Arquitectura de Computadoras – Conceptos Fundamentales
Este artículo es una definición de conceptos sobre arquitectura de computadoras, incluyendo fórmula de examen, términos clave y referencias.
En Resumen
El Principio de Von Neumann es el modelo fundamental de las computadoras modernas: la CPU obtiene instrucciones y datos de una memoria compartida a través de un bus común (posible cuello de botella).
El Principio de Von Neumann (Modelo Fundamental)
Componentes principales:
- Unidad Aritmético-Lógica (ALU)
- Unidad de Control
- Memoria para programa y datos
- Unidad de Entrada/Salida (I/O)
Todos los componentes están conectados a través de un bus común. Esto genera el cuello de botella de Von Neumann, ya que instrucciones y datos comparten la misma ruta de comunicación.
CPU – el “Cerebro”
Ciclo típico de ejecución: Fetch → Decode → Execute → Writeback.
Conceptos importantes:
- Registros (rápidos, pequeños, dentro de la CPU)
- Conjunto de instrucciones (por ejemplo, x86/ARM); CISC vs. RISC
- Frecuencia de reloj (GHz) no es el único indicador de rendimiento
- Múltiples núcleos (Cores) permite procesamiento paralelo
Jerarquía de Memoria
De rápido/costoso a lento/económico:
- Registros
- Cache (L1/L2/L3)
- RAM
- SSD/Disco duro
El cache aprovecha el Principio de Localidad:
- Localidad espacial
- Localidad temporal
Periféricos y Sistemas de Bus
- Bus: bus de datos, bus de direcciones, bus de control
Métodos de E/A:
- E/A controlada por programa (Polling)
- E/A controlada por interrupciones
- DMA (Acceso Directo a Memoria): transferencia de datos directamente entre dispositivo y RAM sin intervención constante de la CPU
Evaluación de Rendimiento
El rendimiento no depende solo de GHz, sino de factores como:
- IPC (Instrucciones por Ciclo)
- Número de núcleos
- Latencia y ancho de banda de memoria
Fórmula de Examen (Respuesta Oral)
Una computadora es una máquina que funciona según el Principio de Von Neumann.
Una CPU (ALU + Unidad de Control) obtiene instrucciones y datos de una memoria
compartida a través de un bus, realiza cálculos y escribe los resultados de
vuelta. Para compensar los accesos lentos a memoria, existe una jerarquía de
memoria con cachés rápidos. Las operaciones de E/A se organizan mediante
interrupciones o DMA para reducir la carga en la CPU.