Von Neumman

Realizado por: Brandon Alexis Molina OrtegaJesus Manuel Ramos Sotelo

La arquitectura de von Neumman

Evaluación de Arquitecturas de Computadoras

Dato Curioso

Un dato curioso sobre la arquitectura de von Neumann es que fue diseñada para ser altamente flexible y permitir la ejecución de programas almacenados en la misma memoria que los datos. Esto significa que tanto las instrucciones como los datos pueden ser manipulados de la misma manera, lo que facilita la programación y el desarrollo de software. Esta característica es fundamental en casi todas las computadoras modernas y ha permitido el desarrollo de sistemas complejos y potentes.

Picale

Concepto

La arquitectura de von Neumman es un diseño que usa una memoria para almacenar instrucciones y datos. Éste tipo de máquina es la implementación de una máquina de Turing y la visión de una arquitectura secuencial en lugar de paralela.

Cuello de botella

La separación de la memoria y la CPU acarreó un problema denominado Neumann bottleneck (cuello de botella de Neumann). Esto se debe a que la cantidad de datos que pasa entre estos dos elementos difiere mucho en tiempo con las velocidades de ellos (throughput) por lo cual la CPU puede permanecer ociosa.

Cómo se organiza un ordenador Von Neumann

Indistintamente de si es una consola, un PC o un smartphone, todos estos tienen una estructura igual. Todos estos dispositivos comparten diferentes elementos, como son:

• Unidad de Control: Es la encargada de las etapas de captación y descodificación del ciclo de instrucción.
• Unidad lógico-aritmética o ALU: Se encarga de realizar las operaciones matemáticas y de lógica que requieren los programas.
• Memoria: Tiene la tarea de almacenar el programa, la cual la conocemos como memoria RAM.
• Dispositivo de entrada: Elementos que nos permiten comunicarnos e interactuar con el ordenador.
• Dispositivo de Salida: Puntos desde los cuales el ordenador se puede comunicar con nosotros.

Limitaciones de la arquitectura Von Neumann

La principal desventaja de la arquitectura Von Neumann respecto a las Harvard es que utiliza un pozo de RAM único en el que almacenan instrucciones y datos. Por lo que compran un mismo bus de datos y direccionamiento. Por lo que las instrucciones y los datos han de ser captados de manera secuencial desde la memoria al mismo tiempo. Este es el llamado cuello de botella de Von Neumann. Es por ello que los diferentes microprocesadores tienen la caché más cercana al procesador, dividida en dos tipos, una para datos y otra para instrucciones. Así que, como veis, tampoco es una solución perfecta, pero sí la que más se acerca.En los años recientes, las velocidades de los procesadores ha ido aumentando de manera mucho más rápida que la memoria RAM, por lo que se ha aumentado el tiempo en que los datos tardan en ser comunicados desde hacia la memoria. Lo que ha obligado a desarrollar soluciones para paliar este problema, producto del cuello de botella de Von Neumann.

¿Por qué es la empleada en CPU y GPU?

El motivo principal es el hecho que aumentar la cantidad de buses significa aumentar el perímetro del propio procesador, ya que para comunicarse con la memoria externa es necesario que la interfaz se encuentre en la parte exterior del mismo. Esto lleva a procesadores mucho más grandes y mucho más caros. Por lo que el principal motivo por el cual la arquitectura Von Neumann se ha estandarizado es por los costes.El segundo motivo es que se necesita que los dos pozos de memoria estén sincronizados para que un una instrucción no se aplique a un dato erróneo. Lo que lleva a tener que crear sistemas de coordinación entre ambos pozos de memoria. Eso sí, buena parte de los cuellos de botella se eliminarían al separar ambos buses. Pero tampoco reduciría del todo el cuello de botella de Von Neumann.

Conclusion

La arquitectura de von Neumann ha sido fundamental en el desarrollo de la computación moderna. Su diseño, que permite almacenar programas e instrucciones en la misma memoria que los datos, ha facilitado la creación de software más complejo y versátil. A pesar de sus limitaciones, como el "cuello de botella de von Neumann" en el acceso a la memoria, su influencia perdura en la mayoría de las computadoras actuales. Esta arquitectura estableció las bases para la evolución de la informática, convirtiéndose en un pilar esencial en la manera en que operan los sistemas computacionales hoy en día.

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Ejemplo

El símil más claro para entenderlo es el de un coche: no todos los coches son iguales, pero todos ellos comparten una serie de elementos con una función e interacción específica, creando un sistema más complejo que es el coche. Dicho de otra manera, todos los coches tienen cuatro ruedas, un chasis, asientos, volante, frenos, acelerador, etc., sean de la marca que sean y tengan el precio que tengan. Un 600 y un Ferrari comparten estos mismos denominadores comunes.