Arquitectura de computadoras

Arquitectura de computadoras

Es la estructura y diseño interno de las computadoras, incluyendo sus componentes hardware y cómo interactúan para realizar tareas de procesamiento de datos.

Arquitectura CISC (Complex Instruction Set Computer)

Dispositivos de entrada y salida

Arquitectura RISC (Reduced Instruction Set Computer)

Von Neumann

Arquitectura Harvard

1. Teclado
2. Ratón
3. Trackpad
4. Escáner
5. Cámara Web
6. Micrófono
7. Controladores de Juegos

Es el modelo clásico de arquitectura de computadoras, donde tanto los datos como las instrucciones se almacenan en la misma memoria y se procesan secuencialmente. Tiene una unidad de control y una unidad aritmético-lógica (ALU) para ejecutar instrucciones.

Similar al modelo de Von Neumann, pero con memoria separada para datos e instrucciones. Esto permite la recuperación de instrucciones y datos simultáneamente, mejorando la eficiencia en ciertos casos.

Se caracteriza por un conjunto de instrucciones más pequeño y simple, lo que facilita la decodificación y ejecución más rápida de instrucciones. Suelen tener ciclos de instrucción más cortos

En contraste con RISC, las computadoras CISC tienen un conjunto de instrucciones más amplio y complejo. Cada instrucción CISC puede realizar múltiples operaciones, lo que puede reducir la cantidad total de instrucciones necesarias para un programa.

1. Monitor
2. Impresora
3. Altavoces
4. Proyector
5. Controladores de Videojuegos

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Monitor: Similar a una pantalla, muestra la salida visual de una computadora o dispositivo. Impresora: Produce copias físicas de documentos en papel. Hay varios tipos de impresoras, como impresoras láser, de inyección de tinta y matriciales. Altavoces: Reproducen sonidos y audio generados por la computadora, como música, efectos de sonido y diálogos. Proyector: Muestra la salida de una computadora en una superficie más grande, como una pantalla o una pared. Controladores de Videojuegos: Utilizados para interactuar con videojuegos y aplicaciones interactivas, proporcionando una experiencia de salida única.

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RISC (Reduced Instruction Set Computer) es un enfoque de diseño de procesadores que se centra en la simplificación y optimización de las instrucciones para lograr un rendimiento más eficiente. En contraste con la arquitectura CISC (Complex Instruction Set Computer), que se caracteriza por tener un conjunto de instrucciones más amplio y complejo, la arquitectura RISC busca reducir la complejidad de las instrucciones a un conjunto básico y rápido de operaciones.

• Instrucciones Simples y Básicas: En la arquitectura RISC, las instrucciones se mantienen simples y básicas, realizando operaciones muy específicas y limitadas. Esto permite una decodificación más rápida y una ejecución más eficiente de las instrucciones.
• Mayor Número de Registros: Los procesadores RISC suelen tener un mayor número de registros de propósito general en comparación con los procesadores CISC. Estos registros se utilizan para almacenar datos temporalmente durante las operaciones.
• Ciclo de Instrucción Fijo: En muchos diseños RISC, se busca lograr un ciclo de instrucción de longitud fija, lo que facilita la predicción de saltos y mejora la eficiencia del procesamiento.
• Pipeline Optimizado: La arquitectura RISC se presta bien para la implementación de pipelines, que permiten la ejecución parcialmente superpuesta de múltiples instrucciones.
• Ejecución en un Ciclo: Idealmente, las instrucciones RISC se diseñan para ejecutarse en un solo ciclo de reloj, lo que proporciona un rendimiento más predecible y rápido.
• Compiladores Importantes: El diseño RISC se basa en gran medida en la capacidad de los compiladores para optimizar el código fuente y aprovechar al máximo las instrucciones simples. Esto significa que una parte importante del trabajo de mejora de rendimiento recae en el compilador.
• Enfoque en Rendimiento: La arquitectura RISC se centra en ofrecer un rendimiento rápido para operaciones específicas, lo que puede ser beneficioso para aplicaciones que requieren cálculos intensivos, como la computación científica y el procesamiento de señales.
• Reducción del Hardware Complejo: La simplificación de las instrucciones en la arquitectura RISC puede conducir a una reducción en el hardware complejo necesario para implementar instrucciones CISC más complejas.
• Uso Eficiente de la Memoria: La arquitectura RISC tiende a favorecer el acceso a memoria utilizando instrucciones específicas, lo que permite un mayor control y optimización de la administración de memoria.

La arquitectura CISC (Complex Instruction Set Computer) es un enfoque de diseño de procesadores que se caracteriza por tener un conjunto de instrucciones amplio y complejo. A diferencia de la arquitectura RISC (Reduced Instruction Set Computer), que se centra en instrucciones simples y básicas, la arquitectura CISC permite a los programadores realizar operaciones más complejas en una sola instrucción.

• Instrucciones Complejas: En la arquitectura CISC, las instrucciones son más ricas y abarcan una variedad de operaciones. Una sola instrucción CISC puede realizar múltiples operaciones, como cargar un valor desde memoria, realizar una operación aritmética y almacenar el resultado en memoria.
• Número Reducido de Registros: En comparación con la arquitectura RISC, la arquitectura CISC suele tener un número menor de registros de propósito general.
• Modos de Dirección Flexibles: Las instrucciones CISC pueden admitir varios modos de direccionamiento, lo que brinda flexibilidad en cómo se accede a los datos y las instrucciones en memoria.
• Optimización por Hardware: La complejidad de las instrucciones CISC a menudo requiere un hardware más complejo para implementarlas eficientemente, incluida la decodificación y ejecución de instrucciones.
• Mayor Uso de Memoria: Dado que las instrucciones CISC pueden ser más complejas, pueden requerir más espacio en memoria. Esto puede ser un factor importante en aplicaciones con limitaciones de memoria.
• Enfoque en la Programación en Lenguaje de Ensamblaje: La arquitectura CISC se diseñó en parte para facilitar la programación en lenguaje de ensamblaje, permitiendo a los programadores escribir instrucciones más poderosas y expresivas en un solo paso.
• Variedad de Modos de Operación: Los procesadores CISC a menudo tienen varios modos de operación que permiten realizar diferentes tareas de manera eficiente. Esto puede incluir modos de usuario, supervisor y otros modos especiales.
• Compiladores Importantes: A diferencia de la arquitectura RISC, donde gran parte de la optimización recae en el compilador, los procesadores CISC tienden a confiar más en el hardware para ejecutar instrucciones complejas.
• Compatibilidad con Software Existente: La arquitectura CISC ha evolucionado con el tiempo, y muchos sistemas todavía utilizan procesadores CISC para garantizar la compatibilidad con software heredado.

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Teclado: Permite introducir caracteres alfanuméricos, números y comandos mediante la pulsación de teclas. Ratón: Facilita la interacción con la computadora mediante movimientos y clics. Puede utilizarse para seleccionar, arrastrar y soltar elementos en la pantalla. Trackpad: Similar al ratón, pero incorporado en laptops y dispositivos móviles, se controla con gestos táctiles. Escáner: Convierte documentos impresos en imágenes digitales. Puede ser plano o de alimentación automática. Cámara Web: Captura video y audio para videoconferencias, transmisiones en vivo y otros fines. Micrófono: Convierte el sonido en señales eléctricas que se pueden procesar en la computadora. Controladores de Juegos: Joysticks, volantes y otros dispositivos para interactuar con videojuegos y simulaciones.

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La arquitectura Harvard es otro modelo de diseño de computadoras que se desarrolló paralelamente a la arquitectura de Von Neumann. Esta arquitectura se caracteriza por tener memoria separada para instrucciones y datos, lo que puede permitir un acceso más rápido y eficiente a ambos tipos de información.

• Memoria Separada: En la arquitectura Harvard, la memoria se divide en dos partes distintas: una para almacenar instrucciones (memoria de programa) y otra para almacenar datos (memoria de datos). Esto permite que la CPU acceda a instrucciones y datos de forma independiente y simultánea, lo que puede mejorar la velocidad de ejecución en comparación con la arquitectura de Von Neumann.
• Unidad de Control y ALU: Al igual que en la arquitectura de Von Neumann, la arquitectura Harvard también tiene una Unidad de Control (UC) y una Unidad Aritmético-Lógica (ALU) que realizan funciones similares.
• Ciclo de Instrucción: En la arquitectura Harvard, el ciclo de instrucción es similar al de Von Neumann, pero la separación de memorias permite que la CPU busque simultáneamente una instrucción y un dato durante la fase de búsqueda.

Aplicaciones: La arquitectura Harvard se utiliza a menudo en sistemas embebidos y en dispositivos especializados donde la velocidad y la eficiencia son críticas, como en algunos controladores de microcontroladores y sistemas de procesamiento de señales. La arquitectura Harvard se encuentra en procesadores como el Harvard Mark I, algunas variantes de la arquitectura ARM, y en microcontroladores como el PIC (Peripheral Interface Controller) de Microchip.

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La arquitectura de Von Neumann es un modelo fundamental en la historia de las computadoras y sirvió como base para el diseño de la mayoría de las máquinas modernas. Fue propuesta por el matemático y científico John von Neumann a principios de la década de 1940. La arquitectura de Von Neumann se caracteriza por su enfoque en la organización y el flujo de datos dentro de una computadora.

• Unidad Central de Procesamiento (CPU): La CPU es el cerebro de la computadora y ejecuta instrucciones. Consiste en dos componentes principales: la Unidad de Control y la Unidad Aritmético-Lógica (ALU).
• Memoria: En este modelo, tanto los datos como las instrucciones se almacenan en la misma memoria. La memoria es direccionalmente accesible, lo que significa que se pueden acceder a ubicaciones específicas mediante direcciones.
• Unidad de Control (UC): Es responsable de interpretar las instrucciones almacenadas en la memoria y coordinar las operaciones de la CPU. Controla el flujo de datos entre la memoria, la ALU y los dispositivos de entrada/salida.
• Unidad Aritmético-Lógica (ALU): Realiza operaciones aritméticas (como suma y resta) y operaciones lógicas (como AND, OR, NOT) en los datos. Es la parte que realiza los cálculos y las manipulaciones de datos.
• Buses: La arquitectura de Von Neumann utiliza tres tipos de buses para la transferencia de datos: el bus de datos (para mover datos entre la memoria y la ALU), el bus de direcciones (para indicar la ubicación en memoria) y el bus de control (para señales de control entre las diferentes unidades).
• Ciclo de Instrucción: El procesador sigue un ciclo de instrucción básico que consta de cuatro pasos: buscar (fetch), decodificar (decode), ejecutar (execute) y escribir (write-back). Durante el ciclo, se obtiene una instrucción de memoria, se decodifica para determinar la operación a realizar, se ejecuta y, si es necesario, se escriben los resultados nuevamente en la memoria.
• Principio de Almacenamiento: Este modelo sigue el principio de almacenamiento de programa en el que tanto los datos como las instrucciones se almacenan en memoria y se tratan de la misma manera.

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