El documento trata sobre la arquitectura de computadoras. Explica que la arquitectura se refiere al diseño conceptual y la estructura operacional de una computadora, incluyendo cómo la unidad central de proceso accede a la memoria. También describe las diferencias entre arquitectura y organización, y cómo las familias de computadoras mantienen compatibilidad de software a través del tiempo.

1. Hernández Silva José Guadalupe

2. • Arquitectura de computadoras
• La 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 (UCP) trabaja internamente
y accede a las direcciones de memoria.

3. • La arquitectura se refiere a las características
del sistema que son visibles al programador, o
sea que el programador va a tener que tener
en cuenta al momento de programar (ejemplo de
esto serian modos de direccionamiento, conjunto
de instrucciones, cantidad de bits usados para
representas los distintos tipos de datos.
La organización en cambio es transparente a el
programador, este no se preocupa por estos
temas, señales del bus de control, interfaces
entre periféricos y computador, tecnología usada
en memoria, cantidad de caches, etc.

4. • En general lo fabricantes de máquinas producen
familias de pc con una misma arquitectura y a
medida que pasa el tiempo salen nuevos
modelos con la misma arquitectura, pero con
una organización diferente, con lo cual logran
una compatibilidad de software.
Ejemplo de esto serian las PC comunes y una
Macintosh, por poseer distinta arquitectura no
son compatibles sus software.

5. • Primera Generación: Válvulas de vacío (1945-1955).
• John Mauchly propuso construir una computadora
electrónica digital para reemplazar al analizador
diferencial, dando dos ventajas principales: la velocidad
de la electrónica, y la precisión del principio digital. La
computadora consistía de 18000 válvulas de vacío y
1500 relés. Consumía 140 KW/h y pesaba 30 toneladas.

6. • La primer computadora puramente basada en
transistores fue la TX-0 (Transitorized experimental
computer 0), en el MIT. Esta fue un dispositivo usado
para probar la TX-2. Uno de los ingenieros trabajando en
este laboratorio, Kenneth Olsen, abandonó el laboratorio
para formar la compañía DEC (Digital Equipment
Company).
•
En 1956, IBM introduce el primer disco duro. En el
mismo año, se diseña la primer computadora comercial
UNIVAC puramente basada en transistores.

7. • Como fue mencionado, a fines de los años '50,
ingenieros en Fairchild Semiconductor Co. y en Texas
Instrument desarrollaron el primer transistor plano, y mas
adelante el primer circuito integrado plano. La invención
del circuito integrado reveló el potencial para extender el
costo y los beneficios de operación de los transistores a
todos los circuitos producidos en masa. La invención del
circuito integrado permitió que docenas de transistores
se pusieran en el mismo chip. Este empaquetamiento
permitió construir computadoras más pequeñas, rápidas
y baratas que sus predecesores con transistores. Las
primeras versiones de la IBM 360 eran transistorizadas,
pero las versiones posteriores no solo eran más rápidas
y poderosas, sino que fueron construidas en base a
circuitos integrados.

8. • Computadoras personales y VLSI (1980 - ).
En la década del '80, fue posible la Integración a Muy
Alta Escala (VLSI - Very Large Sacel Integration)
poniendo cientos de miles (y posteriormente millones) de
transistores en un chip.

9. • Aplicación
• Sistema operativo
• Compilador
• Ensamblador
• Sistema de entrada/salida
• Diseño digital
• Diseño de circuitos

10. •Clasificación de las
computadoras y sus niveles

11. • Una supercomputadora es el tipo de computadora más
potente y más rápido que existe en un momento dado. Estas
máquinas están diseñadas para procesar enormes cantidades
de información en poco tiempo y son dedicadas a una tarea
específica.
Una de las llamadas supercomputadoras es capaz de
procesar a la asombrosa velocidad de 600 megaflos (millones
de flobs.
Sistemas de computo caracterizados por su gran tamaño y
enorme velocidad de procesamiento normalmente se utilizan
en aplicaciones científicas y complejas.
Dado que las supercomputadoras se construyen para
procesar aplicaciones científicas complejas la velocidad del
calculo del sistema es de primordial importancia. Para elevar
al máximo la velocidad de los cálculos cada una de estas
maquinas tienen procesadores de hasta 64 bits.

12. • Así mismas son las más caras, sus precios alcanzan los 30
MILLONES de dólares y más; y cuentan con un control de
temperatura especial, esto para disipar el calor que algunos
componentes alcanzan a tener.
Unos ejemplos de tareas a las que son expuestas las
supercomputadoras son los siguientes:
Búsqueda y estudio de la energía y armas nucleares.
Búsqueda de yacimientos petrolíferos con grandes bases de
datos sísmicos.
El estudio y predicción de tornados.
El estudio y predicción del clima de cualquier parte del
mundo.
La elaboración de maquetas y proyectos de la creación de
aviones, simuladores de vuelo etc.
Debido a su precio, son muy pocas las supercomputadoras
que se construyen en un año.

13. • En 1960 surgió la mini computadora, una versión más
pequeña de la Macrocomputadora. Al ser orientada a
tareas específicas, no necesitaba de todos los periféricos
que necesita un Mainframe, y esto ayudo a reducir el
precio y costos de mantenimiento.
Las mini computadoras, en tamaño y poder de
procesamiento, se encuentran entre los mainframes y las
estaciones de trabajo.
En general, una mini computadora, es un sistema
multiproceso (varios procesos en paralelo) capaz de
soportar de 10 hasta 200 usuarios simultáneamente.
Actualmente se usan para almacenar grandes bases de
datos, automatización industrial y aplicaciones
multiusuario.

14. • Las macrocomputadoras son también conocidas como
Mainframes. Los mainframes son grandes, rápidos y caros
sistemas que son capaces de controlar cientos de usuarios
simultáneamente, así como cientos de dispositivos de entrada
y salida.
Los mainframes tienen un costo que va desde 350,000
dólares hasta varios millones de dólares. De alguna forma los
mainframes son más poderosos que las supercomputadoras
porque soportan más programas simultáneamente. Pero las
supercomputadoras pueden ejecutar un sólo programa más
rápido que un mainframe.
En el pasado, los Mainframes ocupaban cuartos completos o
hasta pisos enteros de algún edificio, hoy en día, un
Mainframe es parecido a una hilera de archiveros en algún
cuarto con piso falso, esto para ocultar los cientos de cables
de los periféricos, y su temperatura tiene que estar
controlada.

15. • Por introducción veremos que las computadoras
por su capacidad de proceso se toman criterios
demasiados ambiguos para marcar los tipos; así
se tiene;
1. Las microcomputadoras o PC.
1. Mini computadoras.
1. Macrocomputadoras o Mainframe.
1. Supercomputadoras.

16. • 1.- Las microcomputadoras se utilizan para aplicaciones
caseras y de oficina normalmente para una sola persona
por eso se les llama personales.
2.- Las mini computadoras emplean en aplicaciones de
tamaño y medio usualmente para 30 o 40 usuarios. una
escuela etc.
3.- En la categoría de las macrocomputadoras se utilizan
para aplicaciones grandes tales como sistemas
bancarios, administración, vuelos etc.
4.- Supercomputadoras. Se utilizan para aquellos
problemas cuya solución requieren de una gran
capacidad de computo, como una respuesta rápida por
ejemplo: el control terrestre de un satélite, la
administración de un rector nuclear, etc.

17. • La arquitectura de von Neumann es una
familia de arquitecturas de computadoras que
utilizan el mismo dispositivo de almacenamiento
tanto para las instrucciones como para los datos
(a diferencia de la arquitectura Harvard).
• La mayoría de computadoras modernas están
basadas en esta arquitectura, aunque pueden
incluir otros dispositivos adicionales, (por
ejemplo, para gestionar las interrupciones de
dispositivos externos como ratón, teclado, etc).

18. • Este tipo de arquitectura se diferencia de la arquitectura Von
Neumann porque utiliza un sistema de almacenamiento
separado físicamente para las instrucciones y para los datos.
Las instrucciones y los datos se almacenan de manera
separada en la memoria caché.
El nombre proviene de la computador Harvard Mark I.
La ventajas de uso de la arquitectura Harvard es cuando la
frecuencia de lectura de las instrucciones y los datos es
aproximadamente la misma. Esta arquitectura se usa
principalmente en procesadores de señales digitales como el
audio y el video.
Cada memoria del micro dispone de un bus respectivo, lo que
permite al CPU acceso de manera simultánea tanto a las
instrucciones como a los datos.
Un modelo de arquitectura Harvard sería el PIC16Fxxx con un
bus de datos de 14-bits para memoria de programas y un bus
independiente de 8-bits para acceder a la memoria de datos.

19. • Los procesadores se agrupan hoy en dos familias, la más antigua y
común de las cuales es la "CISC" o "Complex Instruction Set
Computer": computador de set complejo de instrucciones. Esto
corresponde a procesadores que son capaces de ejecutarun gran
número de instrucciones pre-definidas en lenguaje de máquina (del
orden del centenar).
• Desde hace unos años se fabrican y utilizan en
algunas máquinas procesadores "RISC" o "Reduced Instruction Set
Computer", es decir con un número reducido de instrucciones. Esto
permite una ejecución más rápida de las instrucciones pero requiere
compiladores (o sea traductores automáticos de programas) más
complejos ya que las instrucciones que un "CISC" podría admitir
pero no un "RISC", deben ser escritas como combinaciones de
varias instrucciones admisibles del "RISC". Se obtiene una ganancia
en velocidad por el hecho que el RISC domina instrucciones muy
frecuentes mientras son operaciones menos frecuentes las que
deben descomponerse.

20. • Dentro de muy poco los usuarios dejaran de hacerse la
pregunta ¿ RISC O CISC ?, puesto que la tendencia futura,
nos lleva a pensar que ya no existirán los CISC puros.
• Hace ya tiempo que se ha empezado a investigar
sobre microprocesadores "híbridos", es decir, han llevado a
cabo el que las nuevas CPU's no sean en su cien por cien
CISC, sino por el contrario, que estas ya contengan algunos
aspectos de tecnología RISC. Este propósito se ha realizado
con el fin de obtener ventajas procedentes de ambas
tecnologías (mantener la compatibilidad x86 de los CISC, y a
la vez aumentar las prestaciones hasta aproximarse a un
RISC), sin embargo, este objetivo todavía no se ha
conseguido, de momento se han introducido algunos puntos
del RISC, lo cual no significa que hayan alcanzado un nivel
optimo.

21. • El procesador, también llamado Unidad
Central de Proceso (UCP) (en inglés,
Central Process Unit, CPU), es el lugar
donde se interpretan y ejecutan las
instrucciones de los programas. En él se
distinguen dos partes principales: la
unidad de control y la unidad
aritmeticológica.

22. • La unidad de control se encarga de dirigir y
coordinar todos los elementos de la
Computadora. Cuando llega una instrucción de
un programa, la interpreta y activa o desactiva
los componentes necesarios para que se ejecute
la acción indicada en la instrucción. Por ejemplo,
si la instrucción indica que se muestre un valor
en pantalla, se activará la pantalla y se enviará
el valor que se debe mostrar, y el dato aparece
en el monitor.

23. • La unidad aritmeticológica se encarga de realizar las
operaciones aritméticas y lógicas. Las operaciones
aritméticas se refieren a las operaciones de cálculo que
realizan los programas: sumas, restas, multiplicaciones,
etcétera. Las operaciones lógicas son generalmente
de comparación, por ejemplo, saber si un valor es mayor
que otro, si dos valores son iguales, etcétera.
En las computadoras personales, la unidad de control y
la unidad aritmeticológica se encuentran integradas en
un solo chip que se denomina microprocesador.

24. • Un chip es una tarjeta pequeña con un conjunto
diminuto de componentes electrónicos y sus conexiones.
La memoria es uno de los principales componentes de
la computadora. Su función consiste en almacenar las
instrucciones y los datos durante la ejecución de los
programas. Según su comportamiento, se pueden
distinguir dos tipos de memorias: la memoria RAM y la
memoria ROM.
La memoria RAM (Random Access Memory) es el
lugar donde se almacenan las instrucciones de los
programas que se están ejecutando y los datos que
éstos manejan. La capacidad de la memoria RAM de la
computadora se indica en megabytes.

25. • La memoria RAM tiene las siguientes características:
• Es de acceso aleatorio, puesto que se puede ir
directamente a una determinada posición de la memoria
sin pasar por las anteriores.
• Es volátil, ya que cuando se apaga la computadora se
borra todo su contenido.
• Es de lectura/escritura, es decir, que se pueden leer los
datos que tiene almacenados y escribir en ella nuevos
datos o resultados.

26. • La memoria ROM (Read Only Memory) es una
memoria permanente, es decir, no se borra al apagar la
computadora. En ella están almacenadas las
instrucciones básicas para el funcionamiento de la
máquina y para las operaciones de entrada/salida (en
inglés, Basic Input Output System, BIOS). Entre estas
instrucciones se encuentra la rutina de arranque,
que se encarga de indicar al hardware los pasos para
comprobar el estado de los componentes de la
computadora y cargar el sistema operativo para empezar
a trabajar.

27. • Los dispositivos de entrada sirven para introducir
información en la computadora. Los más utilizados son el
teclado, el ratón, el escáner, el CD-ROM, el joystick, el
micrófono y las cámaras digitales.
•
Los dispositivos de salida sirven para obtener la
información que ha sido procesada por la computadora. Los
más utilizados son el monitor, las impresoras y el plotter.
•
• Los dispositivos de almacenamiento son utilizados tanto
para guardar como para recuperar información, por lo que
también son considerados como dispositivos de
entrada/salida.
•

28. • TARJETA MADRE.
•
la tarjeta madre es la tableta en donde se montan todos
los componentes y sus interconexiones a manera de
pistas (cobre adherido a la tarjeta). Básicamente es el
dispositivo que aglutina a todos los demás, tales
como microprocesador, buses, ranuras,
zócalos, memoria, puertos, conectores, video, etc.

29. • Unidad de entrada. La mayor parte de los ordenadores
no aceptan los
• datos en la forma en la que el hombre está
acostumbrado a manejarlos,
• como son las formas escrita o hablada. Ya sabemos que
los datos deben
• codificarse para que el ordenador los procese, lo que se
lleva a cabo en
• dispositivos denominados unidades de entrada. El
ejemplo más común es el
• teclado que poseen todos los ordenadores personales.

30. • Los elementos básicos de un ordenador son: la unidad
de entrada, el
• almacenamiento o memoria, la unidad aritmético-lógica,
la unidad de salida y la
• unidad de control.

31. • Almacenamiento o memoria. Los datos y el programa
encargado de
• procesarlos entra en la memoria o almacenamiento del
ordenador y se
• mantienen allí mientras sea necesarios. El ordenador
toma los datos de la
• memoria para procesarlos, finalizado el proceso, los
devuelve de nuevo a la
• memoria.

32. • Proceso. Como ya sabemos, los datos se someten a un
determinado
• proceso, es decir, sobre ellos el ordenador realiza
operaciones de tipo
• aritmético, como sumarlos multiplicarlos, etc, o bien de tipo
lógico, como
• compararlos. La parte del ordenador encargada de realizar el
proceso con
• los datos recibe el nombre de unidad aritmético-lógica. En
esta unidad las
• operaciones se llevan a cabo a velocidades verdaderamente
muy altas:
• pueden sumarse muchos millones de cantidades en un solo
segundo.

33. • Unidad de salida. Ya hemos visto que los resultados que
provienen de un
• proceso se encuentran en la memoria. Para hacerlos
visibles al usuario se
• utilizan medios especiales como impresoras, pantallas
de video, etc. Se
• denominan, en general, unidades de salida. Así, se dice
que una impresora
• produce una salida impresa o que unos resultados
pueden verse en la
• pantalla o monitor del ordenador.

34. • Unidad de control. Ningún proceso se llevaría a cabo
dentro del ordenador si
• éste no dispusiera de una unidad especial denominada
unidad de control. Es
• la encargada de interpretar las operaciones a realizar
con los datos y de
• producir las señales adecuadas para que el resto de las
unidades que forman
• el ordenador, es decir, el hardware, realicen en cada
momento y de forma
• adecuada la misión que tienen asignada.

35. • Agrupando ahora todas las funciones enumeradas
anteriormente obtendremos
• el esquema general de un ordenador electrónico.

36. • Cada uno de los componentes físicos
• encargado de una determinada tarea
• dentro del ordenador se denomina
• módulo. Por ejemplo, el chip de la
• memoria y el chip del
• microprocesador son ejemplos de
• módulos.
• La ventaja de utilizar módulos es que
• éstos se pueden interconectar entre
• sí de una forma sencilla mediante
• líneas bus o simplemente bus.

37. • Un bus interconecta distintos
• dispositivos dentro de un sistema o
• bien los distintos componentes
• dentro de un dispositivo, por medio
• de un conjunto de líneas eléctricas paralelas. La figura
muestra la interconexión de
• la memoria con el procesador, a través de un bus.
• Por un bus circulan realmente varios bits al mismo
tiempo, es decir, es una forma
• de enviar datos en paralelo.

38. • Los dispositivos de entrada toman los datos que son
fácilmente legibles por el
• hombre y los convierten en formato capaz de ser
interpretado por el ordenador. En
• la Unidad anterior ya hemos hablado un poco de como
se lleva a cabo esa
• conversión. Vamos a estudiar los medios físicos o
hardware de que dispone el
• ordenado para la entrada de los datos.

39. • En general, existen dos clases de medios de
• entrada: el teclado y la entrada directa.
• Como ya sabemos el teclado convierte las
• letras, los números y los caracteres
• especiales en señales eléctricas que el
• ordenador puede interpretar.
• La entrada directa crea un conjunto de datos que pueden
ser interpretados por la
• UCP directamente. No es necesario teclearlos, con lo
que se reduce el riesgo de
• errores humanos.

40. • Los datos que ha procesado el ordenador permanecen
en la memoria en una forma
• interpretable por la máquina.
• Para que puedan ser interpretados por las personas es
necesario emplear los
• dispositivos de salida.