Arquitectura De Computadoras

Concepto.

Se trata del conjunto de estructuras tanto físicas como lógicas que influyen de manera directa en las funciones y diseño del Hardware de una máquina, teniendo estas características, también influencia en el Software, siendo el objetivo primordial de la arquitectura el aumento del rendimiento de las computadoras. 

A inicios de 1800, Charles Babbage, profesor de la Universidad de Cambridge, fue el primero en idear las variables involucradas en los sistemas mecánicos de la época y define los 3 elementos que intervienen: la máquina, el programa y el artífice ó programador, de allí que los elementos que intervienen para que el sistema funcione son los siguientes:

1.- Humanware: es el elemento humano, quién tienen una gran gama de funciones en general, entre ellas la de controlar el funcionamiento del equipo, manejar las operaciones, crear el Software para la máquina, reparar los equipos; de allí que se puede especializar en ciertas ramas como programador, diseñador de gráficos, operador capturista, Gamer, administrador de bases de datos, soporte Hardware, etc.

2.- Software: se trata del conjunto de utilidades, sistemas operativos, suites, datos, etc., lo que de manera común se le denomina parte intangible de la computadora y que se encuentra basada en interpretaciones de ceros y unos (bits).

3.- Hardware: se trata del soporte físico del equipo, no solamente de almacenamiento, sino en general toda parte mecánica y electromecánica que tenga una función en el dispositivo, tal como el disco duro, el ratón, los puertos, etc.

Arquitectura de Von Neumann.

En 1945 aproximadamente, se construye una computadora basada en el uso de tecnología de bulbos denominada ENIAC ("Electronic Numerical Intergator and Calculator"), que pesaba cerca de 30,000 Kg, se instaló en una gran habitación y requirió de gran ventilación. Bien, esta gran máquina funcionaba a base de estar conectando y desconectando cables según la función que se quería que realizara, esta función de "recablear", es sinónimo de programar pero era muy complicado el proceso.

En 1947 el matemático John Von Neumann ideó una solución que evitaría el "recablear" la ENIAC, la cuál consistía en introducir las operaciones por medio de tarjetas perforadas, por lo que un programa previamente "almacenado" y en las tarjetas, se podía mantener latente en memoria para su uso. Este modelo permite que las instrucciones se encuentren residentes en una memoria listas para ser leídas y ejecutadas.

Memoria principal: se trata de un espacio de almacenamiento temporal de instrucciones y datos, ordenada de manera reticular para localizar de manera sencilla mediante direcciones, dividida en dos partes una para trabajo y otra permanente. En términos modernos, es la memoria RAM que actualmente utilizamos en nuestros equipos.

Unidad aritmética: encargada de realizar todas las actividades matemáticas y de decisión lógicas, cada dato lo recibe de la memoria principal y en ella misma almacena. En términos modernos, es una sección dentro de los microprocesadores.

Unidad de control: controla las señales, lee instrucciones de la memoria y ejecuta las órdenes, también almacena direcciones de la siguiente instrucción que requiere. En términos modernos, es otra sección dentro de los microprocesadores.

Unidad de E/S: (entrada/salida) permite la comunicación con otros dispositivos externos y el compartir datos. En términos modernos, son los puertos de la computadora.

Es importante mencionar que lo anterior es un modelo básico, no hay que olvidar que también hacen falta otros elementos que no entran dentro de la clasificación de Neumann pero que también son importantes como la fuente de suministro de electricidad y la placa base, además de otros secundarios como la unidad de soporte Hardware (gabinete), los ventiladores, etc.

Figura 1. Diagrama de arquitectura de Von Neumann.

Arquitectura multiusuario.

A inicios de 1970, basándose en la arquitectura de Von Neumann, se le realiza una mejora, integrando un DMA (Direct Access Memory) o acceso directo a memoria, la cuál permite que los dispositivos se comuniquen de manera directa con la memoria sin la necesidad de la intervención del microprocesador, por lo que este último puede entonces dedicarse a otras actividades y se libera de carga de trabajo, con ello se vuelve mas eficiente el sistema. De este modo el procesador asigna tiempos a varios usuarios y cada uno percibe que que trabaja de manera exclusiva con un equipo.

Figura 2. Diagrama arquitectura multiusuario.

Arquitectura multiproceso.

Durante los años 70, se desarrolla un tipo nuevo de arquitectura denominada multiproceso, en la cuál se asignan tiempos a los procesos los cuáles pueden permanecer en varios estados como "modo espera", "modo ejecución", "modo cancelación" y "fin de proceso". El modo multiproceso necesita de una gran cantidad de memoria física disponible en el equipo.

Figura 3. Diagrama de arquitectura multiproceso.

Arquitectura de memoria virtual.

Debido al alto costo relativo de la memoria y que la arquitectura multiproceso necesita de grandes cantidades de memoria disponible, se opto por un sistema de emulación de la misma, utilizado el espacio libre de dispositivos como discos duros o disquetes (actualmente un ejemplo muy popular es la función del Software ReadyBoost de Microsoft® Windows Vista que permite utilizar el espacio disponible en memorias USB ó unidades SSD).

Figura 4. Diagrama de arquitectura de memoria virtual.

Arquitectura de redes de datos LAN.

A finales de la década de los anos 70 hasta la fecha en las redes mas avanzadas, se utiliza esta arquitectura que interconecta los equipos entre sí ó los concentra en uno principal llamado servidor o Host. Esta arquitectura permite que se compartan recursos tanto Hardware como Software y reduce costos de operación.

Figura 5. Diagrama de arquitectura de redes de datos LAN.