Arquitectura de Von Neumann

Computadora Von Neumann

Una computadora (Hispanoamérica) u ordenador (España) es un dispositivo electrónico compuesto básicamente de un procesador, memoria y dispositivos de entrada/salida (E/S). La característica principal de la computadora, respecto a otros dispositivos similares, como una calculadora no programable, es que con él se pueden realizar tareas muy diversas, cargando distintos programas en la memoria para que los ejecute el procesador. Siempre se busca optimizar los procesos, ganar tiempo, hacerlo más fácil de usar y simplificar las tareas rutinarias.
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Una Apple IIc Pascal Macintosh Classic (1990)

Los dispositivos de entrada/salida (también llamados periféricos) sirven para intercambiar información con el exterior. Una computadora normalmente utiliza un programa informático especial denominado sistema operativo diseñado, construido y probado para gestionar los recursos de la computadora: memoria, dispositivos de E/S, dispositivos de almacenamiento (discos duros, unidades de DVD y CD).

Una computadora es cualquier dispositivo usado para procesar información de acuerdo con un procedimiento bien definido. Sin embargo, la definición anterior incluye muchos dispositivos de usos específicos que sólo pueden realizar una función o un número determinado de funciones.

Si pensamos en las computadoras modernas, la característica más importante que los distingue de los aparatos anteriores es que tienen una programación adecuada. Con cualquier computadora se puede emular el funcionamiento de otro (únicamente limitado por la capacidad de almacenamiento de datos y las diferentes velocidades), y, de hecho, se cree que con las actuales computadoras se puede emular a cualquier computadora que se invente en el futuro (aunque sean mucho más lentos).

Por lo tanto, en cierto sentido, esta capacidad crítica es una prueba muy útil, para identificar las computadoras de uso general de los aparatos destinados a usos específicos. Esta característica de poderse emplear para un uso general, se puede formalizar en una regla según la cual con una máquina de estas características, se debe poder emular el funcionamiento de una máquina de Turing universal. Las máquinas que cumplan con esta definición son homologables a la máquina de Turing.

Originariamente, el procesamiento de la información estaba relacionado de manera casi exclusiva con problemas aritméticos, pero las computadoras modernas son usadas para muchas tareas diferentes normalmente sin ninguna relación con las matemáticas.

Sin embargo, en los últimos 20 años aproximadamente, muchos aparatos domésticos, sobre todo las consolas para videojuegos, a las que hay que añadir los teléfonos móviles, los vídeos, los asistentes personales digitales (PDA) y un sinfín de aparatos caseros, industriales, para coches y electrónicos, tienen circuitos homologables a la máquina de Turing (con la limitación de que la programación de estos aparatos está instalada en un chip de memoria ROM que hay que remplazar cada vez que queremos cambiar la programación).

Esta especie de computadoras que se encuentran dentro de otras computadoras de uso general son conocidos como microcontroladores o computadores integrados. Por lo tanto, muchas personas han restringido la definición de computadoras a aquellas máquinas cuyo propósito principal sea el procesamiento de información y que puedan adaptarse a una gran variedad de tareas cara al usuario, sin ninguna modificación física, excluyendo a aquellos dispositivos que forman parte de un sistema más grande como los teléfonos, microondas o aviones. Tradicionalmente existen tres tipos de computadoras que cumplen con estos requisitos: las computadoras centrales, las minicomputadoras y las computadoras personales.

Las computadoras con arquitectura Von Neumann se refiere a las arquitecturas de computadoras que utilizan el mismo dispositivo de almacenamiento tanto para las instrucciones como para los datos (a diferencia de la arquitectura Harvard). El término se acuñó en el documento First Draft of a Report on the EDVAC (1945), escrito por el conocido matemático John Von Neumann, que propuso el concepto de programa almacenado. Dicho documento fue redactado en vistas a la construcción del sucesor de la computadora ENIAC, y su contenido fue desarrollado por Presper Eckert, John Mauchly, Arthur Burks, y otros durante varios meses antes de que Von Neumann redactara el borrador del informe.

Los ordenadores con arquitectura Von Neumann constan de las siguientes partes:

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La unidad aritmético-lógica o ALU, la unidad de control, la memoria, un dispositivo de entrada/salida y el bus de datos que proporciona un medio de transporte de los datos entre las distintas partes.

Un ordenador con arquitectura Von Neumann realiza o emula los siguientes pasos secuencialmente:

1) Obtiene la siguiente instrucción desde la memoria en la dirección indicada por el contador de programa y la guarda en el registro de instrucción.

2) Aumenta el contador de programa en la longitud de la instrucción para apuntar a la siguiente.

3) Descodifica la instrucción mediante la unidad de control. Ésta se encarga de coordinar el resto de componentes del ordenador para realizar una función determinada.

4) Se ejecuta la instrucción. Ésta puede cambiar el valor del contador del programa, permitiendo así operaciones repetitivas. El contador puede cambiar también cuando se cumpla una cierta condición aritmética, haciendo que el ordenador pueda 'tomar decisiones', que pueden alcanzar cualquier grado de complejidad, mediante la aritmética y lógica anteriores.

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