Arquitectura de Computadoras
¿Qué se considera una computadora?
En términos generales, una computadora es una máquina en la que se ingresan o extraen datos generalmente a través de señales eléctricas, y estos datos pueden ser sometidos a diversos procesos.
El diseño conceptual y la estructura operacional fundamental de un sistema de computadora lo define su arquitectura.
Existen varias arquitecturas , la arquitectura Von Neumann y la arquitectura de Harvard son las principales.
Arquitectura Von Neumann:
Descripción: También conocida como la arquitectura de programa almacenado, es el diseño más común para las computadoras modernas. En esta arquitectura, la CPU (Unidad Central de Procesamiento) consta de varias partes clave: un reloj, un decodificador y un secuenciador en la unidad de control, así como un registro en la unidad de procesamiento que opera de manera sincronizada con el reloj para ejecutar acciones. Estas acciones pueden incluir cargar datos desde la memoria, guardar datos en la memoria, sumar registros, o ejecutar instrucciones que desencadenan procesos específicos. Para acceder a los datos almacenados, se utiliza un bus de datos que permite la comunicación con una memoria única, la cual almacena tanto datos como instrucciones del programa, un bus de control y uno de direccíon.Para efectuar las sumas, multiplicaciones, operaciones lógicas (AND , OR , NOT ,etc) y demás procesos aritméticos se utiliza la ALU (unidad aritmética lógica) dentro de la CPU.
A los datos se acceden mediante direcciones de memoria.
Bus de datos: 64 bits o 32 bits
Características:
Memoria Unificada: Los datos y las instrucciones se almacenan en la misma memoria.
Secuencialidad: Las instrucciones se ejecutan de forma secuencial, una tras otra.
Registros: Utiliza registros dentro de la CPU para almacenar datos temporales y realizar operaciones.
Ventajas: Simplifica el diseño del hardware y permite una programación más flexible.
Desventajas: El cuello de botella de Von Neumann puede ocurrir debido a que el bus de memoria se utiliza tanto para datos como para instrucciones, lo que puede limitar el rendimiento.
Arquitectura Harvard:
Descripción: En esta arquitectura, la memoria de datos y la memoria de instrucciones están separadas. Esto permite que las instrucciones y los datos se accedan simultáneamente a través de buses separados, lo que puede mejorar el rendimiento.
Características:
Memoria Separada: Utiliza diferentes espacios de memoria para datos e instrucciones, con buses separados para cada uno.
Acceso Concurrente: Permite el acceso simultáneo a datos e instrucciones, lo que puede aumentar la velocidad de procesamiento.
Ventajas: Mayor rendimiento debido al acceso concurrente y menor posibilidad de cuello de botella.
Desventajas: El diseño puede ser más complejo y costoso en comparación con la arquitectura Von Neumann.
Otras arquitecturas:
Arquitectura RISC (Reduced Instruction Set Computer):Descripción: Utiliza un conjunto reducido de instrucciones simples y rápidas. La idea es que las instrucciones simples pueden ser ejecutadas en un solo ciclo de reloj, lo que permite un procesamiento más eficiente. Ejemplos: ARM, MIPS.
Arquitectura CISC (Complex Instruction Set Computer):
Descripción: Utiliza un conjunto más amplio y complejo de instrucciones. Las instrucciones pueden realizar varias operaciones en un solo ciclo, lo que puede hacer que el programa sea más compacto.Ejemplos: x86 (utilizado en la mayoría de las computadoras personales).
Arquitectura SIMD (Single Instruction, Multiple Data):Descripción: Permite que una sola instrucción se aplique a múltiples datos simultáneamente. Es común en aplicaciones que requieren procesamiento paralelo, como gráficos y procesamiento de señales.
Arquitectura MIMD (Multiple Instruction, Multiple Data):Descripción: Permite que múltiples procesadores ejecuten diferentes instrucciones en diferentes datos. Es utilizada en sistemas multiprocesadores y supercomputadoras.
Cada tipo de arquitectura tiene sus propias ventajas y desventajas, y la elección entre ellas depende de las necesidades específicas de rendimiento, costo, y aplicación del sistema informático en cuestión.
Fuera del nivel teórico
Se puede definir mediante sus componentes físicos (hardware) y aplicaciones (software), sin embargo existen a su vez lo que se conoce como sistemas embebidos, por ejemplo el circuito de un microondas configurable o el de una maquina expendedora de cafes, los cuales no siguen la aquitectura de una computadora pero comparten caracteristicas.
Diferencia entre Computadora y Sistema embebido
Una computadora real que sigue la arquitectura Von Neumann implementa un sistema de memoria unificada para instrucciones y datos, un proceso secuencial para la ejecución de instrucciones, y utiliza buses para la transferencia de datos y direcciones. Aunque la arquitectura Von Neumann proporciona una base sólida, las implementaciones modernas han introducido optimizaciones y extensiones, como cachés, pipelining y memoria virtual, para mejorar el rendimiento y la eficiencia.
Traduccion del modelo Von Neumann en una computadora
- Unidad de Control, ALU y Registros en la arquitectura de Von Neumann corresponden a los circuitos y componentes dentro de la CPU que gestionan la ejecución de instrucciones y el procesamiento de datos.
- Memoria Principal (RAM) y Caché corresponden a las ubicaciones de almacenamiento temporal para datos e instrucciones.
- Bus de Datos y Bus de Direcciones son los canales físicos que transportan información entre la CPU, la RAM y otros componentes.
- Dispositivos de Entrada/Salida y Almacenamiento Secundario son periféricos y dispositivos que permiten la interacción con el usuario y el almacenamiento de datos a largo plazo.
- Motherboard organiza y conecta todos estos componentes en un solo sistema.
Registros de la CPU: Almacenamiento ultrarrápido dentro de la CPU para datos temporales e instrucciones en proceso.
RAM: Memoria principal donde se cargan y ejecutan los programas y datos activos. Se utiliza para leer y escribir datos que el CPU necesita en tiempo real.
HDD o SSD (almacenamiento secundario): Almacenamiento a largo plazo para guardar el sistema operativo, aplicaciones y archivos de usuario. Los datos se cargan desde aquí a la RAM cuando son necesarios para la ejecución.
Memoria (RAM): La memoria de acceso aleatorio (RAM) es la memoria de trabajo que la CPU utiliza para almacenar datos e instrucciones temporales mientras ejecuta programas. La RAM es volátil, lo que significa que pierde su contenido cuando se apaga la computadora.
Almacenamiento: Las computadoras necesitan algún tipo de almacenamiento para guardar datos y programas de manera persistente. Esto puede ser un disco duro (HDD), una unidad de estado sólido (SSD) u otro tipo de medio de almacenamiento no volátil.
Dispositivos de Entrada: Los dispositivos de entrada permiten al usuario introducir datos y comandos en la computadora. Ejemplos comunes incluyen el teclado, el ratón, y los escáneres.
Su conexion externa se suele dar mediante el protocolo de comunicacíon universal serial bus USB.
Dispositivos de Salida: Los dispositivos de salida muestran o entregan los resultados del procesamiento de la computadora. Ejemplos incluyen monitores, impresoras y altavoces.
Video :
HDMI (High-Definition Multimedia Interface):
Descripción: HDMI es un estándar para transmitir audio y video digital de alta definición desde un dispositivo a otro.
Características: Soporta resoluciones de hasta 8K, audio multicanal, y capacidades de CEC (Consumer Electronics Control) para controlar varios dispositivos con un solo mando.
Aplicaciones: TVs, monitores, proyectores, y sistemas de cine en casa.
DisplayPort:
Descripción: DisplayPort es un protocolo de transmisión de video digital que también puede llevar audio.
Características: Soporta altas resoluciones y tasas de refresco, y puede transmitir video y audio de alta calidad. También tiene versiones como Mini DisplayPort y USB-C con DisplayPort.
Aplicaciones: Monitores de computadora, estaciones de trabajo y laptops.
VGA (Video Graphics Array):
Descripción: VGA es un estándar de video analógico que transmite señales de video en resolución de hasta 640x480 píxeles.
Características: Aunque es más antiguo y tiene menor resolución comparado con HDMI y DisplayPort, todavía se usa en algunos equipos.
Aplicaciones: Monitores y proyectores más antiguos.
DVI (Digital Visual Interface):
Descripción: DVI es un estándar para transmitir señales de video digital (y en algunos casos, analógicas).
Características: Existen variantes DVI-D (digital), DVI-A (analógico) y DVI-I (integrado). Soporta resoluciones altas, aunque no lleva audio.
Aplicaciones: Monitores de computadora y equipos de video.
Thunderbolt:
Descripción: Thunderbolt es una interfaz de alto rendimiento que puede transmitir datos, video y audio a través de un solo cable.
Características: La versión Thunderbolt 3 y 4 utiliza el conector USB-C y soporta altas resoluciones de video, así como da acceso a dispositivos de almacenamiento y periféricos.
Aplicaciones: Equipos de alto rendimiento, estaciones de acoplamiento y dispositivos multimedia.
USB-C con DisplayPort Alternate Mode:
Descripción: USB-C puede transmitir video a través del modo alternativo DisplayPort.
Características: Permite la transmisión de video 4K y 8K a través de un solo cable, además de datos y carga de energía.
Aplicaciones: Laptops, monitores y dispositivos móviles modernos.
MHL (Mobile High-Definition Link):
Descripción: MHL es un protocolo que permite conectar dispositivos móviles a pantallas HD.
Características: Soporta la transmisión de video HD y audio, y puede cargar el dispositivo móvil mientras está conectado.
Aplicaciones: Smartphones y tablets conectados a televisores y proyectores.
HLS (HTTP Live Streaming):
Descripción: HLS es un protocolo de streaming de medios desarrollado por Apple que divide el video en segmentos pequeños y los transmite a través de HTTP.
Características: Compatible con la mayoría de los navegadores y dispositivos, y permite la transmisión adaptativa en función del ancho de banda disponible.
Aplicaciones: Streaming en vivo y bajo demanda en la web.
WebRTC (Web Real-Time Communication):
Descripción: WebRTC es una tecnología que permite la comunicación en tiempo real a través de navegadores web sin necesidad de plugins adicionales.
Características: Soporta video, audio y datos en tiempo real, y es compatible con la mayoría de los navegadores modernos.
Aplicaciones: Videollamadas, conferencias y transmisión en vivo a través de la web.
Audio :
TRS/TRRS señal analogica , no requiere protocolo
USB: Universal serial BUS
Bluetooth: Advanced Audio Distribution Profile (A2DP )
Lightning (en dispositivos Apple): Protocolo digital para transmitir audio.
Placa Base (Motherboard): La placa base es el componente principal que conecta todos los demás componentes de la computadora, incluyendo la CPU, la memoria, y los dispositivos de almacenamiento. Facilita la comunicación entre estos componentes.
Sistema Operativo: Un sistema operativo (SO) es el software fundamental que gestiona el hardware de la computadora y proporciona servicios a los programas de aplicación. Ejemplos incluyen Windows, macOS, y Debian.
El primer sistema operativo reconocido generalmente en la historia de la informática es el IBM OS/360.
IBM OS/360:Este sistema operativo fue diseñado para la familia de mainframes IBM System/360. Fue uno de los primeros sistemas operativos que permitió la multiprogramación, es decir, la capacidad de ejecutar varios programas simultáneamente en la misma máquina.
El sistema operativo mas inluyente sin embargo es Unix.
Unix:
- Desarrollado por: AT&T's Bell Labs
- Fecha de lanzamiento: 1969
- Características: Unix es famoso por su diseño modular y por ser un sistema operativo influyente que ha dado origen a numerosos derivados y versiones modernas, como Linux y macOS.
Evolución de los sistemas Unix y Unix-like desde 1969.
Fuente de Alimentación: La fuente de alimentación proporciona la energía eléctrica necesaria para que todos los componentes de la computadora funcionen.Consta de un circuito capaza de transformar la electricidad domiciliaria en una señal util para el circuito del computador, si este es portatil se es necesario un circuito de carga y monitoreo de una bateria generalmente de litio.
Fuente de alimentacion conmutada:
Baterias
PCM : Protection Circuit Module) es una interfaz de hardware independiente que garantiza la seguridad de la batería contra voltajes, corrientes y temperaturas extremas.
Bus de Datos y Comunicación: Los buses de datos permiten la transferencia de información entre los diferentes componentes de la computadora, como entre la CPU y la memoria o entre la CPU y los dispositivos de almacenamiento.
Interfaz de Usuario: Aunque no siempre es un componente físico, una interfaz de usuario (ya sea gráfica o de línea de comandos) es necesaria para que los usuarios puedan interactuar con la computadora.
GUI SO Windows:
GUI SO MAC:
GUI Debian GNOME:
GUI Ubuntu server:
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