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Arquitectura de Von Neumann

La idea es el programa almacenado: las instrucciones y los datos se guardan juntos en la misma memoria, y los dos en binario. Antes, en máquinas como el ENIAC, el programa estaba cableado y para cambiar de tarea había que recablear el equipo. Con el programa en memoria, cambiar de tarea es cargar otro programa, y por eso un ordenador es una máquina de propósito general.

Las partes

Los tres buses

Con un bus de direcciones de m bits se pueden señalar 2^m celdas. Con 32 bits son unos 4 GB.

Pregunta de desarrollo

La arquitectura de Von Neumann, propuesta en 1945 en el informe del EDVAC, se basa en el programa almacenado: las instrucciones y los datos se guardan juntos en la misma memoria principal y en binario. Antes, en máquinas como el ENIAC, cambiar de programa obligaba a recablear el equipo. El primer ordenador con esta arquitectura fue el EDVAC (1949) y el primero comercial el UNIVAC I (1951).

El ordenador tiene cuatro partes. La CPU ejecuta las instrucciones y está formada por la unidad de control, que lee cada instrucción, la identifica y genera las señales para el resto; la unidad aritmético-lógica, que hace las operaciones aritméticas y lógicas; y los registros, entre ellos el contador de programa, que apunta a la siguiente instrucción. La memoria principal se divide en celdas con una dirección cada una y permite leer y escribir. La unidad de entrada/salida comunica el ordenador con los periféricos.

Las partes se comunican por tres buses: el de datos, bidireccional; el de direcciones, que va solo hacia la memoria; y el de control, con las señales de lectura, escritura y reloj. Cada instrucción se ejecuta en dos fases. En la búsqueda, la dirección del contador de programa va a la memoria, la instrucción se copia al registro de instrucción y el contador se incrementa. En la ejecución, la unidad de control la decodifica y se realiza. Esta arquitectura la siguen casi todos los ordenadores actuales, del PC al móvil.

Acompáñala del esquema de arriba dibujado a mano.

El ciclo de instrucción

La CPU repite siempre dos fases. La búsqueda trae la siguiente instrucción de memoria a la CPU, y es igual para todas. La ejecución hace lo que dice la instrucción, y cambia según cuál sea.

Abajo hay una CPU con un programa de 4 instrucciones en las celdas 0 a 3, y dos datos (3 y 4) en las celdas 5 y 6. El programa suma 3 + 4 y guarda el resultado en la celda 7.

La búsqueda tiene siempre estos cuatro pasos:

1. El CP se copia al RD por el bus de direcciones.
2. El bus de control da la orden de leer y la memoria deja en el RM el contenido de esa celda.
3. El RM pasa al RI por el bus de datos.
4. El CP se incrementa en 1.

La ejecución empieza con el decodificador de la UC reconociendo la instrucción, y después hace los movimientos que haga falta.

Biestable, registro y memoria

Un biestable guarda 1 bit. Un registro son varios biestables que se cargan a la vez. Una memoria son muchos registros de la misma longitud.

Biestable

Tiene dos estados estables, 0 y 1, y mantiene el suyo aunque desaparezca la señal que lo puso. Funciona de forma síncrona: la entrada prepara el valor, pero no se guarda hasta que llega la señal de carga.

Además tiene señales para ponerlo a 0, ponerlo a 1 o darle la vuelta (complemento).

Registro

Su longitud es el número de bits que guarda, numerados de 0 a n−1. Se le pueden hacer cuatro operaciones: puesta a 0, puesta a 1, complemento y desplazamiento. Hay tres desplazamientos, y la diferencia es qué entra por el hueco que queda.

Varios registros con una entrada y una salida comunes forman una batería de registros. SelE elige en cuál se escribe y SelS de cuál se lee, por su número.

Memoria

Una memoria es una batería de registros enorme. El número que elige cada registro es su dirección, de 0 a N−1. Por ser tan grande, es más lenta que un registro.

• Ancho de palabra: bits de cada registro de la memoria, siempre potencia de 2 (8 a 64).
• Tamaño en palabras: cuántos registros tiene.
• Capacidad = tamaño en palabras × ancho de palabra.
• Tiempo de ciclo: lo máximo que tarda una lectura o escritura. Al terminar, la memoria emite la señal de fin de ciclo.

Unidades: 1 byte = 8 bits, y kB, MB, GB y TB van de 1024 en 1024. Por ejemplo, 8 GB = 8192 MB.

Operadores

Un operador es el circuito que hace una operación aritmética o lógica. La UAL está hecha de ellos. Se clasifican de tres formas, y cada operador tiene una etiqueta de cada una.

Las aritméticas típicas son cambio de signo, suma, resta, multiplicación y división.

Enlaces, buses y señales

Para pasar un dato de n bits entre dos piezas hace falta un enlace de n líneas. Si una pieza puede recibir de varias, necesita además señales de selección para saber de cuál toma el dato.

Con muchas piezas no se puede poner un enlace por cada pareja, así que se usa un bus: un camino común al que se conectan todas. Las señales SEOn eligen qué pieza escribe en el bus en cada momento. El destino no se selecciona, porque pueden leer varias piezas a la vez.

Señales de nivel y de pulso

El secuenciador de la UC activa las señales al ritmo del reloj. Se diferencian por cuánto duran.

UAL, UC y E/S por dentro

UAL

Los dos operandos entran por el bus de datos a dos registros auxiliares, el operador calcula, el resultado sale al acumulador y el registro de estado anota cómo fue la operación.

UC

Contiene el RI, el CP, el registro de estado, el reloj y el circuito de control. Este último tiene dos partes: el decodificador, que reconoce la instrucción, y el secuenciador, que lanza las señales en orden.

Memoria

La memoria se une a los buses con el RD (se carga con la señal CRDBA) y el RM (señales CRMM y CRMBD). Para leer se activa la señal L y para escribir la E, las dos durante todo el tiempo de ciclo. Las de carga son pulsos.

Entrada/Salida

El controlador maneja el periférico y la interfaz gestiona el intercambio con la CPU. Hay tres formas de hacer una transferencia, según cuánto tiene que intervenir la CPU.

Con bus único, memoria y E/S comparten los buses y cada periférico tiene su dirección (los puertos de E/S). Es sencillo, pero no permite dos transferencias a la vez. Con bus dedicado, la E/S tiene buses propios.

Una interfaz es lo que traduce entre dos sistemas distintos, como una persona y un ordenador. Puede ser de usuario, física (USB), gráfica (GUI) o un puerto físico o lógico.

Componentes de un PC

El procesador es la CPU de Von Neumann, la RAM es la memoria principal, los buses van por la placa base y los discos son memoria auxiliar.

Placa base y chipset

Solo la RAM y la gráfica en el PCIe x16 hablan directamente con la CPU. USB, discos SATA y red pasan antes por el chipset (con el PCH), porque son mucho más lentos que la CPU. El chipset también decide cuántas líneas PCIe hay, qué memoria se soporta y si se puede hacer overclocking.

En la placa hay piezas soldadas (como el chipset) y conectadas (como la RAM o las tarjetas). Sus partes son:

• Zócalo del procesador y zócalos de memoria
• Chipset
• BIOS y CMOS, con su pila CR2032
• Ranuras de expansión
• Conectores de E/S y de alimentación
• Cabeceras del panel frontal (encendido, reset, LEDs)

Formatos, de mayor a menor: E-ATX, ATX, micro-ATX, mini-ITX y nano-ITX.

Zócalo PGA: los pines están en el procesador. Zócalo LGA: los pines están en la placa.

Fuente y refrigeración

La fuente convierte la corriente alterna de 220 V en continua de +12 V, +5 V y +3,3 V. Se elige por:

• Potencia en vatios (W)
• Formato: ATX, SFX o TFX
• Certificado de eficiencia 80 Plus

Sus conectores son el ATX de 20+4 pines, Molex, SATA y el de ventilador de 3 pines.

El calor viene sobre todo de la fuente y el procesador. Se saca con disipador, ventilador y pasta térmica, y los ventiladores de la caja crean un efecto chimenea: el aire frío entra por abajo y el caliente sale por arriba.

Procesador

Dentro tiene registros, UC y UAL. Se compara por:

• Núcleos
• Velocidad en GHz
• Caché: L1, L2 y L3
• Consumo (TDP)
• Proceso de fabricación en nm

Ejecuta las instrucciones en fases: PreFetch, Fetch, decodificación, lectura de operandos, ejecución y escritura.

RAM

Es volátil (se borra al apagar) y de acceso aleatorio. Va de DDR a DDR5, y cada generación tiene la muesca en otro sitio, así que no son compatibles entre sí. La latencia CAS son los ciclos de reloj para acceder a una columna. VRAM es la de las gráficas y LPDDR la de bajo consumo.

PCI Express

Es un bus serie por carriles. Las ranuras x1, x4, x8 y x16 tienen ese número de carriles y son más largas cuantos más tienen. Cada versión, de la 1.0 a la 5.0, duplica más o menos el ancho de banda, y son compatibles entre sí.

Almacenamiento

El disco duro guarda en platos que giran, organizados en caras, pistas, cilindros y sectores de 512 bytes. Para localizar un sector se usó CHS (cilindro, cabeza, sector) y hoy se usa LBA, que numera los sectores seguidos. El SSD usa memoria flash NAND sin piezas móviles: mucho más rápido, pero más caro por GB.

Las controladoras traducen entre el procesador y el disco y hoy van integradas en la placa. IDE y SCSI son interfaces antiguas. Otros soportes: USB, discos ópticos (CD, DVD, Blu-ray), tarjetas de memoria, NAS y la nube.

Tarjetas, conectores, BIOS y redes

Tarjetas y periféricos

Una tarjeta de expansión añade algo que la placa no trae y va por PCIe:

• Gráfica, con su propia GPU
• Red
• Sonido: convierte entre señal digital y analógica
• Adaptadora de puertos

En portátiles se usaba Mini PCI, y hoy Mini PCIe o M.2.

Monitores: CRT, LCD, TFT y LED/OLED. La resolución son píxeles horizontales × verticales: Full HD es 1920×1080 y 4K es 3840×2160.

Conectores

BIOS y UEFI

La BIOS es el programa de la placa que arranca el equipo. Su configuración se guarda en la CMOS. Al encender:

1. Hace el POST (autocomprobación de procesador, memoria, vídeo y teclado). Un pitido corto significa que todo está bien. Los códigos de error dependen del fabricante.
2. Busca un dispositivo de arranque.
3. Cede el control al cargador del sistema operativo.

Un SoC mete CPU, GPU, memoria y controladores en un solo chip: menos tamaño, consumo y coste, pero no se puede ampliar nada por separado. Es lo que llevan móviles y Raspberry Pi.

Seguridad y verificación

Normas de seguridad:

• Apagar y desconectar el equipo antes de abrirlo.
• Evitar la descarga electrostática: pulsera y bolsas antiestáticas, y coger las piezas por los bordes.
• Usar herramientas adecuadas y enchufes con toma de tierra.

Para verificar un equipo:

Comunicaciones y redes

Puertos antiguos: serie (DB-9) y paralelo (DB-25). El cable de red usa RJ45, llega a 100 m y puede ser directo o cruzado.

El Wi-Fi funciona en modo infraestructura (con punto de acceso) o ad hoc (equipo a equipo). Se protege con:

• Clave cifrada WPA2/WPA3
• SSID oculto
• Filtrado MAC (la MAC se ve con ipconfig /all)

Bluetooth 4.0 es de bajo consumo y 5.0 tiene más velocidad y alcance. Los dos usan emparejamiento y cifrado.

Red cableada: se comprueba el cable, los LEDs y el estado de la conexión. La IP se configura por DHCP o a mano (IP, máscara, puerta de enlace y DNS).

Test

Las 15 primeras son el banco de preguntas aprobado por el profesor. Las demás son las trampas que él corrigió en el foro.