Arquitectura Von Neumann. Qué es y cómo funciona

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Arquitectura Von Neumann. Qué es y cómo funciona

Los primeros ordenadores, surgidos en la década de los 40 en adelante, no eran más que armatostes de habitaciones enteras que funcionaban a base de válvulas y tubos de vacío. Estas máquinas estaban construidas y no programadas para cumplir una función específica, esto significaba que cada vez que tenía que cambiar de tarea se requerían semanas para diseñar y cambiar toda su estructura.

Imagen del ENIAC, uno de los primeros ordenadores – U.S. Army Photo, Dominio público, Enlace

En respuesta a esto el científico John Von Neumann ideó una arquitectura con una unidad de procesamiento central y una memoria. Esta última era la encargada de dar las instrucciones al procesador sobre cómo tenía que comportarse Esto se debe a que el procesador mantiene una estructura modular, solo hay que reprogramarlo, no reconstruirlo.

Componentes de la estructura Von Neumann

  • CPU, siglas de Unidad de Procesamiento Central en inglés. Dirige el funcionamiento del ordenador y es el encargado de realizar las operaciones necesarias para obtener los datos que se solicitan.
    • La Unidad Aritmético-Lógica, o ALU, realiza las operaciones de cálculo del ordenador. Por ejemplo las sumas, operaciones AND y OR, o comparaciones de valores.
    • La UC, o Unidad de Control, hace de intermediaria entre la ALU y la memoria principal. Obtiene la operación de la memoria y los datos necesarios para ejecutarla, al finalizar devuelve el resultado a la memoria.
    • Los registros almacenan temporalmente la información del proceso que se está realizando. Un ejemplo de registro es el «registro acumulador«, este guarda los resultados temporales de una operación que se encuentra en curso en la ALU.
  • La memoria principal almacena las instrucciones que debe ejecutar el procesador y los datos necesarios para realizarlas. Aunque es poco común escuchar este nombre, es otra forma de llamar a la memoria RAM de los ordenadores modernos.
  • Los dispositivos de E/S, o entrada y salida, permiten la comunicación del ordenador con el exterior, usualmente con el usuario.
  • Los buses (marcados como flechas en la ilustración) son los canales de comunicación entre los componentes del ordenador.

Ciclo de instrucción

Teniendo en cuenta lo lioso que puede resultar el esquema (que parece un cajero automático) y las descripciones, vamos a explicar paso a paso, y de forma muy simple, cómo trabaja un procesador desde el momento en el que se inicia hasta el apagado.

  1. Leer la instrucción:
    • La UC detecta cual es la instrucción a realizar y se la solicita a la memoria principal.
    • La memoria principal transfiere la instrucción al registro.
    • Si existe algún dato necesario para realizar la instrucción, también se envía al registro.
  2. Ejecutar la instrucción:
    • La Unidad de Control envía la instrucción y los datos necesarios a la ALU.
    • La ALU ejecuta la instrucción y obtiene el resultado.
    • La UC envía el resultado a la memoria principal y lee cual es la siguiente instrucción, iniciando el ciclo de nuevo.

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