Arquitectura Informática
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Arquitectura Informática. 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. También suele definirse como la forma de seleccionar e interconectar componentes de hardware para crear computadoras según los requerimientos de funcionalidad, rendimiento y costo.
Sumario
Ventajas de las arquitecturas
- Pila: Modelo sencillo para evaluación de expresiones (notación polaca inversa). Instrucciones cortas pueden dar una buena densidad de código.
- Acumulador: Instrucciones cortas. Minimiza estados internos de la máquina (unidad de control sencilla).
- Registro: Modelo más general para el código de instrucciones parecidas. Automatiza generación de código y la reutilización de operandos. Reduce el tráfico a memoria. Una computadora actualmente tiene como estándar 32 registros. El acceso a los datos es más rápido.
Desventajas de las arquitecturas
- Pila: A una pila no se puede acceder aleatoriamente. Esta limitación hace difícil generar código eficiente. También dificulta una implementación eficente, ya que la pila llega a ser un cuello de botella es decir que existe dificultad para la transferencia de datos en su velocidad mk.
- Acumulador: Como el acumulador es solamente almacenamiento temporal, el tráfico de memoria es el más alto en esta aproximación.
- Registro: Todos los operadores deben ser nombrados, conduciendo a instrucciones más largas.
Arquitectura e Informática
Los problemas de diseño no pueden ser resueltos sin la ayuda de un computador, siendo la maquina un complemento y no un substituto del talento creativo, la computadora mientras no pueda inventar, puede explorar relaciones muy rápida y sistemáticamente de acuerdo a reglas pre establecidas. El computador funciona como una extensión natural de la habilidad analítica del hombre.
Término general que se aplica a la estructura de un sistema informático o de una parte del mismo. El término se aplica también al diseño del software de sistema, por ejemplo, el sistema operativo, y a la combinación de Hardware y Software básico que comunica los aparatos de una Red informática. La arquitectura de ordenadores se refiere a toda una estructura y a los detalles necesarios para que sea funcional, es decir, cubre sistemas informáticos, microprocesadores, circuitos y programas del sistema. Por lo general, el término no suele referirse a los programas de aplicación, como hojas de cálculo o procesadores de textos, que son necesarios para realizar una tarea pero no para que el sistema funcione.
Elementos de Diseño
Al diseñar un sistema informático, se tienen en cuenta los cinco elementos fundamentales que componen el hardware: la unidad aritmético-lógica, la unidad de control, la memoria, la entrada y la salida. La unidad aritmético-lógica realiza operaciones aritméticas y compara valores numéricos. La unidad de control dirige el funcionamiento de la computadora recibiendo instrucciones del usuario y transformándolas en señales eléctricas que puedan ser comprendidas por los circuitos del ordenador. La combinación de la unidad aritmético-lógica y la unidad de control se denomina unidad central de procesamiento, o CPU (siglas en inglés). La memoria almacena instrucciones y datos. Las secciones de entrada y salida permiten respectivamente que la computadora reciba y envíe datos.
Se necesitan arquitecturas diferentes de hardware debido a las necesidades especializadas de los distintos sistemas y usuarios. Por ejemplo, un usuario puede necesitar que su sistema muestre gráficos de forma extremadamente rápida, mientras que otro tal vez necesite buscar eficazmente en una base de datos o tener un consumo bajo de energía, como en el caso de ordenadores personales portátiles.
Además del diseño del hardware, se debe considerar los sistemas operativos que harán funcionar el sistema. El software, como los lenguajes de programación y los sistemas operativos, hace que los detalles de la arquitectura del hardware resulten invisibles para el usuario. Por ejemplo, diferentes computadoras que empleen el lenguaje de programación C o el sistema operativo UNIX pueden parecer iguales desde el punto de vista del usuario aunque la arquitectura de hardware sea diferente.
Arquitecturas Abiertas y Cerradas
La CPU de un ordenador está conectada con la memoria y con el mundo exterior a través de una arquitectura que puede ser abierta o cerrada. Las arquitecturas abiertas pueden ampliarse después de la construcción del sistema, generalmente añadiendo circuitos adicionales, por ejemplo, conectando al sistema principal un chip con un nuevo microprocesador. Las especificaciones del sistema se hacen públicas, lo que permite que otras empresas puedan fabricar los productos de expansión.
Las arquitecturas cerradas suelen utilizarse en computadoras especializadas que no necesitan ampliaciones, como los microprocesadores que controlan los hornos de microondas. Algunos fabricantes de ordenadores han empleado arquitecturas cerradas para que sus clientes obtengan los circuitos de ampliación únicamente a través de ellos. El fabricante cobra más, pero las opciones para el consumidor se reducen.
Avances Recientes
Uno de los problemas en la arquitectura informática es la diferencia entre la velocidad de la CPU y la velocidad con que la memoria proporciona instrucciones y datos. Las CPU modernas pueden procesar instrucciones en 3 nanosegundos (3.000 millonésimas de segundo). Un acceso a memoria típico, en cambio, requiere 70 nanosegundos, y cada juego de instrucciones puede suponer múltiples accesos. Para compensar esta disparidad se han diseñado nuevos chips que sitúan cerca de la CPU memorias muy rápidas llamadas caché. Debido a su proximidad a la CPU y a su rapidez, las memorias caché pueden suministrar instrucciones y datos más rápidamente que la memoria normal. La memoria caché almacena las instrucciones y datos empleados más frecuentemente, y mejora notablemente la eficacia de la computadora.
Aunque una memoria caché más grande puede contener más datos, también resulta proporcionalmente más lenta. Por eso, los arquitectos de ordenadores emplean diseños con múltiples memorias caché. En estos diseños se coloca la memoria caché más pequeña y rápida más cerca de la CPU, y se sitúa más lejos de ésta una segunda memoria caché mayor y más lenta. Esta disposición permite que la CPU utilice a velocidad máxima las instrucciones y datos más usados, y que sólo opere más lentamente cuando accede a la memoria caché secundaria. El empleo de memorias caché diferentes para instrucciones y datos también permite a la CPU recuperar simultáneamente una instrucción y un dato.
A veces se combinan varias computadoras en sistemas únicos llamados procesadores paralelos. Cuando una máquina tiene más de 1.000 unidades aritmético-lógicas, se dice que es masivamente paralela. Estas máquinas se usan fundamentalmente para cálculos científicos o de ingeniería, que exigen gran cantidad de cómputos numéricos. Se han construido ordenadores paralelos que contienen hasta 16.000 procesadores.
