La operación de la mayoría de los sistemas de computación, incluyendo los IBM PCs y compatibles, están basados en un sencillo concepto: almacenar instrucciones y datos en memoria y usar el CPU para ejecutar repetitivamente estas instrucciones y manipular la información almacenada. Las computadoras basadas en este principio son conocidas como máquinas de Von Neumann. De esto se deduce, que el CPU y la memoria son los componentes más importantes de un computador.
En un computador, usualmente vamos a encontrar dos tipos de memoria: memoria de acceso al azar (RAM) la cual permite operaciones de escritura y lectura en cualquier posición de la misma, y memoria de sólo lectura (ROM), la cual contiene información que puede ser leída pero no alterada. La ROM es usada para almacenar rutinas de bajo nivel diseñadas para la ejecución de tareas específicas, tales como el manejo de los dispositivos de E/S. La RAM es usada por el sistema operativo y los programas del usuario.
El sistema operativo es un componente crucial en un sistema. Este programa se encarga de cargar y ejecutar otros programas, proveer acceso a los archivos del sistema, controlar los periféricos e interactuar con el usuario. El sistema operativo es quien le da a un sistema su personalidad. El MS-DOS, UNIX y OS/2 son ejemplos de sistemas operativos para la familia de PCs.
Los componentes del hardware de un sistema están interconectados. El CPU, la memoria y los dispositivos de E/S están unidos por un conjunto de conductores llamados buses. El propósito de cada conductor está claramente definido. Los buses establecen estándares acerca de los niveles y sincronización de las señales, que son entendidos por el CPU y la circuitería de soporte. Los buses puede ser divididos según su propósito en tres: bus de dato, bus de direcciones y bus de control.
Arquitectura fundamental de un computador.
Todo computador digital consta de cuatro partes bien definidas: Unidad Central de Procesamiento (CPU), Memoria, Periféricos y Buses.
Arquitectura fundamental de un computador.
Unidad Central de Procesamiento.
La CPU es quien crea y controla el flujo de datos, que circula por el computador a partir de las instrucciones recibidas de la memoria, que sirven para indicar las operaciones o tratamiento a realizar sobre los datos recibidos desde el exterior o previamente almacenados en la memoria. La misma consta de dos partes: la Unidad de Control y la Unidad Aritmético-Lógica (ALU).
Unidad de Control.
La Unidad de Control recibe secuencialmente las instrucciones desde la memoria, a través del bus de datos, almacenándolas en el registro de instrucciones (IR). Desde IR las instrucciones pasan al decodificador de instrucciones, el cual se encarga de interpretarlas y producir una serie de impulsos de gobierno y control.
Estos impulsos regulan a los elementos de la máquina, que participan en la ejecución de la instrucción.
La Unidad de Control, además de descodificar las instrucciones y de generar los impulsos de control, incrementa sincrónicamente un contador, llamado contador de programa (PC) cada vez que se ejecuta una instrucción, con objeto de que quede señalando a la siguiente instrucción.
Estructura interna de la Unidad de Control.
Unidad aritmético-lógica.
La Unidad aritmético-lógica (ALU) es la encargada del procesamiento lógico y aritmético de los datos, según el carácter que determine cada instrucción.
Esquema interno de la Unidad Aritmético-Lógica.
Memoria.
El programa o secuencia de instrucciones, que debe seguir la máquina para realizar el procesamiento de los datos, está almacenado en una parte de la memoria, denominada memoria o segmento de instrucciones para diferenciarla del resto de la misma, que se emplea para guardar datos y resultados en forma temporal.
La información, que recibe la memoria a través del bus de direcciones, es un conjunto de bits lógicos, tantos como líneas tenga el bus, que seleccionan la posición de memoria a la que se accede. El decodificador de direcciones se encarga de elegir una posición de la matriz de la memoria, descodificando la información que ha llegado por el bus de direcciones. Como generalmente la memoria está constituida físicamente por mas de un chip, será tarea del decodificador de direcciones habilitar al chip correspondiente. En una computadora encontraremos dos tipos de memoria: de sólo lectura (ROM) y de acceso al azar (RAM).
Memoria ROM.
La memoria ROM (Read Only Memory) o memoria de sólo lectura también permite el acceso directo a cada uno de los elementos que la componen, pero la información en ella contenida puede ser leída pero no alterada. Debido a que conserva la información, aún en el caso de ausencia de energía, se usa para almacenar las rutinas de mas bajo nivel, que sirven para el arranque del sistema.
Memoria RAM.
La memoria RAM (Random Access Memory) o memoria de acceso al azar debe su nombre al hecho de permitir el acceso a cualquiera de las localidades de memoria en forma directa, en contraste con las memorias de acceso secuencial en las cuales para acceder al N-ésimo elemento, era necesario acceder previamente a los N-1 elementos anteriores; pero su característica más importante es la de que la información contenida en cada una de las localidades puede ser leída y/o alterada. En ella se va a almacenar, por lo tanto, el sistema operativo y los programas del usuario, así como la información temporal que estos manejen. A la memoria RAM se le suele llamar memoria volátil, por el hecho de que la información en ellas almacenada, se pierde en ausencia de energía.
Periféricos.
Son los encargados de enviar y/o recoger información del mundo externo a la computadora e intercambiarla con la unidad central de procesamiento a través de la unidad de entradas y salidas.
Buses.
Los buses no son más que los conductores que interconectan cada una de la partes que componen al computador. A través de ellos viaja información que según su función permite clasificarlos en tres tipos: bus de Datos, bus de Direcciones y bus de Control.
Bus de datos.
El bus de datos se encarga de transferir información entre el CPU, la memoria y los periféricos. Es bidireccional, ya que la información puede fluir en ambos sentidos, es decir, desde o hacia el microprocesador.
Bus de direcciones.
El bus de direcciones permite seleccionar la localidad de memoria o el periférico que el CPU desea accesar. Este bus es unidireccional ya que la información a través de él siempre fluye desde el microprocesador.
Bus de control.
En el Bus de Control se encuentran las diferentes señales encargadas de la sincronización y control del sistema. Su naturaleza es unidireccional aun cuando existen señales que salen del microprocesador así como otras que entran al microprocesador. Ejemplos de las señales de control son:
WR (escritura)
RD (lectura)
WAIT (espera)
READY (listo), etc.
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