¿Que es una Arquitectura de Computadoras?

Es el diseño conceptual y la estructura operacional fundamental de un sistema de computadoras. ​Es decir, es un modelo y una descripción funcional de los requerimientos y las implementaciones de diseño para varias partes de una computadora, con especial interés en la forma en que la unidad central de proceso(CPU) trabaja internamente y accede a las direcciones de memoria.

También suele definirse como la forma de interconectar componentes de hardware, para crear computadoras según los requerimientos de funcionalidad, rendimiento y costo.

Modelos de arquitectura de computo clásicos:

Arquitecturas Clásicas.
Estas arquitecturas se desarrollaron en las primeras computadoras electromecánicas y de tubos de vacío. Aun son usadas en procesadores empotrados de gama baja y son la base de la mayoría de las arquitecturas modernas

Arquitectura Mauchly-Eckert (Von Newman)

La arquitectura Von Neumann realiza o emula los siguientes pasos secuencialmente:

1) Obtiene la siguiente instrucción desde la memoria en la dirección indicada por el contador de programa y la guarda en el registro de instrucción.

2) Aumenta el contador de programa en la longitud de la instrucción para apuntar a la siguiente.

3) Descodifica la instrucción mediante la unidad de control. Ésta se encarga de coordinar el resto de componentes del ordenador para realizar una función determinada.

4) Se ejecuta la instrucción. Ésta puede cambiar el valor del contador del programa, permitiendo así operaciones repetitivas.

5) Regresa al paso N° 1.

Conclusión:

* La mayoría de las computadoras todavía utilizan la arquitectura Von Neumann, propuesta a principios de los años 40 por John Von Neumann.

* La arquitectura Von Neumann describe a la computadora con 4 secciones principales: la unidad lógica y aritmética (ALU), la unidad de control, la memoria, y los dispositivos de entrada y salida (E/S).

Arquitectura Harvard: Este modelo, que utilizan los Microcontroladores PIC, tiene la unidad central de
proceso (CPU) conectada a dos memorias (una con las instrucciones y otra con los datos) por medio de dos buses diferentes.

Una de las memorias contiene solamente las instrucciones del programa (Memoria de Programa), y la otra sólo almacena datos (Memoria de Datos).

Ambos buses son totalmente independientes lo que permite que la CPU pueda acceder de forma independiente y simultánea a la memoria de datos y a la de instrucciones. Como los buses son independientes estos pueden tener distintos contenidos en la misma dirección y también distinta longitud. Tambien la longitud de los datos y las instrucciones puede ser distinta, lo que optimiza el uso de la memoria en general.

Ventajas de esta arquitectura:

* El tamaño de las instrucciones no esta relacionado con el de los datos, y por lo tanto puede ser optimizado para que cualquier instrucción ocupe una sola posición de memoria de programa, logrando así mayor velocidad y menor longitud de programa.

* El tiempo de acceso a las instrucciones puede superponerse con el de los datos, logrando una mayor velocidad en cada operación.

Arquitecturas De Cómputo Segmentadas

Otra aportación frecuente que aumenta el rendimiento del computador es el fomento del paralelismo implícito, que consiste en la segmentación del procesador (pipe-line), des-componiéndolo en etapas para poder procesar una instrucción diferente en cada una de ellas y trabajar con varias a la vez.La arquitectura en pipeline (basada en filtros) consiste en ir transformando un flujo de datos en un proceso comprendido por varias fases secuenciales, siendo la entrada de cada una la salida dela anterior.Esta arquitectura es muy común en el desarrollo de programas para el intérprete de comandos,ya que se pueden concatenar comandos fácilmente con tuberías (pipe). También es una arquitectura muy natural en el paradigma de programación funcional, ya que equivale a la composición de funciones matemáticas.La arquitectura pipe-line se aplica en dos lugares de la maquina, en la CPU y en la UAL. Veamos en que consiste el pipe-line y tratemos de entender porque el pipe-line mejora el rendimiento de todo el sistema.Veamos una CPU no organizada en pipe-line: Si se trata de una instrucción a ser ejecutada por la ALU podemos decir que la CPU realiza a lo largo del ciclo de maquina estas 5 tareas.Una vez que termina de ejecutar una instrucción va a buscar otra y tarda en ejecutarla un tiempo T, es decir cada T segundos ejecuta una instrucción.

Multiprocesadores

SISTEMAS MULTIPROCESADORES

La técnica de multiprocesamiento consiste en hacer funcionar varios procesadores en forma paralela para obtener un poder de cálculo mayor que el obtenido al usar un procesador de alta tecnología o al aumentar la disponibilidad del sistema (en el caso de fallas del procesador).

Las siglas SMP (multiprocesamiento simétrico o multiprocesador simétrico) hacen referencia a la arquitectura en la que todos los procesadores acceden a la misma memoria compartida.

Un sistema de multiprocesadores debe tener capacidad para gestionar la repartición de memoria entre varios procesadores, pero también debe distribuir la carga de trabajo.

Un multiprocesador puede verse como un computador paralelo compuesto por varios procesadores interconectados que comparten un mismo sistema de memoria.
Los sistemas multiprocesadores son arquitecturas MIMD con memoria compartida. Tienen un único espacio de direcciones para todos los procesadores y los mecanismos de comunicación se basan en el paso de mensajes desde el punto de vista del programador.

CPU (por el acrónimo en inglés de central processingunit) : La unidad central de proceso es el corazón del computador. Controla el flujo de datos, los procesa, y gobierna el secuenciamiento de las acciones en todo el sistema. Para ello necesita un oscilador externo o reloj que sincroniza las operaciones y marca la velocidad de proceso, este va  marcando la evolución del CPU y mide su velocidad de funcionamiento; en forma no afortunada la frecuencia del reloj del CPU viene limitada por la tecnología del CPU y del computador completo ya dependiendo de los periféricos, sus tarjetas graficas, memorias, etc. Por lo tanto, el uso excesivo de los recursos que tenga la computadora puede resultar un sobrecalentamiento que deteriore parcial o totalmente la CPU.

• Memoria:es la responsable del almacenamiento de datos.
• Entrada/Salida:transfiere datos entre el entorno exterior y el computador. En él se encuentran los controladores de periféricos que forman la interfaz entre los periféricos, la memoria y el procesador.
• Sistema de interconexión: Buses; es el mecanismo que permite el flujo de datos entre la CPU, la memoria y los módulos de entrada/salida. Aquí se propagan las señales eléctricas que son interpretadas como unos y ceros lógicos.
• Periféricos:estos dispositivos son los que permiten la entrada de datos al computador, y la salida de información una vez procesada. Un grupo de periféricos puede entenderse como un conjunto de transductores entre la información física externa y la información binaria interpretable por el computador. Ejemplos de estos dispositivos son el teclado, el monitor, el ratón, el disco duro y las tarjetas de red.

 Arquitecturas.

Además de las Arquitecturas clásicas  mencionadas anteriormente, en la actualidad han aparecido Arquitecturas híbridas entre la Von Newman y la Harvard, buscando conservar la flexibilidad, pero mejorando el rendimiento.

Esta escuela pretende aplicar un enfoque totalmente distinto al tradicional hasta entonces, que pasó a conocerse como computadoras de conjunto complejo de instrucciones (CISC) para diferenciarla de la nueva tendencia.

Se implementan instrucciones especiales que realizan funciones complejas, de manera que un programador puede encontrar con seguridad, una instrucción especial que realiza en hardware la función que el necesita.

CISC vs RISC

La diferencia entre cisc y risc empieza a ser evidente por medio de la ecuación básica de la eficiencia en cómputo:

Memoria

            En la memoria se almacena el programa y los datos que va a ejecutar el CPU. Las instrucciones son códigos binarios interpretados por la unidad de control, los datos de igual manera se almacenan de forma binaria.

Las diversas tecnologías de almacenamiento, dependen del tiempo de acceso a los datos; por lo tanto se realiza un diseño jerárquico de la memoria del sistema para que esta pueda acceder rápidamente a los datos. El principio de que sea más rápida la memoria haciendo que tenga velocidades similares al CPU, sirve para diseñar el sistema de memoria.

Entrada/Salida

Como sabemos una computadora tiene dispositivos de entrada y salida como son los que contiene el gabinete, disco duro, placa madre, unidades de CD o DVD, etc. El problema principal que existe entre ellos es su tecnología y que tienen características diferentes a los del CPU, estos también necesitan una interfaz de cómo se van a entender con el CPU, al igual que el procesador y el controlador periférico para intercambiar datos entre la computadora.

Si tienes alguna duda puedes dar clic y ver este vídeo:

 

Referencias:

Ruiz Mendoza Minerva, julio/2009, información recuperada el día 05/02/2018 de http://m0640064.blogspot.mx/2009/07/sistemas-multiprocesadores-un.html

Rodriguez Soriano Luis H, Universidad Veracruzana,2010, información recuperada el día 05/02/2018 de https://sites.google.com/site/computadorasarquitectura/home/unidad1

sin autor, noviembre/2014, información recuperada el día 05/02/2018 de http://itcv-arquitectura-de-computadoras.blogspot.mx/2014/11/12-analisis-de-los-componentes.html

Beck , marzo/2012, información recuperada el día 05/02/2018 de http://berenicebeck.blogspot.mx/2012/03/analisis-de-componentes.html