Arquitectura de los computadores.

El término arquitectura de computadores hace referencia a la naturaleza de las diferentes unidades funcionales que componen al hardware, así como a la forma en que dichos agrupamientos de componentes electrónicos se interrelacionan para proporcionar poder computacional al equipo.

Arquitectura Von Neumann

Existen muchas configuraciones que a lo largo de la historia de los computadores se han propuesto para integrar a estos equipos. De entre todas éstas, la que por mayor tiempo ha influenciado a la industria del cómputo es la propuesta por el matemático húngaro-americano J. Von Neumann.

En 1946, para el desarrollo de uno de los primeros computadores, denominado máquina IAS, Von
Neumann elaboró algunos documentos y ofreció platicas relacionadas con la organización y naturaleza de los componentes. Con posterioridad, el diseño de este equipo fue profusamente copiado, convirtiéndose en el prototipo de la arquitectura de los computadores de la primera generación con programa almacenado, y con algunos cambios, es posible encontrarlo aún en computadores actuales. El diseño, también conocido como
máquina Von Neumann de dirección única (arquitectura Von Neumann), fue fruto del trabajo del grupo compuesto por Von Neumann, Burks, Goldstine y otros.

La esencia de la arquitectura Von Neumann se encuentra explicada en el primer memorando del proyecto IAS, denominado 'Preliminary discussion of the logical design of an electronic computing instrument'. En éste, Von Neumann postuló que los elementos funcionales de un computador deberán ser:

• La unidad de aritmética-lógica, encargada de efectuar las operaciones sobre los datos. 
• La unidad de control, encargada de dirigir la operación del computador. 
• La unidad de memoria (almacenamiento), donde se guardan tanto los datos como las instrucciones que se efectuarán sobre éstos. 
• La unidad de entrada/salida (E/S, o I/O por sus siglas en inglés). encargada del proceso de comunicación del computador con su entorno (el operador, por ejemplo). 

Es común que se considere a la unidad de control integrada (física y lógicamente) con la unidad aritmético-lógica, formando lo que se ha dado en llamar Unidad Central de Procesamiento (CPU, por sus siglas en inglés). 

 

Las figuras que aparecen a continuación resumen, en forma esquemática, la arquitectura Von Neumann, se presentan 2 figuras para poder clarificar. Por simplicidad, no se muestran las conexiones internas de las unidades. En las figuras se señalan aquellos componentes de la CPU que serán mencionados al describir la forma en que trabaja el computador. De manera explícita se indica, además, una de las posibles formas de interconexión entre las diferentes unidades (u órganos, como los llamó Von Neumann).

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Componentes del hardware.

Los elementos componentes de los computadores pueden visualizarse considerando cualquiera de los cuatro niveles ilustrados en el siguiente dibujo. La estructura es jerárquica en el sentido de que las funciones ejecutadas a cualquier nivel (exceptuando, como es obvio, el más bajo) son realizadas en los niveles inferiores a éste. Así, un cierto nivel es entonces, una abstracción del nivel previo.

En el nivel más bajo, el electrónico, un computador está formado por muchos componentes pertenecientes a algunas pocas categorías de dispositivos electrónicos básicos y circuitos. Dichos elementos son empleados para la definición, almacenamiento, transferencia y modificación de señales binarias, además del uso de "relojes" internos (circuitos especiales) para producir señales de sincronía. A este nivel, por ejemplo, es posible hablar de compuertas lógicas and, or y not, las cuales reciben como datos bits y proporcionan como resultado un valor binario que dependerá de los valores primitivos.
 Los circuitos electrónicos están formados por elementos activos y pasivos. Entre los elementos pasivos se encuentran resistores, capacitores, inductores y diodos. Los transistores, que son dispositivos semiconductores que amplifican las señales y pueden cambiar rápidamente de estado, son los componentes activos y se constituyen como los bloques de construcción fundamentales a este nivel.
El siguiente nivel, el de la lógica digital, comprende a los circuitos combinacionales y secuenciales sincronizados, además de los sistemas de almacenamiento.
 El nivel 2 se implementa con los componentes del nivel 1 y maneja elementos tales como circuitos sumadores, registros (conjunto de unidades o celdas de almacenamiento de bits) y decodificadores binario-decimales.
 El nivel estructural (de arquitectura) trata a los circuitos y registros de almacenamiento como unidades indivisibles. A este nivel, se hace énfasis en los detalles de la identificación y ubicación de instrucciones y su ejecución, además del flujo de datos entre los diferentes registros y subsistemas.
Finalmente, en lo más alto de la jerarquía, el nivel de programación describe a las instrucciones del computador y a sus componentes en un nivel funcional que es el requerido por un programador (la denominada visión de 'caja negra' del usuario).

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Tipos de computadores.

Existen muchos criterios de clasificación de los computadores. Así, es posible hablar de distintos tipos de computadores atendiendo a los componentes con los que se construyen y la manera en que dichos componentes se interrelacionan, o bien, considerando cuestiones tales como su velocidad de cálculo, la forma de almacenar la información, su tamaño, el tipo y cantidad de aplicaciones y usuarios que puede atender simultáneamente.
 Una primera forma de dividir a los computadores se presenta cuando consideramos el tipo de tareas que pueden atender. De esta manera, existen computadores construidos expresamente para realizar una sola tarea, éstos se conocen como computadores de propósito especial o dedicados.
Ejemplos de esta clase los encontramos en equipos de control y “monitoreo” de pacientes y de procesos industriales, en las máquinas y herramientas de control numérico, en las máquinas de jugar ajedrez y en los video juegos. En contraposición, los computadores que pueden atender diversas aplicaciones con sólo cambiar los programas que los gobiernan, son conocidos como de propósito general y son el tipo de computadores que se explicaran.
 Otra forma de catalogar a los computadores se desarrolla al considerar la forma en que internamente se representa la información. Por tanto, existen los denominados computadores análogos que utilizan sus circuitos para representar procesos físicos donde los cambios en la corriente eléctrica representan el comportamiento del sistema que se está estudiando, un ejemplo de éstos son algunos equipos utilizados para registrar un electrocardiograma.
En cambio, los computadores digitales, que son los equipos más comunes, basan su funcionamiento en el manejo de “cantidades” y operaciones aritméticas. Existen también computadores híbridos en los que se realizan operaciones analógicas y digitales.
 Es posible también clasificar a los Computadores en función de la cantidad de usuarios que se atienden al mismo tiempo (en algunos casos, ello sólo es en apariencia, por lo que se dice que se atienden en forma concurrente). Así, se tendrán equipos multiusuario y equipos monousuario o personales. Es también posible establecer una clasificación utilizando criterios de capacidad de manejo de información, velocidad de procesamiento del equipo y precio.
Desde hace mucho tiempo se acostumbra categorizar a los computadores, distribuyéndolos en grupos de supercomputadores, main frames o macrocomputadores, minicomputadores y microcomputadores. Con el tiempo, los límites de estas divisiones han ido cambiando, dado el gran avance que experimenta la electrónica. No obstante, es seguro que, por ejemplo, un supercomputador es más costoso, más rápido y maneja mayor cantidad de información que un macro, mini o microcomputador.
Cuando se pretenden establecer límites a las categorías anteriores, se requiere contar con elementos de referencia que indiquen la rapidez de un computador, o la cantidad de información que maneja en un cierto tiempo. Con base en esto se han definido unidades de medición especiales.
En la sección posterior de este mismo capítulo, se trata con cierto detalle algunas particularidades de los equipos de cómputo que resulten representativos de cada una de esas cuatro categorías.
Finalmente, otra forma de diferenciar a los equipos de cómputo se da cuando consideramos la ubicación geográfica y lógica de los componentes del sistema. De esta manera, es posible hablar de los sistemas centralizados, que tienen todos sus elementos unidos electrónica y físicamente en una misma localidad. Por contraparte, los sistemas distribuidos cuentan con elementos de procesamiento autónomo y módulos de almacenamiento colocados en lugares distintos, los cuales para trabajar necesitan establecer una conversación por medio del intercambio de mensajes, utilizando una red de comunicaciones.

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Introducción.

El avance que ha tenido la electrónica y los sistemas determinan que los conocimientos que se tienen sobre tecnología y demás áreas que involucran la arquitectura de un computador sean en determinado momento desactualizados u obsoletos por llamarlos de alguna manera, es por esto que nuestra primera tarea será reconocer los elementos básicos y fundamentales de un sistema de computo para posteriormente diferenciar los dispositivos de entrada, salida, almacenamiento, calculo y demás elementos con que cuenta un computador.

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