Organización, estructura y arquitectura de computadoras

1.5.
Organización, estructura y arquitectura de computadoras
La Gráfica siguiente muestra la descomposición de la tecnología de
información en los elementos que la conforman:
Figura 1.4. Elementos que integran a la Tecnología de Información.
Los componentes de la Tecnología de Información son una colección de
elementos que constantemente sufren cambios, así como una amplia y
significativa aplicación en los sectores que los emplean. Esta colección se
constituye de:
1
1. Hardware. Unidad Central de Procesamiento y equipos
periféricos (discos, cintas, modem, cables). En una operación,
una computadora emplea tanto el hardware como el software
para su funcionamiento. El uno no sirve sin el otro. El diseño
del hardware especifica los comandos que pueden seguir y las
instrucciones que le dicen qué hacer.
2. Software. Instrucciones que emplea el CPU para realizar
ciertas tareas o procedimientos, también se le conoce como
programa o programa de software. Las dos categorías
principales
son
software
de
sistemas
y
software
de
aplicaciones.
3. Redes de Trabajo (Networks). Diseño de un sistema de
comunicaciones, que incluye el hardware, el software, los
métodos
1
de
acceso
y los
protocolos
empleados.
En
Scott Morton, Michael S.: The Corporation of the 1990s: IT Organizational Transformation,
Sloan School of Management, MIT, Oxford University Press, Cambridge, USA, 1991, p.34
comunicaciones, son los canales de transmisión que permiten
interconectar equipos de cómputo entre sí (hardware),
requieren de un programa que les permita configurar y
establecer
las
direcciones
o
rutinas
para
transferir
adecuadamente los datos (software). También se define el
método de control, ya que existen equipos que pueden ser
monitoreados por otras computadoras a través de la red.
Permiten una flexibilidad de conexión a redes externas.
4. Estaciones de Trabajo (Workstations).
Minicomputadoras de alto rendimiento para un sólo usuario,
estos equipos cuentan con ambientes gráficos en los que se
puede aplicar CAD. También se emplean para compartir
bases de datos en una red.
5. Robótica. Sistemas computacionales híbridos independientes
que realizan actividades físicas y de cálculo. Los robots son
dispositivos de múltiple movimiento con uno o más brazos y
articulaciones capaces de realizar una diversidad de tareas
similares al ser humano. Actualmente se aplican en la
manufactura de productos, talleres mecánicos, industria
automotriz, reactores nucleares, entre otras.
6. Chips de Alta Capacidad. Son usados en productos para
incrementar su funcionalidad y exactitud. Se componen de
varios millones de componentes electrónicos, basados en
transistores, o resistencias. El material con el que se crean es
silicio y es el principal componente de la tecnología de
información, cuenta con una evolución multiplicadora en sus
innovaciones.
1.5.1.
2
Arquitectura de computadoras
Es el diseño conceptual y la estructura operacional fundamental de un sistema
de computadora. 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 seleccionar e interconectar
componentes de hardware para crear computadoras según los requerimientos
de funcionalidad, rendimiento y costo.
La arquitectura de computadoras consiste en aquellos atributos visibles al
programador, el conjunto de instrucciones, el número de bits usados para
representar datos, mecanismos de E/S, técnicas de direccionamiento de
memoria. Otro enfoque de arquitectura de computadoras se resume en la
siguiente ecuación:
Arquitectura
de
computadoras
=
Conjunto
de
instrucciones
+
organización + implementación. O lo que es lo mismo, la arquitectura es el
conjunto de instrucciones más la forma en que está organizada la maquina mas
la implementación.
La arquitectura del conjunto de instrucciones son aquellas
visibles al
programador y al mismo tiempo la frontera (o nivel medio) entre el software y
hardware. Por ejemplo, lo que conocemos como Intel.
La organización de la máquina se refiere a las unidades funcionales y sus
interconexiones, que dan lugar a especificaciones arquitectónicas, incluyen los
aspectos de alto nivel del diseño de una computadora, detalles de Hardware
transparentes al programador como son diseño del CPU, señales de control,
tecnologías de memoria, estructuras del bus, interfases entre computadora y
periféricos.
2
http://es.wikipedia.org/wiki/Arquitectura_de_computadores Wikipedia, Agosto, 2007.
1.5.2.
Conjunto de instrucciones de la Arquitectura
Un conjunto de instrucciones, o repertorio de instrucciones, o ISA (del inglés
Instruction Set Architecture, Arquitectura del Conjunto de Instrucciones) es una
especificación que detalla las instrucciones que el CPU de un ordenador puede
entender y ejecutar, o el conjunto de todos los comandos implementados por
un diseño particular de un CPU. El término describe los aspectos del
procesador generalmente visibles a un programador, incluyendo los tipos de
datos nativos, las instrucciones, los registros, la arquitectura de memoria y las
interrupciones.
1.5.3.
Organización de computadoras
La organización de las computadoras se refiere a los elementos básicos que
componen una computadora (software y hardware).
Muchos fabricantes de computadores ofrecen una familia de modelos, todos
con la misma arquitectura, pero con diferencias en cuanto a su organización,
consecuentemente con esto, cada uno de los modelos presentan diferentes
precios y servicios prestaciones. Más aún, una arquitectura puede sobrevivir
muchos años pero la organización cambia con el advenimiento de las nuevas
tecnologías.
1.5.4.
Estructura del procesador
La estructura es la forma como se relacionan los componentes del procesador
unos con otros, éstos son sumadores, multiplexores y registros que
soportan una determinada arquitectura. En la estructura se especifican
combinaciones y elementos de memoria, el flujo de datos entre los
componentes y las señales de control del funcionamiento de los mismos.
El procesador es un mecanismo de hardware expresado en la Unidad Central
de Procesamiento (CPU) es el cerebro de una computadora. Su función es
ejecutar programas almacenados en la memoria central tomando sus
instrucciones, examinándolos y luego ejecutándolos uno tras otro. El chip más
importante de cualquier placa madre es el procesador. Sin él la computadora
no podría funcionar. A menudo este componente se denomina CPU, que
describe a la perfección su papel dentro del sistema. El procesador es
realmente el elemento central del desarrollo del procesamiento de datos. Los
procesadores se describen en términos de su tamaño de palabra, su velocidad
y la capacidad de su RAM asociada.
Tamaño de la palabra: Es el número de bits que se maneja como una unidad
en un sistema de computación en particular. La velocidad del procesador se
mide en diferentes unidades según el tipo de computador: MHz (Megahertz):
para microcomputadoras.
El oscilador de cristal controla la ejecución de instrucciones dentro del
procesador; su velocidad en una microcomputadora se mide por su frecuencia
de oscilación o por el número de ciclos de reloj por segundo. El tiempo
transcurrido para un ciclo de reloj es 1/frecuencia MIPS (millones de
instrucciones
por
segundo):
para
estaciones
de
trabajo,
minis,
macrocomputadoras, y supercomputadoras. Por ejemplo, una computadora de
100 MIPS puede ejecutar 100 millones de instrucciones por segundo. FLOPS
(Floating Point Operations Per Second, operaciones de punto flotante por
segundo): Para las supercomputadoras. Las operaciones de punto flotante
incluyen cifras muy pequeñas o muy altas. Hay supercomputadoras para las
cuales se puede hablar de GFLOPS (Gigaflops, es decir 1,000 millones de
FLOPS). La capacidad de la memoria RAM se mide en base al número de
bytes que se pueden almacenar en ella, habitualmente se mide en MB y GB.
1.5.5.
Estructura básica del procesador
El procesador, se manufactura en la tarjeta madre, y
controla todos los
3
dispositivos en una Unidad Central de Procesamiento (CPU ) es uno de los
elementos más complejos e importantes que forma parte de una computadora;
sus funciones asignadas son vastas, resumiendo en: Interpretar y llevar a
cabo la ejecución de las órdenes o instrucciones de los programas.
Realiza todas las operaciones aritméticas y lógicas necesarias para la
manipulación de los datos. Controla el correcto funcionamiento del resto de
elementos que forman parte de un ordenador. Una CPU es una colección
3
Acrónimo de la expresión inglesa: Central Process Unit
compleja de circuitos electrónicos. Cuando se incorporan todos estos circuitos
en un chip de silicio se le denomina microprocesador.
La unidad central de procesamiento CPU es el procesador central de una
computadora y se compone de varias partes. La unidad de control se encarga
de traer las instrucciones de la memoria principal y de determinar su tipo. La
unidad aritmética y lógica realiza operaciones como la suma o la función
booleana “AND”, necesarias para llevar a cabo las instrucciones.
Podemos citar que su funcionamiento se ejecuta mediante compuertas lógicas
“and, or, y not” (del inglés “y”, “o”, y “no”, respectivamente). Todas las
computadoras están basadas y creadas por estas tres compuertas, a las cuales
también se les llama circuitos digitales.
1.5.6.
Formatos de instrucción4
La representación de la instrucción en las computadoras se denomina "Formato
de instrucción "Sabemos que los programas están formados por instrucciones y
la parte esencial de éstas es el código de operación que señala la instrucción a
ejecutar; el resto se refiere a los operandos. Muchas instrucciones contienen
además los datos que usan o especifican donde se localiza dicho dato. Todo lo
relativo a la especificación de dónde está el dato se llama "direccionamiento".
4
http://www.alipso.com/monografias/arquitectura/
Alipso, Agosto, 2007.