Arquitectura de computadoras: generaciones, CPU y memoria

INTRODUCCIÓN A LA ARQUITECTURA VON NEUMANN

La arquitectura Von Neumann es la base de los ordenadores actuales. Surgió de la colaboración de John Von Neumann en el proyecto ENIAC en 1947, donde resolvió el problema de "recablear" la máquina para cada tarea. Propuso almacenar las operaciones en la misma memoria utilizada para los datos, en código binario. Su modelo "EDVAC" sentó las bases de esta arquitectura. El término se acuñó en un memorando de Von Neumann en 1945, en el que propuso el concepto de programa almacenado. Aunque ha evolucionado, la base de su funcionamiento sigue siendo la misma. Se han detectado problemas de diseño en unidades centrales de proceso, como Meltdown y Spectre en 2018, que permitían acceder a la memoria y datos del sistema operativo y otras aplicaciones.

ORDENADOR DIGITAL

El tema se centra en el estudio de la estructura y función de las unidades funcionales en un ordenador digital, capaz de aceptar datos de entrada, realizar una serie de operaciones con ellos (procesamiento) y proporcionar información resultante sin intervención humana, bajo el control de un programa de instrucciones almacenado.

GENERACIONES DE ORDENADORES

1ª generación (aprox. 1945-1955): construidos con tubos de vacío. No existían los SSOO. La programación se realizaba en lenguaje máquina. 2ª generación (aprox. 1955-1965): aparición de los transistores. La programación se realizaba en lenguaje ensamblador y en Fortran. Aparece el procesamiento por lotes. 3ª generación (aprox. 1965-1971): aparición de circuitos integrados. Ordenadores más pequeños y rápidos. Desarrollo de la multiprogramación y los sistemas compartidos. 4ª generación (aprox. 1971-1981): aparecen los microprocesadores. Circuitos LSI y VLSI. Aparecen los primeros ordenadores personales (PCs). 5ª generación (aprox. 1981-1991): aparecen los circuitos ULSI. Se desarrollan los primeros multiprocesadores y multicomputadores. 6ª generación (aprox. 1991-Actualidad): La sexta generación de computadoras está en constante desarrollo, definiendo el futuro de la informática y la tecnología web con su enfoque en el procesamiento masivo y la conectividad avanzada. Adaptadas para manejar grandes volúmenes de datos en tiempo real, estas computadoras exploran nuevas arquitecturas como los procesadores cuánticos, prometiendo revolucionar la computación y el almacenamiento de información.

CLASIFICACIÓN DE ORDENADORES

De entre tantos criterios de los que podemos clasificar los ordenadores podemos quedarnos con una de las más comunes atendiendo a la potencia de cálculo (de mayor a menor):

• Supercomputadores o superordenadores.
• Mainframes o macrocomputadores.
• Minicomputadores o miniordenadores (servidores)
• Workstations o estaciones de trabajo
• Ordenadores personales (portátiles y sobremesa)
• Ordenadores móviles (smartphones, tablets, etc)

FACTORES QUE DETERMINAN LA POTENCIA DE UN ORDENADOR DIGITAL

La potencia de un ordenador se determina por varios factores.

• La longitud de palabra, que define la precisión de los cálculos y la velocidad de acceso a los datos.
• Los registros en la CPU, que influyen en la capacidad de procesamiento y se desea que sean extensos.
• Los buses de datos y direcciones, que afectan a la velocidad de transferencia de datos y la capacidad de direccionamiento de memoria.
• El ancho de banda, que representa la cantidad de información transferida por segundo entre unidades.
• La capacidad de la memoria principal, que depende de la longitud de palabra y el número de líneas de direccionamiento.
• La frecuencia de reloj, que sincroniza las operaciones y se mide en hercios (Hz).

ELEMENTOS FUNCIONALES DE UN ORDENADOR DIGITAL

La arquitectura de Von Neumann describe un ordenador con 4 secciones principales: la unidad central de proceso (CPU en inglés, UCP en español), la memoria, y la unidad de entrada y salida (E/S). Todas estas partes están interconectadas por canales de comunicación denominados buses.

UCF PER FÉRICO MEMORIA PRINCIPAL PERIFÉRICO UNDAD ARITMÉTICA UNIDAD PERFERCO UNIDAD DE CONTROL

COMPONENTES Y ESTRUCTURA DE LA CPU

La Unidad Central de Proceso o CPU es la encargada de interpretar ordenadamente las instrucciones almacenadas en la memoria para poder ser ejecutadas. La CPU está formada por:

• Unidad de control (UC)
• Unidad aritmético-lógica (ALU),
• Registros
• Buses
• Otros componentes (FPU, etc.)

Todos estos componentes se integran físicamente dentro del microprocesador.

UNIDAD DE CONTROL

Su función consiste en realizar la búsqueda, decodificación e interpretación de las instrucciones de los programas que se encuentran almacenados en la memoria, y posteriormente, emitir la secuencia adecuada de órdenes para que se ejecuten correctamente Para realizar su función, la UC utiliza los siguientes elementos:

• Contador de programa (PC): almacena la dirección de memoria de la siguiente instrucción a ejecutar.
• Registro de instrucción (IR): almacena la instrucción que la UC está interpretando en ese momento.
• Registro de estado (PSW): almacena una serie de bits que se activan según sea el resultado de la última operación realizada por la ALU.
• Decodificador: se encarga de extraer el código de operación de la instrucción en curso, analizarlo y emitir las señales necesarias al resto de elementos para su ejecución a través del secuenciador.
• Secuenciador: genera una serie de órdenes muy elementales que permiten ejecutar la instrucción en curso. de forma síncrona con el reloj del sistema.
• Reloj: generador de impulsos que marca el momento en que han de comenzar los distintos pasos de que consta cada instrucción.

Reloj Secuenciador Contador de Programa 1 Decodificador Palabra de Estado del Procesador (PS))) Registro de Instrucción

UNIDAD ARITMÉTICO-LÓGICA

La Unidad Aritmético-Lógica o ALU se encarga de realizar las operaciones aritméticas y lógicas necesarias para ejecutar una instrucción, siguiendo las indicaciones de la unidad de control. Los tipos de operaciones que puede realizar la ALU se pueden clasificar en: · Aritméticas: suma, resta, multiplicación y división · Lógicas: NOT, AND, OR, XOR · De desplazamiento de bits Los datos sobre los que opera esta unidad provienen de la memoria y pueden estar almacenados de forma temporal en alguno de los registros de la propia ALU. Para realizar su función, la ALU utiliza los siguientes componentes:

• Circuito operacional: toma unos datos de entrada (operandos) y una señal de operación, que indica a la ALU el tipo de operación a realizar con dichos datos.
• Registros de entrada (REN): almacenan los datos que van a participar en la operación (operandos)
• Registro acumulador (AC): almacena el resultado de la operación para que pueda ser transmitida hacia otros componentes o utilizada en una nueva operación de la ALU.
• Registro de estado (PSW): almacena una serie de bits que se activan según sea el resultado de la última operación realizada por la ALU.
• Banco de Registros

Circuito operacional Registro acumulador Registro de estado .

REGISTROS DE LA CPU

Los registros de la CPU son pequeñas memorias de acceso muy rápido dedicadas al almacenamiento temporal de datos necesarios para la ejecución de cada instrucción. Los registros pueden clasificarse en:

• Generales: son aquellos que contienen los operandos con los que se realizarán las instrucciones del programa.
• Específicos: son aquellos cuyo uso cumple una función concreta. Los más comunes son: MAR (Memory Address Register o Registro de Dirección de Memoria), PC (Program Counter o Contador de Programa). IR (Instruction Register o Registro de Instrucción), PSW (Process Status Word o Palabra de Estado del Procesador), SP (Stack Pointer o Puntero de Pila).

BUSES DE LA CPU

La CPU se divide en unidades funcionales y para realizar la comunicación entre ellos se utilizan los denominados buses. Según su funcionalidad podemos distinguir los siguientes buses:

• Bus de datos: Utilizado para transferir los datos entre los diferentes elementos del computador. El ancho de palabra en la transferencia coincide con el ancho de palabra de memoria.
• Bus de direcciones: Transfiere únicamente direcciones, desde los elementos que las generan hasta la memoria. El ancho de palabra está relacionado con el tamaño de palabra de la memoria del computador. Con m bits pueden direccionar un máximo de 2m palabras de memoria.
• Bus de control: Formado por un conjunto de líneas que tienen misiones muy diversas y específicas en cada computador. La información que se transfiere por este bus suele tratarse de señales de control para los diferentes elementos del computador. Por ejemplo, señales de lectura o escritura de la memoria, señales de control de E/S, etc.

OTROS COMPONENTES DE LA CPU

La estructura de la CPU ha ido evolucionando y se han ido incorporando otro tipo de circuitos adicionales que ayudan a la CPU en su labor, aumentando sus prestaciones. Entre ellos se encuentran:

1. FPU (Floating Point Unit): también conocido como coprocesador matemático, es el componente especializado en el cálculo de operaciones en coma flotante.
2. Memoria caché: memoria intermedia entre la memoria principal y la CPU utilizada para acelerar los accesos a los datos. Existen varios niveles: L1, L2, etc.
3. FSB (Front Side Bus): comunica la cache L2 con la placa base. En los procesadores de última generación de Intel es sustituido por el DMI (Direct Media Interface) y en los procesadores AMD por el Hypertransport.
4. BSB (Back Side Bus): comunica la cache L1 con el núcleo del procesador y con la cache L2.

CARACTERÍSTICAS DE LOS MICROPROCESADORES

A la hora de elegir entre los diferentes microprocesadores que podemos encontrar en el mercado, existen una serie de parámetros que los caracterizan. Las características principales son:

. Velocidad de reloj (frecuencia): Es el factor más determinarte, ya que marca cuantas instrucciones puede procesar por unidad de tiempo. Este concepto está relacionado con la frecuencia de reloj, que marca el ritmo al que se ejecuta las instrucciones y procesos del ordenador. La velocidad se mide en gigahercios (GHz) Así, Así, por ejemplo, un microprocesador actual a 3,2 GHz es capaz de realizar 3200 millones de instrucciones en un segundo. · Memoria caché: es una memoria volátil muy rápida, pero de poca capacidad, que suele estar integrada en el chip del procesador. Su función es la almacenar instrucciones y datos que el procesador utiliza con asiduidad, de manera que cuando los necesite el procesador no se tenga que ir a buscarlos a la memoria RAM, reduciendo considerablemente el tiempo de búsqueda. A lo largo de la evolución de los procesadores se han ido incorporando varios tipos de memoria caché que han aumentado las prestaciones de los procesadores, teniendo actualmente hasta tres tipos de memoria caché:

• Caché de nivel 1 (L1): Trabaja a la misma velocidad que el procesador y está integrada en el núcleo de este. Tiene una parte dedicada a instrucciones y otra a datos.
• Caché de nivel 2 (L2): Es algo más lenta que la caché L1 y está integrada en el procesador, pero fuera del núcleo. No tiene partes dedicada, siendo utilizada por los programas del sistema. La capacidad es mayor que la de la caché L1.
• Caché de nivel 3 (L3): Este tipo de memoria se empezó a incorporar en la placa base, fuera del chip del procesador. Actualmente se incorpora en el interior del procesador y en los procesadores multinúcleo suele ser común a todos los núcleos. Tiene velocidades menores que las otra cachés y capacidades mayores.

· Núcleos: Esta característica marca el número de núcleos o cores de los que dispone el procesador. El núcleo, el "cerebro" del procesador, es donde se llevan a cabo todos los procesos. De manera que cuantos más tenga las tareas serán repartidas entre ellos y aumentará la velocidad de proceso. · Conjunto de instrucciones: es como el conjunto de instrucciones que es capaz de entender y ejecutar un procesador y que están diseñadas para mejorar la ejecución de ciertas tareas. Con la necesidad de trabajar con gráficos y videos los fabricantes han evolucionado las instrucciones que manejan los procesadores, haciendo estos procesos más rápidos de ejecutar. Este tipo de instrucciones van relacionadas con la filosofía de diseño de los procesadores CISC y RISC. · TDP (Thermal Design Power): indica la cantidad de calor que puede disipar el procesador.

ESTRUCTURA FÍSICA DE LOS MICROPROCESADORES

Físicamente el procesador es un circuito o chip, en el cual se han construido millones de elementos electrónicos, como son transistores, condensadores o resistencias, sobre una placa de silicio. Este dispositivo esta encapsulado en un chip y es insertado en un zócalo a la placa base. El tamaño y forma de conexionarse en el zócalo de este chip ha ido variando a lo largo de la su historia, llegando a un alto grado de miniaturización. Por tanto, en un microprocesador físicamente se pueden apreciar las siguientes partes:

• Encapsulado: es el caparazón que envuelve a la oblea de silicio, para protegerle de roturas, golpes y oxidación y permitir un enlace con los conectores externos que lo acoplarán a su zócalo o a la placa base.
• Zócalo: Es el lugar en donde se inserta el procesador en la placa base, efectuando una conexión entre él y el resto del equipo. En el apartado de placa base tienes más información al respecto.
• Ventilador y disipador: Se encarga de refrigerar al procesador, ya que al contener millones de dispositivos activos "transistores" que producen una temperatura muy alta. Se instala justo encima del procesador.

TIPOS DE MICROPROCESADORES

Los tipos de microprocesadores pueden clasificarse atendiendo a diversos criterios. Algunos de los más importantes son: A. Según el juego de instrucciones:

• CISC (Complex Instruction Set Computer): Esta filosofía de diseño se fundamenta en reducir el número de instrucciones de ensamblador por cada instrucción de un lenguaje de alto nivel, por lo que el número de instrucciones que implementa el procesador es elevado.
• RISC (Reduced Instructions Set Computer): Esta filosofía de diseño analiza estadísticamente las instrucciones más utilizadas por las aplicaciones y hace que estas se ejecuten lo más rápido posible.

B. Según el tamaño de palabra: determina la cantidad de información que es capaz de procesar simultáneamente la CPU en cada pulso de reloj. Se mide en bits:

• Microprocesadores de 32 bits
• Microprocesadores de 64 bits