Arquitectura de Computadoras

Definición: Se refiere a la estructura y organización de un sistema computacional, incluyendo componentes, interconexiones y protocolos de comunicación.
Componentes Principales:
- Unidad Central de Proceso (CPU):
  - Realiza el procesamiento de datos.
  - Compuesta por:
    - Unidad Aritmético-Lógica (ALU): Realiza operaciones matemáticas y lógicas.
    - Unidad de Control (CU): Coordina las acciones de la CPU y supervisa la ejecución de instrucciones.
- Memoria:
  - Memoria Principal (RAM): Almacena datos y programas en uso.
  - Memoria Secundaria: Dispositivos de almacenamiento como discos duros y SSDs.
- Dispositivos de Entrada/Salida (E/S):
  - Facilitan la interacción con el usuario y otros sistemas (teclados, ratones, impresoras, etc.).
Tipos de Arquitectura:
- Arquitectura von Neumann:
  - Utiliza una única memoria para instrucciones y datos.
  - Procesa datos de manera secuencial.
- Arquitectura Harvard:
  - Tiene memorias separadas para instrucciones y datos, lo que permite accesos simultáneos.
- Arquitecturas paralelas:
  - Permiten la ejecución de múltiples procesos simultáneamente (multi-core, GPU).
Ciclo de Instrucción:
- Búsqueda: Recupera la instrucción de la memoria.
- Decodificación: Interpreta la instrucción.
- Ejecución: Realiza la operación indicada.
- Almacenamiento: Guarda el resultado en memoria.
Jerarquía de Memoria:
- Se organiza en niveles según velocidad y costo:
  - Registros (más rápidos y costosos)
  - Caché (intermedia)
  - RAM (más lenta y menos costosa)
  - Almacenamiento secundario (más lento y económico)
Sistema Bus:
- Conjunto de líneas de comunicación que conecta los componentes de una computadora.
- Tipos de buses:
  - Bus de Datos: Transmite datos entre componentes.
  - Bus de Direcciones: Lleva direcciones de memoria.
  - Bus de Control: Coordina actividades y señales.
Arquitectura de Interconexión:
- Define cómo los componentes se comunican entre sí.
- Ejemplos incluyen redes de interconexión, buses y switches.
Consideraciones de Diseño:
- Rendimiento: Velocidad y eficiencia del sistema.
- Escalabilidad: Capacidad de ampliar el sistema.
- Consumo Energético: Importancia en aplicaciones móviles y servidores.
Tendencias Actuales:
- Procesadores multi-core y muchos núcleos.
- Arquitectura de computación en la nube.
- Computación cuántica como una nueva frontera de la arquitectura computacional.

Definición y Componentes

La arquitectura de computadoras se enfoca en la estructura y organización de sistemas computacionales, abarcando componentes, conexiones y protocolos.
La Unidad Central de Proceso (CPU) es el núcleo del procesamiento de datos, compuesta por:
- Unidad Aritmético-Lógica (ALU): Realiza operaciones matemáticas y lógicas.
- Unidad de Control (CU): Coordina tareas y supervisa la ejecución de instrucciones.
La memoria se clasifica en:
- Memoria Principal (RAM): Almacena datos y programas activos.
- Memoria Secundaria: Incluye dispositivos como discos duros y SSD.

Dispositivos y Tipos de Arquitectura

Dispositivos de Entrada/Salida (E/S) permiten la interacción con usuarios y otros sistemas, incluyendo teclados y ratones.
Tipos de arquitectura computacional incluyen:
- Arquitectura von Neumann: Usa una única memoria para instrucciones y datos; realiza procesamiento secuencial.
- Arquitectura Harvard: Posee memorias separadas para instrucciones y datos, permitiendo accesos simultáneos.
- Arquitecturas paralelas: Facilitan la ejecución de procesos múltiples simultáneamente, como multi-core y GPU.

Ciclo de Instrucción y Jerarquía de Memoria

El ciclo de instrucción consta de cuatro etapas:
- Búsqueda: Recupera la instrucción de la memoria.
- Decodificación: Interpreta la instrucción.
- Ejecución: Realiza la operación correspondiente.
- Almacenamiento: Guarda el resultado en memoria.
La jerarquía de memoria se organiza por velocidad y costo:
- Registros: Más rápidos y costosos.
- Caché: Intermedia en velocidad y costo.
- RAM: Lenta comparada con registros y más económica.
- Almacenamiento secundario: Más lento y de bajo costo.

Sistema Bus y Arquitectura de Interconexión

El sistema bus conecta componentes mediante líneas de comunicación.
Tipos de buses son:
- Bus de Datos: Transmite información entre componentes.
- Bus de Direcciones: Lleva direcciones de memoria.
- Bus de Control: Coordina actividades y señales en el sistema.
La arquitectura de interconexión determina la comunicación entre componentes, utilizando redes, buses y switches.

Consideraciones de Diseño y Tendencias Actuales

Factores de diseño importantes:
- Rendimiento: Impacta en la velocidad y eficiencia del sistema.
- Escalabilidad: Capacidad para expandir el sistema según sea necesario.
- Consumo energético: Fundamental en aplicaciones móviles y servidores.
Tendencias actuales incluyen el uso de procesadores multi-core, computación en la nube y el desarrollo de la computación cuántica como frontier tecnológica.