Organización Informática | arquitectura Von Neumann

Históricamente ha habido 2 tipos de Computadoras: 

1. Computadoras de programa fijo: su función es muy específica y no se pueden programar, por ejemplo, las calculadoras. 
2. Computadoras de programa almacenado: se pueden programar para realizar muchas tareas diferentes, las aplicaciones se almacenan en ellas, de ahí el nombre. 

Las computadoras modernas se basan en un concepto de programa almacenado introducido por John Von Neumann. En este concepto de programa almacenado, los programas y los datos se almacenan en una unidad de almacenamiento separada llamada memorias y se tratan de la misma manera. Esta idea novedosa significaba que una computadora construida con esta arquitectura sería mucho más fácil de reprogramar. 

La estructura básica es como, 

También se conoce como computadora IAS y tiene tres unidades básicas:  

1. La Unidad Central de Procesamiento (CPU) 
2. La unidad de memoria principal 
3. El dispositivo de entrada/salida 

Considerémoslos en detalle. 

• Unidad de control: 
  una unidad de control (CU) maneja todas las señales de control del procesador. Dirige todo el flujo de entrada y salida, obtiene el código para obtener instrucciones y controla cómo se mueven los datos por el sistema. 
• Unidad aritmética y lógica (ALU): 
  la unidad aritmética y lógica es la parte de la CPU que maneja todos los cálculos que la CPU puede necesitar, por ejemplo, sumas, restas, comparaciones. Realiza operaciones lógicas, operaciones de cambio de bits y operaciones aritméticas. 

Figura: estructura básica de la CPU, que ilustra ALU 

• Unidad de memoria principal (Registros) – 
  1. Acumulador: Almacena los resultados de los cálculos realizados por ALU. 
  2. Contador de programa (PC): Realiza un seguimiento de la ubicación de la memoria de las próximas instrucciones a tratar. Luego, la PC pasa esta siguiente dirección al registro de direcciones de memoria (MAR). 
  3. Registro de direcciones de memoria (MAR): almacena las ubicaciones de memoria de las instrucciones que deben recuperarse de la memoria o almacenarse en la memoria. 
  4. Registro de datos de memoria (MDR): almacena instrucciones extraídas de la memoria o cualquier dato que se transferirá y almacenará en la memoria. 
  5. Registro de instrucción actual (CIR): almacena las instrucciones obtenidas más recientemente mientras espera ser codificada y ejecutada. 
  6. Registro de búfer de instrucciones (IBR): la instrucción que no se va a ejecutar inmediatamente se coloca en el registro de búfer de instrucciones IBR. 
      
• Dispositivos de entrada/salida: el programa o los datos se leen en la memoria principal desde el dispositivo de entrada o el almacenamiento secundario bajo el control de las instrucciones de entrada de la CPU. Los dispositivos de salida se utilizan para enviar la información desde una computadora. Si algunos resultados son evaluados por computadora y se almacenan en la computadora, entonces, con la ayuda de dispositivos de salida, podemos presentárselos al usuario. 
• Buses: los datos se transmiten de una parte de una computadora a otra, conectando todos los componentes internos principales a la CPU y la memoria, por medio de buses. Tipos: 
  1. Bus de datos: transporta datos entre la unidad de memoria, los dispositivos de E/S y el procesador. 
  2. Bus de direcciones: lleva la dirección de los datos (no los datos reales) entre la memoria y el procesador. 
  3. Bus de control: transporta comandos de control desde la CPU (y señales de estado de otros dispositivos) para controlar y coordinar todas las actividades dentro de la computadora. 

Cuello de botella de Von Neumann: 
hagamos lo que hagamos para mejorar el rendimiento, no podemos eludir el hecho de que las instrucciones solo se pueden hacer una a la vez y solo se pueden llevar a cabo secuencialmente. Ambos factores frenan la competencia de la CPU. Esto se conoce comúnmente como el ‘cuello de botella de Von Neumann’. Podemos proporcionar un procesador Von Neumann con más caché, más RAM o componentes más rápidos, pero si se van a obtener ganancias originales en el rendimiento de la CPU, entonces se debe realizar una inspección influyente de la configuración de la CPU. 

Esta arquitectura es muy importante y se utiliza en nuestras PC e incluso en las Super Computadoras.