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Resumen Universitario – Arquitectura de
Computadores, Capítulo 1
1. Tipos y Definición de Computadoras
Las computadoras son máquinas electrónicas capaces de recibir, almacenar, procesar y producir información siguiendo instrucciones. Existen tres tipos principales:
● Digitales : Utilizan bits (0 y 1) para representar y procesar datos mediante operaciones matemáticas y lógicas. Son las más comunes, desde PCs hasta supercomputadoras.
● Analógicas : Procesan señales continuas como voltajes. Se emplean en sistemas que requieren cálculos en tiempo real, como el modelado de procesos físicos.
● Híbridas : Combinan lo digital y lo analógico. Se usan en aplicaciones como control de vuelos o teléfonos móviles, que manejan tanto señales físicas como datos digitales.
2. Arquitectura y Organización de Computadoras
Aunque se usan a menudo como sinónimos, estos términos tienen diferencias:
● Arquitectura : Conjunto de características visibles al programador, como el conjunto de instrucciones, modos de direccionamiento, y el mapa de memoria.
● Organización : Se refiere a los componentes internos y su interconexión, como buses, interfaces y tecnologías usadas.
Diferentes fabricantes pueden usar la misma arquitectura pero distintas organizaciones. Un ejemplo clásico es la arquitectura x86-64, usada tanto por Intel como por AMD.
Tipos de Arquitectura
a. Von Neumann
Es la más utilizada. Usa una única memoria para instrucciones y datos, lo que simplifica el diseño y permite almacenar programas junto con la información que deben procesar.
Componentes:
● Unidad de entrada y salida (E/S)
● Unidad de memoria
● Unidad aritmético-lógica (ALU)
● Unidad de control
● Bus para interconectar componentes
b. Harvard
Distingue entre memoria de instrucciones y de datos, permitiendo acceso simultáneo. Es común en microcontroladores, los cuales integran componentes específicos para tareas como control de dispositivos.
3. Funcionamiento de la Computadora Digital
Modos de Programación
● Hardware : Conexiones físicas para una tarea específica, más rápidas pero inflexibles.
● Software : Uso de programas para dirigir el flujo de datos a través de circuitos generales. Más flexible y escalable.
Sistema de Interconexión (Bus)
Los componentes se comunican a través de un sistema de bus compartido que permite reducir la complejidad del cableado interno. Es comparable a una red eléctrica con una línea principal y derivaciones.
Ciclo Básico de Ejecución
- Cálculo de dirección de instrucción (CDI)
- Búsqueda de instrucción (BI)
- Decodificación (DI)
- Cálculo de dirección del operando (CDO)
- Búsqueda del operando (BO)
- Ejecución (EJEC)
Un sistema de computación incluye no solo la unidad central, sino también todos los periféricos que permiten la interacción humano-máquina: pantallas, teclados, sensores, impresoras, etc.
Medición del Rendimiento
La métrica principal es el tiempo de ejecución :
● Tej : Tiempo que percibe el usuario desde que ejecuta hasta que recibe una respuesta.
● TCPU : Tiempo efectivo medido por el procesador durante la ejecución.
Indicadores clave según el nivel:
● Niveles bajos (físico, digital) : frecuencia de reloj, ciclos por instrucción (CPI), transistores, etc.
● Nivel 2 (ISA) : MIPS, FLOPS, ancho de banda.
● Nivel 3 (Sistema Operativo) : cantidad de procesos, hilos.
● Nivel 4+ (Aplicaciones) : complejidad algorítmica, eficiencia de código, tiempo de respuesta al usuario.
Ley de Amdahl
Permite calcular la mejora global del sistema al optimizar un componente que solo se usa durante una parte del tiempo total de ejecución. La fórmula:
S=XF+X(1−F)S = \frac{X}{F + X(1 - F)}
Donde:
● S es la aceleración obtenida,
● X es la mejora aplicada al componente,
● F es la fracción de tiempo en que se usa dicho componente.
Conclusión
Este capítulo introduce de forma integral los fundamentos de las computadoras digitales, desde su clasificación hasta los modelos de arquitectura, ciclos de operación, estructuras
multinivel y evaluación del rendimiento. Esta base es esencial para comprender tanto el diseño físico como lógico de los sistemas modernos, y para avanzar en el estudio del hardware y software a nivel universitario.
