Fundamentos de la Arquitectura Informática: Definición y Estructura
La arquitectura informática hace referencia a la especificación que describe la estructura y diseño común de los sistemas informáticos, detallando cómo el hardware y software deben conectarse, interactuar y colaborar entre sí… Pero, ¿qué significa todo esto?
Categorías de la Arquitectura Informática
La arquitectura informática abarca diversas subcategorías que detallan el uso de tecnologías como la macroarquitectura, el microcódigo y la UISA. No obstante, en este artículo, nos enfocaremos únicamente en las tres subcategorías principales.
Diseño de Sistemas
El diseño de sistemas abarca todo lo que constituye la parte física dentro de un computador, es decir, el hardware. Esto incluye la cuidadosa selección y configuración de componentes clave como procesadores de datos, controladores de memoria, dispositivos de entrada/salida, virtualización, multiprocesamiento, entre otros. Sin embargo, va más allá de la simple elección de hardware, ya que implica la integración efectiva de estos componentes para formar un sistema cohesivo y funcional.
Arquitectura de Conjunto de Instrucciones (ISA)
La ISA es una especificación que define el conjunto y tipo de instrucciones, datos, registros y otros elementos que una computadora o CPU puede leer y utilizar. Estas instrucciones son los comandos fundamentales que el procesador puede entender y ejecutar para realizar diversas operaciones.
Microarquitectura
La microarquitectura se refiere al diseño, estructura e interconexión de los diversos componentes (ALU, CU, caché, etc.) que constituyen un procesador. También abarca aspectos como la gestión de la energía, la predicción de ramas, y la implementación de técnicas avanzadas de ejecución fuera de orden. Se ocupa de cómo se implementarán todas las instrucciones a nivel de circuitos y componentes internos, influyendo directamente en el rendimiento y la eficiencia de la unidad de procesamiento.
Tipos de Arquitectura Informática
Arquitectura Von Neumann
La Arquitectura Informática Von Neumann o modelo de Von Neumann es un modelo abstracto para el diseño de computadoras basado en la descripción realizada por el físico y matemático John Von Neumann (y otros más) en 1945. La descripción establecía que una computadora consta de las siguientes partes:
- Un procesador o CPU con una unidad aritmética-lógica.
- Una unidad de control que incluya un registro de instrucciones.
- Una memoria centralizada que pueda comunicarse directamente con la CPU mediante buses.
- Un almacenamiento externo para guardar y realizar copias de seguridad en caso de fallos.
- Conexiones de entrada/salida.
¿Cómo Funciona la Arquitectura Von Neumann?
En esta arquitectura, las instrucciones se almacenan en la memoria centralizada, que contiene tanto las instrucciones como los datos. Mediante los buses, la CPU extrae en serie las instrucciones desde la memoria. Una vez dentro del procesador, las instrucciones son decodificadas para entender y ejecutar las operaciones y datos de la instrucción. Una vez finalizado todo el proceso de datos, los resultados se almacenan nuevamente en la memoria centralizada. Las conexiones de entrada/salida también están conectadas a la memoria centralizada; por lo tanto, las instrucciones enviadas por los periféricos son gestionadas por la CPU.
La arquitectura Von Neumann posee varios cuellos de botella, como la dependencia de la velocidad de acceso a la memoria y la ejecución de instrucciones en serie. No obstante, a pesar de sus limitaciones, sigue siendo la base de las computadoras modernas.
Arquitectura Harvard
La arquitectura informática Harvard mantiene instrucciones y datos en memorias independientes; por lo tanto, cuando el procesador necesita algún dato o instrucción, procede a acceder a la memoria independiente necesaria mediante buses separados.
¿Cómo Funciona la Arquitectura Harvard?
Como se mencionó anteriormente, en esta arquitectura los datos e instrucciones se encuentran almacenados en memorias separadas; la presencia de buses independientes permite el acceso concurrente y simultáneo a datos e instrucciones, logrando una mejora tanto en la velocidad como en la eficiencia.
A diferencia de la Von Neumann, la arquitectura Harvard ofrece una mayor velocidad y eficiencia tanto en el procesamiento de datos e instrucciones como en la velocidad de procesamiento, siendo una mejor opción en sistemas donde la eficiencia es prioridad.
Tipos de Arquitectura Informática
La estructura de la arquitectura informática puede variar según el propósito o la complejidad del sistema. No obstante, cuando se habla del tema, los siguientes componentes son los más indispensables:
- Procesador: Denominado el “cerebro” del computador, la CPU es la encargada de ejecutar y procesar instrucciones, realizar cálculos, almacenar datos, etc. Los procesadores modernos son capaces de dividir la ejecución de una instrucción en múltiples etapas, permitiendo el procesamiento simultáneo de las instrucciones, dando como resultado un mejor rendimiento.
- Jerarquía de memorias: En la actualidad, las computadoras utilizan varios tipos de memoria para su funcionamiento; la jerarquía ofrece un orden para tantas memorias, optimizando los tiempos de acceso a los datos desde el procesador hasta el nivel más bajo y lento del almacenamiento.
- Sistema de entrada/salida: El sistema de E/S permite una comunicación fluida entre el computador y dispositivos externos, como monitores, teclados, auriculares o dispositivos de almacenamiento…
- Arquitectura de almacenamiento: Se ocupa de cómo se almacenan y recuperan los datos de dispositivos de almacenamiento como discos duros, unidades de estado sólido o unidades ópticas. La misma garantiza la protección, disponibilidad y rápido acceso a los datos.
Nota: Todos los componentes anteriores están conectados a través de un bus del sistema que consta del bus de direcciones, el bus de datos y el bus de control.
