Arquitectura de Computadoras: Concepto y Estructura

La arquitectura de computadoras se refiere al diseño conceptual y la estructura operacional fundamental de un sistema informático. Es, en esencia, un modelo y una descripción funcional de los requerimientos e implementaciones de diseño para las diversas partes de una computadora. Se centra especialmente en la forma en que la Unidad Central de Procesamiento (CPU) opera internamente y accede a las direcciones de memoria.

Esta arquitectura también puede definirse como la manera en que se interconectan los componentes de hardware para crear computadoras, según los requisitos de funcionalidad, rendimiento y costo. La computadora interactúa con el mundo exterior a través de periféricos, que envían y reciben información mediante canales. La CPU es la encargada de procesar toda la información que llega al sistema.

Compuertas Lógicas Fundamentales

Las compuertas lógicas son los bloques de construcción básicos de los circuitos digitales. A continuación, se describen las compuertas lógicas más comunes:

• NOT: Invierte la entrada (negación).
• AND: Realiza la multiplicación binaria de dos entradas.
• OR: Realiza la suma binaria de dos entradas.
• XOR: Realiza la suma binaria de dos entradas, excluyendo el bit de acarreo.
• NAND: Es la negación de la compuerta AND.
• NOR: Es la negación de la compuerta OR.
• XNOR: Es la negación de la compuerta XOR.

Estructura de Capas de un Sistema Informático

Un sistema informático se organiza en una estructura de capas, donde cada capa proporciona servicios a la capa superior y se apoya en los servicios de la capa inferior. Esta estructura jerárquica permite la abstracción y la modularidad:

1. Hardware: Componentes físicos de la computadora.
2. Firmware: Software integrado en el hardware.
3. Assembler (Ensamblador): Traduce el lenguaje ensamblador a código de máquina.
4. Kernel (Núcleo): Parte central del sistema operativo.
5. Sistema Operativo (con aplicaciones): Gestiona los recursos del sistema y proporciona una interfaz para el usuario.

Cada nivel comprueba la validez de las operaciones y se comunica con los niveles adyacentes, garantizando la fiabilidad del sistema.

Arquitecturas de Computadoras: Von Neumann y Harvard

Arquitectura de Von Neumann

La arquitectura de Von Neumann es la base de la mayoría de las computadoras modernas. Se caracteriza por utilizar el mismo dispositivo de almacenamiento tanto para las instrucciones como para los datos. Los componentes principales incluyen:

• Unidad Central de Proceso (CPU): Contiene un contador de programa y registros para almacenar microinstrucciones.
• Unidad Aritmético-Lógica (ALU): Realiza operaciones aritméticas y lógicas.
• Unidad de Control: Gestiona el flujo de instrucciones y datos.
• Memoria Principal: Almacena temporalmente datos e instrucciones.
• Unidades de Entrada/Salida: Permiten la comunicación con periféricos (disco duro, CD-ROM, etc.).

Arquitectura de Harvard

La arquitectura de Harvard utiliza dispositivos de almacenamiento físicamente separados para las instrucciones y los datos. El término proviene de la computadora Harvard Mark I, que almacenaba las instrucciones en cinta perforada y los datos en interruptores. Sus componentes principales son:

• CPU: Procesa los datos.
• Memoria de datos: Almacena los datos.
• Memoria de Instrucciones: Almacena las instrucciones del programa.
• Unidad de control.
• Unidad de entrada/salida (Memoria externa).
• Unidad aritmético-lógica (ALU).

Esta arquitectura se utiliza comúnmente en procesadores de señales digitales (DSP), empleados en productos de procesamiento de audio y video.

Componentes Físicos (Hardware)

El hardware comprende los elementos materiales de una computadora. Algunos componentes clave son:

• Unidad Central de Procesamiento (CPU): El «cerebro» de la computadora, donde se realizan los cálculos y se toman decisiones.
• Disco Duro: Almacena datos de forma no volátil.
• USB: Dispositivo de almacenamiento que utiliza memoria flash.
• CD-R: Disco compacto en el que se puede grabar información una sola vez.
• CD-RW: Disco compacto regrabable.
• Memoria RAM: Almacena temporalmente programas y datos en uso.
• Monitor: Periférico de salida visual.
• Ratón: Periférico de entrada para control de datos.
• Impresora: Periférico que produce copias físicas de documentos electrónicos.

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