Arquitectura de Von Neumann y el Funcionamiento del Ordenador

Arquitectura de Von Neumann

John von Neumann creó la idea de almacenar programas en memoria para ser ejecutados en un procesador. A partir de aquí, todos los ordenadores funcionan de esta forma.

CPU

La CPU se compone de:

• Unidad de Control (UC): Se encarga de interpretar y gestionar las instrucciones máquina de los programas, así como generar señales de control para realizar las operaciones.
• Descodificador de Instrucciones (DI): Descifra las instrucciones.
• Reloj: Marca el tiempo de ejecución.
• Seleccionador: Determina el orden de las instrucciones y las sincroniza con el reloj.
• Unidad Aritmético-Lógica (UAL): Realiza operaciones aritméticas y booleanas con los datos que recibe de la UC.
• Unidad de Coma Flotante (FPU): Realiza operaciones con números de coma flotante.
  • También conocida como Unidad de Punto Flotante, Coprocesador Matemático, Unidad de Procesamiento Matemático (NPU) o Procesador de Datos Numéricos (NDP).

Registros

• Visibles al usuario:
  • Registro de Dirección
  • Registro de Datos
  • Registro de Condición
• De control y estado:
  • Contador de Programa (CP)
  • Registro de Instrucción (RI)
  • Registro de Dirección de Memoria (RDM)
  • Registro de Intercambio de Memoria (RIM)

Buses de Comunicación

Las diferentes unidades, más la memoria, se comunican entre ellas a través de buses, que son líneas eléctricas o incluso ópticas que transmiten información. Cada hilo del bus transmite un bit. El tamaño del bus (16, 32 o 64 bits) determina la cantidad de datos que el ordenador puede procesar a la vez.

Tipos de Bus

• Bus de Datos: Permite el intercambio de datos entre la CPU y las unidades externas (memoria, periféricos, etc.). Su velocidad se mide en MHz o GHz.
• Bus de Direcciones: Transmite la dirección entre la CPU y la memoria, indicando la posición del dato. Un bus de direcciones mayor permite acceder a más datos.
  • Bus 10 bits: 2^10 = 1024 posiciones
  • Bus 16 bits: 2^16 = 65536 posiciones
• Bus de Control: Genera las señales de control creadas por la UC para gobernar el ordenador. La cantidad de bits no es relevante en este caso.

Memoria

• Caché: Memoria muy rápida entre la CPU y la RAM, que contiene datos que probablemente se leerán pronto.
• RAM: Memoria rápida que almacena los programas y datos que se están ejecutando o se han ejecutado recientemente y es probable que se vuelvan a ejecutar.

Periféricos

Los periféricos se clasifican en:

1. Periféricos de Entrada: Introducen información a la máquina. Ejemplos: teclado, ratón, cámara web, escáner, micrófono, escáner de código de barras, joystick, pantalla táctil.
2. Periféricos de Salida: Muestran la información procesada por la máquina. Ejemplos: monitor, impresora, altavoces, auriculares, fax.
3. Periféricos de Entrada/Salida:
   1. Periféricos de Almacenamiento: Guardan y recuperan datos del procesador. Actúan como entrada y salida, pero no muestran la información directamente al usuario. Ejemplos: disco duro, lectora/grabadora de CD/DVD/Blu-ray, memorias flash (USB), cintas magnéticas, disquetes, discos extraíbles.
   2. Periféricos de Comunicación: Reciben y envían datos, funcionando como entrada y salida. Ejemplos: fax-módem, tarjeta de red, tarjeta inalámbrica, Bluetooth, controladora de puerto serie/paralelo/infrarrojo, hub.

Funcionamiento del Ordenador

Al encender un ordenador, ocurren los siguientes pasos:

1. La fuente de alimentación envía corriente a todos los dispositivos, incluyendo la CPU.
2. La CPU envía una orden a la memoria ROM de la BIOS (Basic Input/Output System), que contiene las rutinas de POST (Power-On Self-Test).
3. La BIOS ejecuta el POST, comprobando el estado de los dispositivos básicos (CPU, memoria RAM, teclado, etc.).
4. Si el POST es exitoso, la BIOS localiza el sistema operativo y lo carga en la RAM para que la CPU lo ejecute. Si hay varios sistemas operativos instalados, la BIOS muestra un menú de arranque.
5. Una vez cargado el sistema operativo, cualquier programa que se ejecute seguirá el proceso: almacenamiento -> RAM -> CPU.
6. Al apagar el ordenador, se guardan los registros del sistema operativo y la RAM se borra.

Software del Ordenador

El software es el conjunto de programas, instrucciones y reglas informáticas que permiten ejecutar tareas en un ordenador.

Clasificación del Software

Según el tipo de trabajo realizado:

• Software de Sistema: Permite que el hardware funcione correctamente, administrando la parte física del ordenador. Ejemplos: sistema operativo, drivers, herramientas de diagnóstico.
• Software de Aplicación: Ayuda a realizar tareas específicas o generales, proporcionando una función de ayuda al usuario. Ejemplos: aplicaciones de ofimática, aplicaciones gráficas, navegadores, calculadoras.
• Software de Programación: Ayuda a desarrollar nuevo software, facilitando la creación de programas mediante sistemas de compilación, interfaces gráficas, etc. Ejemplos: Visual Basic, C++, Java, Borland.