Arquitectura de von Neumann.
Concepto de computadora: Máquina electrónica rápida y exacta que es capaz de aceptar datos a través de un medio de entrada (input), procesarlos automáticamente bajo el control de un programa previamente almacenado, y proporcionar la información resultante a un medio de salida (output). Los componentes físicos que constituyen la computadora, junto con los dispositivos que realizan las tareas de entrada y salida, se conocen con el término de hardware. El conjunto de instrucciones que hacen funcionar a la computadora se denomina programa, que se encuentra almacenado en su memoria, y al conjunto de programas escritos para una computadora se llama software.
¿Qué significa arquitectura? En el entorno de la informática, proporciona una descripción de la construcción y distribución física de los componentes de la computadora. La arquitectura de una computadora explica la situación de los componentes y permite determinar las posibilidades de que un sistema informático, con una determinada configuración, pueda realizar las operaciones para las que se va a utilizar.
Lo que se conoce como arquitectura de von Neumann es una organización muy parecida a la de Babbage (máquina analítica, 1833): tenemos un procesador central en el que se ejecutan las operaciones aritméticas y de comparación (lógicas); una memoria central que se utiliza para almacenar datos, resultados inmediatos y el programa a ejecutar; tenemos unidades de entrada y salida (input/output) que sirven para darle a la computadora el programa y los datos y recibir los resultados; por último, tenemos memoria externa o auxiliar, como discos, memorias flash, etc., que nos sirven para almacenar, ya sean datos o programas, de una ejecución a otra, sin tener que volver a realizar el proceso, o sin que tengamos que volverlos a proporcionar. El término arquitectura de von Neumann se acuñó a partir del documento “First Draft of a Report on the EDVAC” (1945), escrito por el conocido matemático John von Neumann en el que se proponía el concepto de programa almacenado. Dicho documento fue redactado en vistas a la construcción del sucesor de la computadora ENIAC y su contenido fue desarrollado por John P. Eckert, John W. Mauchly, Arthur W. Burks, y otros durante varios meses antes de que von Neumann redactara el borrador del informe. Es por ello que otros tecnólogos como David A. Patterson y John L. Hennessy promueven la sustitución de este término por el de arquitectura Eckert-Mauchly.
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Arquitectura von Neumann.
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Arquitectura de von Neumann.
La mayoría de las computadoras, grandes o pequeñas, están organizadas como se muestra en la siguiente figura. Constan fundamentalmente de tres componentes principales: Unidad Central de Procesamiento, UCP o CPU (por el acrónimo en inglés de Central Processing Unit) o procesador (compuesta por la ALU o UAL, Unidad Aritmética y Lógica, y la CU o UC, Unidad de Control); la memoria principal o central y el programa; además de los dispositivos de comunicación (dispositivos de entrada y de salida) y la memoria externa o auxiliar.
Los dispositivos de entrada, como su nombre indica, sirven para introducir datos (información) en la computadora para su proceso. Los datos se leen de los dispositivos de entrada y se almacenan en la memoria central o interna. Los dispositivos de entrada convierten la información de entrada en señales eléctricas que se almacenan en la memoria central. Dispositivos de entrada típicos son teclado, lápices ópticos, palancas de mando (joystick), lectores de códigos de barras, escáneres, micrófonos, lectores de tarjetas digitales, etc. Hoy en día tal vez los dispositivos de entrada más populares son el teclado y el mouse. Los dispositivos de salida permiten representar los resultados (salida) del proceso de los datos. El dispositivo de salida típico es el monitor. Otros dispositivos de salida son: impresoras, trazadores gráficos, bocinas, etc. Dispositivos de entrada/salida son todos aquellos que le permiten al usuario enviar hacia la computadora datos y por el mismo medio recibir la información resultante del procesamiento de estos.
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Dispositivos de entrada, salida y mixtos (entrada/salida).
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La memoria central. La memoria central o simplemente memoria (interna o principal) se utiliza para almacenar información (RAM, Random Access Memory). En general, la información almacenada en memoria puede ser de dos tipos: instrucciones, de un programa y datos con los que operan las instrucciones. Por ejemplo, para que un programa se pueda ejecutar, debe de ser situado en la memoria central, en una operación denominada carga (load) del programa. Después, cuando se ejecuta el programa, cualquier dato a procesar por el programa se debe llevar a la memoria mediante las instrucciones del programa. En la memoria central, hay también datos diversos y espacio temporal que necesita el programa cuando se ejecuta a fin de poder funcionar.
Organización de la memoria: La memoria central de una computadora es una zona de almacenamiento organizada en centenares o millares de unidades de almacenamiento individual, comúnmente conocidas como celdas. La memoria central consta de un conjunto de celdas de memoria (posiciones de memoria), que también se denominan palabras, aunque no “guardan” analogía con las palabras del lenguaje. El número de celdas de memoria de la memoria central, dependiendo del tipo y modelo de computadora puede variar; hoy en día el número suele ser de millones. Cada celda de memoria consta de un cierto número de bits (normalmente 8, un byte).
Tipos de memoria principal: En la memoria principal se pueden distinguir dos tipos de memoria: RAM y ROM. La memoria RAM (Random Access Memory, Memoria de Acceso Aleatorio) almacena los datos e instrucciones a procesar. Es un tipo de memoria volátil (su contenido se pierde cuando se apaga la computadora); esta memoria es, en realidad, la que se suele conocer como memoria principal o de trabajo; en esta memoria se pueden escribir datos y leer de ella. La memoria ROM (Read Only Memory, Memoria de Sólo Lectura) es una memoria permanente en la que no se puede escribir (viene grabada por el fabricante); es una memoria de sólo lectura. Los programas almacenados en ROM no se pierden al apagar la computadora y cuando se enciende, se lee la información almacenada en esta memoria. Al ser esta memoria de sólo lectura, los programas almacenados en los chips ROM no se pueden modificar y suelen utilizarse para almacenar los programas básicos que sirven para arrancar la computadora.
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La unidad elemental de memoria se llama byte (octeto). Un byte tiene la capacidad de almacenar un carácter de información, y está formado por un conjunto de unidades más pequeñas de almacenamiento denominadas bits, que son dígitos binarios (0 ó 1).
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La Unidad Central de Procesamiento (UCP): el procesador. La Unidad Central de Procesamiento, dirige y controla el proceso de información realizado por la computadora. La UCP procesa o manipula la información almacenada en memoria; puede recuperar información desde memoria (esta información son datos o instrucciones: programas). También puede almacenar los resultados de estos procesos en memoria para su uso posterior.
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La UCP consta de dos componentes: Unidad de Control y Unidad Aritmética-Lógica. La Unidad de Control coordina las actividades de la computadora y determina qué operaciones se deben realizar y en qué orden: asimismo controla y sincroniza todo el proceso de la computadora. La Unidad Aritmética-Lógica realiza operaciones aritméticas y lógicas, tales como sumas, restas, multiplicaciones, divisiones y comparaciones. Los datos en la memoria central se pueden leer (recuperar) o escribir (cambiar) por la UCP.
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El microprocesador: Es un chip (un circuito integrado) que controla y realiza las funciones y operaciones con los datos. Se suelen conocer como procesador y es el cerebro y corazón de la computadora. En realidad el microprocesador representa a la Unidad Central de Procesamiento de una computadora. El primer microprocesador comercial, el Intel 4004 fue presentado el 15 de noviembre de 1971. Existen diferentes fabricantes de microprocesadores, como Intel, Zilog, AMD, Motorola, Cyrix, etc.
Memoria externa: almacenamiento masivo. Cuando un programa se ejecuta, se debe situar primero en la memoria central de igual modo que los datos. Sin embargo, la información almacenada en la memoria se pierde (se borra) cuando se apaga o se desconecta de la corriente eléctrica la computadora, y por otra parte la memoria central es limitada en capacidad. Por esta razón, para poder disponer de almacenamiento permanente, tanto para programas como para datos, se necesitan medios o soportes de almacenamiento también conocidos como memoria secundaria, auxiliar o masiva.
La información almacenada en la memoria central es volátil (desaparece cuando se apaga la computadora) mientras que la información almacenada en la memoria externa (masiva) es permanente. La memoria central o principal es mucho más rápida y cara que la memoria externa. Para que la computadora pueda recuperar de cualquiera de los medios de almacenamiento los datos guardados, primero estos deben de ser transferidos a la memoria central, para posteriormente ser procesados.
Referencia: Fundamentos de programación. (s.f.). Introducción a la ciencia de la computación y a la programación [en línea]. Recuperado el 31 de agosto de 2012, de http://www.mcgraw-hill.es/bcv/guide/capitulo/844814645X.pdf Elizalde, Guadalupe (2000). Introducción a los Sistemas Computacionales. Recuperado el 31 de agosto de 2012, de http://www.fismat.umich.mx/~elizalde/curso/node2.html
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Los medios de almacenamiento o memorias auxiliares más comúnmente utilizados son: discos compactos, son soportes ópticos utilizados para almacenar cualquier tipo de información (audio, video, documentos, etc.); tarjeta compact flash, memoria flash USB, discos duros externos, etc.
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