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| Esquema de la Arquitectura propuesta por John Von Neumann |
En la actualidad se utilizan dos tipos principales de ordenadores: Analógicos y digitales. Sin embargo, el termino ordenador suele utilizarse para referirse exclusivamente al tipo digital.
Existen muchas opciones opciones posibles a la hora de diseñar un ordenador digital. En la actualidad, la mas aceptada es la denominada arquitectura Von Neumann propuesta por el matemático húngaro John Von Neumann en 1945. Esta arquitectura consta de las siguientes partes:
- Unidad de Memoria (UM)
- Unidad Central de Proceso (CPU) o microprocesador
- Unidad de control (UC)
- Unidad Aritmético-Lógica (UAL)
- Unidad de Entrada/Salida (UE/S)
Unidad de memoria
La unidad de gestión de memoria (MMU, del inglés Memory Management Unit) es un dispositivo de Hardware formado por un grupo de circuitos integrados, responsable del manejo de los accesos a la memoria por parte de la Unidad de Procesamiento Central (CPU).
Entre las funciones de este dispositivo se encuentran la traducción de las direcciones lógicas (o virtuales) a direcciones físicas (o reales), la protección de la memoria, el control de caché y, en arquitecturas de computadoras más simples (especialmente en sistemas de 8 bits), Bank switching.
Cuando la CPU intenta acceder a una dirección de memoria lógica, la MMU realiza una búsqueda en una memoria caché especial llamada Buffer de Traducción Adelantada (TLB, Translation Lookaside Buffer), que mantiene la parte de la tabla de páginas usada hace menos tiempo. En esta memoria se mantienen entradas de la tabla de páginas (llamadas PTE por sus siglas en inglés, Page Table Entry), donde se pueden rescatar las direcciones físicas correspondientes a algunas direcciones lógicas, de forma directa. Cuando la dirección requerida por la CPU se encuentra en el TLB, su traducción a dirección real o física es entregada, en lo que se conoce como 'acierto en el TLB' ('TLB hit'). En otro caso, cuando la dirección buscada no se encuentra en el TLB (fallo en el TLB), el procesador busca en la tabla de páginas del proceso utilizando el número de página como entrada a la misma. En la entrada de la tabla de páginas del proceso se encuentra un bit de presencia, que indica si la página buscada está en memoria principal. Si el bit de presencia está activado, se carga esta PTE en el TLB y se devuelve la dirección física. En caso contrario, se informa al sistema operativo de la situación, mediante un fallo de página. Es el sistema operativo el encargado de realizar los ajustes necesarios (esto es, cargar la página en memoria física) usando uno de los Algoritmos de reemplazo de páginas, para continuar con la ejecución desde la instrucción que causó el fallo.
Un beneficio fundamental de la MMU es la posibilidad de implementar protección de memoria, evitando que los programas accedan a porciones de memoria prohibidas. Por ejemplo se puede evitar que un programa acceda o modifique sectores de memoria de otros programas.
Los tipos de memorias existentes son los siguientes:
| Nivel | Memoria | Velocidad | Capacidad |
|---|---|---|---|
| 4 | Auxiliar | < 10 KHz | GB a EB |
| 3 | Secundaria | > 100 KHz | GB a EB |
| 2 | Principal | > 66 MHz | MB a GB |
| 1 | Cache | > 200 MHz | KB a MB |
| 0 | Registros | > 1GHz | bit |
- Auxiliar: Esta memoria se usa como soporte de respaldo de información, pudiendo situarse en medios extraibles o en red.
- Secundaria: También llamada memoria de disco. Se utiliza para almacenar información de forma permanente por lo que es de alta capacidad.
- Principal: Conocida también como memoria RAM. Es el bloque que constituye realmente la unidad de memoria (UM). Se emplea para almacenar datos y programas de forma temporal.
- Caché: Memoria intermedia entre la UM y la CPU usada como apoyo para acelerar los accesos de la CPU a la UM. la chaé en realidad está dispuesta en varios niveles (L1, L2, L3, L4). En función de la frecuencia de uso, la información se va moviendo entre los diferentes niveles de la caché antes de abandonarla.
- Registros: Son memorias de alta velocidad y baja capacidad utilizadas para el almacenamiento intermedio de datos en las unidades funcionales, especialmente en la UC y la UAL.
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| Diferentes modelos de memoria RAM |
- Lectura (L) con la que se accede a la información que contiene.
- Escritura (E) con la que se introduce información en la memoria.
Unidad central de proceso (CPU) o microprocesador.
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| Microprocesador Intel core i5 |
- Unidad Aritmético-Lógica (UAL)
- Unidad de control (UC)
-Circuito de control (Formado por un decodificador y un secuenciador)
-Reloj
-Registros
- Su propia memoria integrada que no es la RAM
Unidad de Entrada/Salida (UE/S)
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| Imagen con diferentes componentes de entrada y salida de un ordenador |
Los dispositivos de E/S están formados por una parte mecánica y una parte electrónica, esta última se denomina controlador de dispositivo y generalmente la interfaz entre ambas partes es de bajo nivel.
DISPOSITIVOS DE ENTRADA: son aquellos dispositivos externos de hardware que tienen componentes situados fuera de la computadora, a la que pueden dar información y/o instrucciones.
DISPOSITIVOS DE SALIDA: son aquellos dispositivos que permiten ver resultados del proceso de datos que realice la computadora (salida de datos). El mas común es la pantalla o monitor, aunque también están las impresoras (imprimen los resultados en papel), los trazadores gráficos o plotters, las bocinas, etc.
Fuentes:
- Apuntes proporcionados en clase
- Wikipedia: Unidad de memoria
- Wikipedia: Unidades de entrada y salida
- Dead Bits: Explicación de la arquitectura Von Neumann
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