seales elctricas, que sern interpretadas como unos y ceros, los cuales son interpretados de una manera ms rpida por la computadora, ya que el lenguaje maquina utiliza el cdigo binario para ser interpretado por el computador.Un sistema jerrquico es un conjunto de sistemas interrelacionados, cada uno de los cuales se organiza de manera jerrquica, uno tras otro, hasta que alcanza el nivel ms bajo de subsistema elemental. Una posible clasificacin seria:

1.- Nivel de Componente.Los elementos de este nivel son difusiones de impurezas tipoPy de tipoNen silicio, polisilicio cristalino y difusiones de metal que sirven para construir los transistores.2.-Nivel Electrnico.Los componentes son transistores, resistencias, condensadores y diodos construidos con las difusiones del nivel anterior. Esta tecnologa de muy alta escala de integracin o VLSI es la que se utiliza en la fabricacin de circuitos integrados. En este nivel se construyen las puertas lgicas a partir de transistores.3.- Nivel Digital.Se describe mediante unos y ceros son las puertas lgicas, biestables y otros mdulos tanto combinacionales como secuenciales. Este nivel es la aplicacin del algebra booleana y las propiedades de la lgica digital.4.- Nivel RTL.El nivel de transferencia de registros RTL ser el preferido para la descripcin de los computadores. Elementos tpicos en este nivel de abstraccin son los registros y mdulos combinacionales aritmticos.5.- Nivel PMS.Este nivel es el ms alto de la jerarqua. Las siglas PMS provienen del ingls Processor Memory Switch. Con elementos de jerarqua los buses, memorias, procesadores y otros mdulos de alto nivel.

La arquitectura Von Neumann tiene sus orgenes en el trabajo del matemtico John Von Neumann desarrollado con John Mauchly y John P. Eckert y divulgado en 1945 en la Moore School de la Universidad de Pensilvania, Estados Unidos, en el que se presentaba e EDVAC (Electronic Discrete Variable Automatic Computer). De aqu surgi la arquitectura del programa almacena en memoria y bsqueda/ejecucin secuencial de instrucciones. En trminos generales una computadora tiene que realizar 3 funciones: Procesamiento de Datos Almacenamiento de Datos Transferencia de DatosTal que un PC (Personal Computer) debe procesar datos, transformando la informacin recibida, de igual forma tiene que almacenar datos, como resultado final de estas. Tambin debe de realizar transferencia de datosentre su entorno y el mismo. La arquitectura de un computador hace referencia a la organizacin de sus elementos en mdulos con una funcionabilidad definida y a la iteracin entre ellos. En el esquema de la Figura 1.1 se muestra la estructura bsica de Von Neumann que debe llevar una computadora para su correcta operacin.

ESTRUCTURA BSICA DE UNA COMPUTADORA.

CPU (por elacrnimoeninglsdecentral processing unit):La unidad central de proceso es el corazn del computador. Controla el flujo de datos, los procesa, y gobierna el secuencia miento de las acciones en todo el sistema. Para ello necesita un oscilador externo o reloj que sincroniza las operaciones y marca la velocidad de proceso, este vamarcando la evolucin del CPU y mide su velocidad de funcionamiento; en forma no afortunada la frecuencia del reloj del CPU viene limitada por la tecnologa del CPU y del computador completo ya dependiendo de los perifricos, sus tarjetas grficas, memorias, etc. Por lo tanto, el uso excesivo de los recursos que tenga la computadora puede resultar un sobrecalentamiento que deteriore parcial o totalmente la CPU.

Memoria:es la responsable del almacenamiento de datos.Entrada/Salida:transfiere datos entre el entorno exterior y el computador. En l se encuentran los controladores de perifricos que forman la interfaz entre los perifricos, la memoria y el procesador.Sistema de interconexin: Buses;es el mecanismo que permite el flujo de datos entre la CPU, la memoria y los mdulos de entrada/salida. Aqu se propagan las seales elctricas que son interpretadas como unos y ceros lgicos.Perifricos:estos dispositivos son los que permiten la entrada de datos al computador, y la salida de informacin una vez procesada. Un grupo de perifricos puede entenderse como un conjunto de transductores entre la informacin fsica externa y la informacin binaria interpretable por el computador. Ejemplos de estos dispositivos son el teclado, el monitor, el ratn, el disco duro y las tarjetas de red.Unidad Central de ProcesamientoControla el funcionamiento de los elementos de un computador. Desde que el sistema es alimentado por una corriente, este no deja de procesar informacin hasta que se corta dicha alimentacin. La CPU es la parte ms importante del procesador, debido a que es utilizado para realizar todas las operaciones y clculos del computador.

ESTRUCTURA DE LA CPU Y SU CONEXIN CON LA MEMORIA.

Unidad de Control (UC):La unidad de control se encarga de leer de la memoria las instrucciones que debe de ejecutar y de secuenciar el acceso a los datos y operaciones a realizar por la unidad de proceso. La UC genera las seales de control que establecen el flujo de datos en todo el computador e interno en la CPU. Una instruccin no es ms que una combinacin de unos y ceros. Consta de un cdigo de operaciones binarias para ejecutar la instruccin, la UC la almacena en un registro especial, interpreta su cdigo de operacin y ejecuta la secuencia de acciones adecuada, en pocas palabras decodifica la instruccin.Unidad Aritmtica Lgica o ALU (por su acrnimo en inglsArithmetic Logic Unit): Es la parte de la CPU encargada de realizar las transformacionesde los datos. Gobernada por la UC, la ALU consta de una serie de mdulos que realizan operaciones aritmticas y lgicas. La UC se encarga de seleccionar la operacin a realizar habilitando los caminos de datos entre los diversos operadores de la ALU y entre los registros internos.Registros Internos:El almacenamiento de los resultados a la ejecucin de las instrucciones en la memoria principal podra ser lento y excesivamente tendra muchos datos en el sistema de interconexin con la memoria, con lo que el rendimiento bajara. De la misma manera tambin se almacenan en registros internos la configuracin interna del CPU o la informacin durante la ltima operacin de la ALU. Los principales registros de un CPU son:1.Contador de programa.-se encarga de almacenar la direccin de la siguiente instruccin a ejecutar.2.Registro de Instruccin.- se almacena la instruccin capturado en memoria y la que se est ejecutando.3.Registro de Estado.- compuesto por una serie de bits que informan el resultado obtenido en la ltima operacin de la ALU.4.Registro Acumulador.- algunos CPUs realizan operaciones aritmticas en un registro llamado acumulador, su funcin es la de almacenar los resultados de las operaciones aritmticas y lgicas.

CICLOS DE LA MAQUINA VON NEUMANN

MemoriaEn la memoria se almacena el programa y los datos que va a ejecutar el CPU. Las instrucciones son cdigos binarios interpretados por la unidad de control, los datos de igual manera se almacenan de forma binaria.Las diversas tecnologas de almacenamiento, dependen del tiempo de acceso a los datos; por lo tanto se realiza un diseo jerrquico de la memoria del sistema para que esta pueda acceder rpidamente a los datos. El principio de que sea ms rpida la memoria haciendo que tenga velocidades similares al CPU, sirve para disear el sistema de memoria. La memoria principal de los computadores tiene una estructura similar a la mostrada en el esquema de la Figura 1.4. Se considera como una matriz de celdas en la que la memoria puede acceder a los datos aleatoriamente.Dicha matriz est organizada en palabras, cada una de las cuales tiene asignada una direccin que indica su posicin. Cada palabra est formada por una serie de celdas a las que se accede en paralelo; en cada una se almacena un bit y estos son los que definen las instrucciones.

Entrada/SalidaComo sabemos una computadora tiene dispositivos de entrada y salida como son los que contiene el gabinete, disco duro, placa madre, unidades de CD o DVD, etc. El problema principal que existe entre ellos es su tecnologa y que tienen caractersticas diferentes a los del CPU, estos tambin necesitan una interfaz de cmo se van a entender con el CPU, al igual que el procesador y el controlador perifrico para intercambiar datos entre la computadora.

Sistema de Interconexin: Buses.La conexin de los diversos componentes de una computadora, tales como discos duros, tarjetas madres, unidades de CD, teclados, ratones, etc. se efectan a travs de los buses. Un bus se define como un enlace de comunicacin compartido que usa mltiples cables para conectar subsistemas. Cada lnea es capaz de transmitir una tensin elctrica que representa un 1 o un 0. Cuando hay varios dispositivos en el mismo bus, habr uno que podr enviar una seal que ser procesada por los dems mdulos. Si se mandan los datos al mismo tiempo marcara un error o una contencin del bus, por lo que el acceso estar denegado. Segn si criterio de funcionabilidad los buses se dividen en:

Buses de datos:es el que se utiliza para transmitir datos entre los diferentes dispositivos del computador. Buses de Direcciones:sirve para indicar la posicin del dato que se requiere acceder. Bus de Control:sirven para seleccionar al emisor y al receptor en una transaccin del bus. Bus de alimentacin:sirve para proporcionar a los dispositivosvoltajes distintos.

Tecnologa de los computadores.Las tendencias tecnolgicas van avanzando con el paso del tiempo, as mismo en trminos informticos y de electrnica van saliendo circuitos integrados digitales ms veloces, lo cual tambin va ligado en trminos monetarios altos, las actualizaciones de un sistema de cmputo sale relativamente costoso dependiendo de las caractersticas de la tecnologa que se le est implementando. Los circuitos integrados como sabemos hoy en da estos se van haciendo an ms pequeos ya que existen muchos avances en la tecnologa en las ciencias de la miniaturizacin como son la micro y nanotecnologa que estos ocupan, ya que los dispositivos que antes eran enormes y ocupaban el tamao de una habitacin ahora son tan pequeos que pueden caber en la palma de nuestras manos. Lo que implica que los sistemas avancen son los siguientes trminos:Tecnologa:Los transistores utilizados por los dispositivos de un computador son los llamados transistores de unin bipolar o BJT que estos a su vez generaron familias tecnolgicas como lo son los TTL. Esta tecnologa ha tenido como ventajas su facilidad para suministrar corriente y su rapidez, apareciendo como desventaja su alto consumo de energa en comparacin con los CMOS; esta segunda tecnologa se basa en la utilizacin de transistores de efecto de campo, es elegida actualmente para fabricar la mayora de los CPUs. otra tecnologa como la BiCMOS combina en un solo proceso tecnolgico de transistores BJT y CMOS tratando de combinar las ventajas de ambos.Velocidad:Hace referencia al tiempo de respuesta y los retrasos inevitables que aparecen en su funcionamiento. Esto hace que los CI ms sencillos dependan de la tecnologa utilizada. El problema de la velocidad estribara en que la ejecucin paralela requerir ms circuitera y el circuito seria mayor.

Escala de Integracin:Los CIs (Circuitos Integrados) CMOS se construyen a partir de la litografa que se aplican mascaras que proyectan las siluetas de los polgonos que forman a los transistores. Se trata la oblea qumicamente y en las diferentes fusiones se hacen los transistores; estos se dividen en segmentos que pueden alcanzar a las micras de tamao. Cuanto mejor y preciso sea el proceso de la creacin de las difusiones, los tamaos sern menores, y por tanto en una misma superficie de siliciose podra incluir ms lgica.Tamao:Depende de la fabricacin del CI ya sea sencillo o que tan complejo pueda ser este para las operaciones para la cual fue programado.

Circuitos de Memoria.El almacenamiento de la informacin se hace a travs de dispositivos de memoria que almacenan la informacin de forma binaria para despus tener la posibilidad de recuperar dichos datos. Estos contribuyen una jerarqua en la que estn ms cerca de la CPU los dispositivosms rpidos y en niveles ms alejados los dispositivos ms lentos. Los parmetros ms importantes para medir los circuitos de memoria son: Tiempo de Acceso:es el tiempo necesario para poder recuperar la informacin de los dispositivos de memoria. Densidad de informacin:depende de la tecnologa utilizada ya que ocupan un espacio distinto por cada bit de informacin. Volatilidad:se refiere a la prdida de informacin si no se mantiene en alimentacin al circuito, esta informacin debe de recuperarse de forma automtica cuando se conecte de nuevo la alimentacin y comience el funcionamiento de la computadora.

A)RAM esttica asncrona.Es una memoria voltil, de acceso rpido que puede almacenar y leer informacin su caracterstica es que la hace ideal para ser memoria principal en los ordenadores, la celda de almacenamiento de la SRAM contiene 4 transistores MOS que almacenan 1 y 0 mientras se mantenga la alimentacin del circuito.B) RAM esttica sncronaUtiliza la misma tecnologa que las SRAM, con lo que son voltiles y de rpido acceso. La diferencia es que existe una seal de reloj que sincroniza el proceso de lectura y escritura. Las memorias cache externas de algunos microprocesadores son de este tipo para facilitar el acceso de datos en modo rfaga y acelerar el proceso de acceso a bloques de memoria.C) RAM Dinmica.La DRAM tiene capacidades que accede con un solo transistor, en vez de celdas con varios transistores. El problema es que las capacidades se descargan mediante la corriente de prdidas de transistores y aparte son lentas comparadas con la SRAM; tienen una estructura de forma de matriz, estando multiplexadas las direcciones en forma de filas y columnas, tienen modos de acceso ms rpido en lo que suministra la parte alta de direccin; este modo de acceso se denomina modo pgina y acelera el acceso al no tener que suministrar para cada acceso la direccin de pgina completa.D) Memorias ROMLas memorias de solo lectura una vez que han sido escritas o programadas solo se puede leer el contenido de las celdas, se suelen utilizar para almacenar el cdigo que permite arrancar a los sistemas; estas se fabrican para aplicaciones masivas con mscaras de silicio. Hay 3 tips de memorias ROM que pueden ser programadas en el laboratorio, algunas pueden ser borradas.E) Memoria PROM:Son memorias ROM programables elctricamente mediante un programador especial que genera picos de alta tensin, que funden fsicamente unos fusibles grabando en el dispositivo de forma permanente. Tienen el inconveniente que no pueden ser borradas y para su lectura requieren una tarjeta especial.F) Memoria EPROM:Se programan tambin con un dispositivo de programacin conectado al ordenador la diferencia con la PROM es que estas si se pueden borrar; se realiza mediante rayos UV.G) Memoria EEPROM:Son memorias programables y borrables mediante un dispositivo especial que se conectara al ordenador.H) Memoria FLASHSon memorias que tienen un comportamiento igual a una SRAM, pero en su escritura es diferente, deben ser primero borradas y despus escritas; este tipo de memorias tienen internamente un registro de instruccin y una mquina de estados que genera las seales necesarias para borrar/escribir en un bloque o en toda la memoria.La memoria se divide en varias capas o niveles con unaestructuracuya forma puede recordarnos a una estructura piramidal. La tabla 1.1 que se muestra a continuacin nos muestra el tamao mximo y mnimo que pueden presentarnos las memorias flash, as como el tiempo que tardan al accesar a la informacin.NombreTamao MximoTiempo de Acceso

RegistrosHasta 200 BytesMenos de 10 Nanosegundos

Memoria CachHasta 512 BytesEntre 10 y 30 Nanosegundos

Memoria PrincipalMs de 1 GigabyteEntre 30 y 100 Nanosegundos

Capas en la que se divide la memoria.La Mejor Configuracin.Lo primero que debemos de tomar en cuenta para la configuracin de nuestro equipo es para que va a ser destinado, es decir, que programas sern utilizados en l. Por ejemplo un PC utilizado en una oficina ocupa Word, Excel e Internet, no necesita tener un procesador poderoso, pero es indispensable proporcionarlo de una buena memoria RAM y un disco duro rpido en cuanto a lectura y escritura de datos. En cambio cuando una computadora es destinada para aplicaciones pesadas o para juegos con grficos tridimensionales, lo principal es tener un procesador rpido combinado con una buena y rpida tarjeta de grficos.

La Placa Base:Es el componente principal, por lo tanto este se tiene que escoger con el ms sumo cuidado para que el ordenador tenga una calidad excelente al igual que su rendimiento en la ejecucin de tareas. Al comprar la placa base debemosver qu tipo de procesador soporta, si posee slots de expansin suficientes para los perifricos que deseemos instalar. Una placa se confecciona usando una tcnica llamada MPCB (Multiple Layer Contact Board), que consiste en varias placas apiladas como si fueran una; este tipo de placas deben ser fabricadas de forma minuciosa, pues un mnimo error en la posicin de las pistas, hara que sufriese interferencias y convertirn a la placa en inestable. La calidad de las placas no depende precisamente de la marca pero si nos debemos cerciorar de la marca que estamos adquiriendo, ya que, para encontrar controladores de los dispositivos de dicha placa ser ms fcil entrando a la pgina del fabricante.

Memoria RAMSi la computadora tiene poca memoria RAM, nuestro sistema deber utilizar nuestro disco duro para almacenar aquellos programas que no caben en RAM esta es la llamada Memoria Virtual; la cual por sobrecarga puede llegar a volver muy lento nuestro sistema. Por otro lado, al instalar ms memoria RAM ser un desperdicio pues no har al sistema ms rpido se notara que se debe instalar ms cuando el sistema se encuentre lento. Por ejemplo si se trabaja con aplicaciones sencillas de oficina la mnima de RAM a ocupar seria de 64MB, pero lo ideal sera 128MB; si se mantienen programas al mismo tiempo con 256MB es suficiente ya que en si el uso de memoria RAM en la actualidad tambin depende de nuestro Sistema Operativo ya que al pasar los aos estos van evolucionando de forma creciente ocupando aplicaciones ms complejas por lo cual se necesita ms RAM. Cuanta ms memoria RAM el PC se mantendr ms rpido por ms tiempo ya que con el paso del tiempo hay aplicaciones ms complejas y estas hacen que el sistema sea ms sofisticado.

ProcesadorDepende para que se va a utilizar la computadora por ejemplo si esta ser utilizada parajuegos valdra la pena invertir en un procesador como un Athlon o Pentium 4. Si es para aplicaciones pequeas con que tenga suficiente RAM es ms que suficiente un procesador Duron.

Disco DuroEs importante saber el tiempo de acceso, la velocidad de rotacin y la densidad del disco duro. El tiempo de acceso determina cuanto tiempo tarda el cabezal de lectura en encontrar el dato que debe leerse. La velocidad de rotacin se mide en rpm, revoluciones por minuto. La densidad o cantidad de datos que caben en cada disco duro, tambin determina su rendimiento, pues los datos estarn ms expuestos entre s, sern localizados ms rpidamente.

Tarjeta GraficaExisten tarjetas de 2D y 3D. Tambin existen tarjetas aceleradoras de 3D que deben usarse con una tarjeta de 2D comn. Tambin existen las tarjetas grficas combo, que realizan funciones de 2D y 3D. Al da de hoy, incluso las tarjetas grficas on board (se refiere a dispositivos que vienen integrados en la placa madre) vienen con recursos 3D, aunque su rendimiento no se compara en lo absoluto con el de una tarjeta grfica de calidad.

Tarjeta de SonidoNo tiene ninguna influencia con el rendimiento del equipo, solamente determina la calidad de audio. Para uso normal, se utilizan las Sound Blaster generalmente con chipsets Yamaha. Las tarjetas de sonido ms caras marcan la diferencia si pretendemos trabajar en la edicin musical, o queremos or msica MIDI en mxima calidad. Tambin existen las tarjetas de sonido 3D, como la Sound Blaster Live, que generan sonidos que parecen venir de todas direcciones. Este efecto es muy utilizado en teatros en casa, para escuchar el sonido de forma ms real.

Ampliaciones y Actualizaciones.Realizar una ampliacin significa cambiar algunos componentes de un equipo ya viejo a fin de mejorar su rendimiento. Sin embargo, muchas veces, el equipo es tan viejo que sera necesario cambiar casi todos los componentespara conseguir un rendimiento aceptable; en este caso sera mejor comprar un equipo nuevo con las actualizaciones ms recientes para un rendimiento ptimo. El secreto de realizar una buena actualizacin es detectar los puntos dbiles de la configuracin, los componentes para conseguir alcanzar un rendimiento aceptable con el conjunto de los dems. Aparte hay que saber escoger los componentes en relacin a la calidad. Cabe mencionar que no es necesario comprar un equipo anticuado para hacer una actualizacin que bien valga la pena porque si el equipo est muy anticuado lo mejor es comprar uno nuevo con las actualizaciones que satisfagan las necesidades que requiere en ese momento el usuario y as poder tener un equipo de vanguardia y bien actualizado.