Von Neumann, CPU, memoria, buses y ciclo de instrucción.
Fuente: Apuntes de Introducción a la Informática (arquitectura de computadores).
Resumen estudiable
Modelo de von Neumann
En 1945 von Neumann definió la arquitectura de programa almacenado: tanto las instrucciones como los datos viven en la misma memoria. Un ordenador se compone de CPU, memoria, dispositivos de entrada/salida (E/S) y buses que los comunican (bus de datos, de direcciones y de control).
La CPU
- Unidad de control (UC): interpreta (decodifica) las instrucciones y genera las señales de control. Contiene el contador de programa (PC) (dirección de la siguiente instrucción), el registro de instrucción (IR), el puntero de pila (SP) y el reloj.
- Unidad de tratamiento: la ALU (operaciones aritméticas y lógicas), el banco de registros (memoria interna ultrarrápida), el acumulador y los registros MAR (dirección de memoria a acceder) y MDR (dato leído o escrito). Los flags indican cero, acarreo, signo, desbordamiento.
Ciclo de instrucción
Se carga el programa en memoria y el PC apunta a su primera instrucción. La UC repite: captación (fetch) – lleva la instrucción de la dirección PC al IR e incrementa el PC –, decodificación (decode) y ejecución (execute).
La memoria
Organizada en celdas de 1 byte con dirección propia. Tipos: RAM (volátil, lectura/escritura), ROM y sus variantes PROM/EPROM/EEPROM (no volátiles, firmware). Se organiza en una jerarquía: registros → caché (L1, L2, L3) → RAM → almacenamiento secundario (SSD/HDD). Cuanto más arriba, más rápida, más cara y más pequeña. La latencia es el tiempo entre solicitar un dato y empezar a recibirlo (RAM→SSD es cientos o miles de veces más lento).
Familias de procesadores
- CISC (x86-64, Intel/AMD): muchas instrucciones, complejas y de longitud variable; gran compatibilidad.
- RISC (ARM, RISC-V): pocas instrucciones simples de longitud fija; mayor eficiencia energética (móviles, tablets).
- GPU: miles de unidades simples en paralelo frente a las pocas pero potentes de la CPU.
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La arquitectura de un ordenador actual sigue el modelo de von Neumann, basado en el programa almacenado: instrucciones y datos residen en la misma memoria. Sus componentes son la CPU, la memoria principal, los dispositivos de entrada/salida y los buses (datos, direcciones y control) que los interconectan.
La CPU contiene la unidad de control, que decodifica las instrucciones y coordina el resto mediante señales de control (con el contador de programa PC y el registro de instrucción IR), y la unidad de tratamiento, formada por la ALU, que realiza operaciones aritméticas y lógicas, y los registros (acumulador, MAR, MDR). El funcionamiento es cíclico: captación (fetch) de la instrucción apuntada por el PC, decodificación y ejecución.
La memoria se organiza en una jerarquía (registros, caché, RAM, almacenamiento secundario) que equilibra velocidad, capacidad y coste: la RAM es volátil y el SSD o el disco son no volátiles. Por último, existen arquitecturas CISC (x86-64) y RISC (ARM), que difieren en el repertorio de instrucciones.
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