Arquitectura de Von Neumann para niños
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La arquitectura Von Neumann es un diseño fundamental para las computadoras. Fue propuesta en 1945 por el matemático y físico John von Neumann y otros colaboradores. Este modelo describe cómo se organizan las partes principales de una computadora digital.
En una computadora con arquitectura Von Neumann, tanto las instrucciones (los pasos que la computadora debe seguir) como los datos (la información con la que trabaja) se guardan en la misma memoria. Además, comparten un mismo camino para comunicarse, llamado bus. Esto significa que la computadora no puede buscar una instrucción y procesar datos al mismo tiempo, lo que a veces puede limitar su velocidad. A esta limitación se le conoce como el "cuello de botella de Von Neumann".
Este diseño es más sencillo que otras arquitecturas, como la arquitectura Harvard, que usa caminos separados para las instrucciones y los datos. La mayoría de las computadoras modernas usan una versión de la arquitectura Von Neumann para su memoria principal.
Contenido
Historia de las computadoras con programa almacenado
Las primeras computadoras eran muy diferentes a las de hoy. Tenían programas fijos, lo que significaba que para cambiar lo que hacían, había que "recablearlas" o rediseñarlas. Imagina una calculadora: solo puede hacer operaciones matemáticas básicas. No puedes usarla para escribir un texto o jugar un videojuego sin cambiar su diseño interno.
Cambiar el programa de estas máquinas era un trabajo muy largo y complicado. Podía tomar semanas preparar un nuevo programa para una computadora como la ENIAC.
El gran avance: la computadora con programa almacenado
La situación cambió con la idea de la computadora con programa almacenado. Esto significa que la computadora puede guardar sus instrucciones (el programa) en la misma memoria donde guarda los datos. Así, para cambiar lo que hace la computadora, solo hay que cargar un nuevo programa en su memoria, sin necesidad de modificar su estructura física.
Esta idea permitió que las computadoras fueran mucho más flexibles. También hizo posible crear programas que pudieran, de alguna manera, "escribir otros programas", lo que es la base de herramientas como los compiladores y los ensambladores que usamos hoy.
Desventajas del diseño Von Neumann
Aunque es muy útil, el diseño Von Neumann tiene algunas desventajas. Además del "cuello de botella" que ya mencionamos, si un programa funciona mal, podría dañar otros programas o incluso el sistema principal de la computadora. Sin embargo, las computadoras modernas tienen sistemas de protección de memoria que evitan que esto suceda, protegiendo los programas de errores o de software malintencionado.
Quiénes desarrollaron el concepto
La idea de una computadora con programa almacenado no fue de una sola persona. Varios científicos trabajaron en conceptos similares al mismo tiempo.
- El matemático Alan Turing describió en 1936 una máquina teórica, la "Máquina de Turing universal", que podía almacenar instrucciones y datos en una memoria infinita.
- En 1936, Konrad Zuse también propuso en sus patentes que las instrucciones de una máquina podían guardarse en la misma memoria que los datos.
- J. Presper Eckert y John Mauchly, mientras desarrollaban la computadora ENIAC en la Universidad de Pensilvania, escribieron sobre el concepto de "programa almacenado" en 1943. Ellos propusieron construir una computadora práctica que guardara datos y programas en una nueva memoria.
John von Neumann se unió a los debates sobre el diseño de una nueva computadora, la EDVAC, en 1944. Él escribió un informe detallado sobre este diseño en 1945, que se hizo muy conocido. Aunque el informe incluía ideas de Eckert y Mauchly, solo llevaba el nombre de von Neumann, lo que causó algo de controversia. Debido a la gran difusión de este informe, el diseño se conoció como "arquitectura Von Neumann".
Es importante saber que muchos científicos contribuyeron a esta idea. El colega de von Neumann, Stan Frankel, dijo que von Neumann siempre reconoció que la idea fundamental venía de Turing.
Cómo funciona una máquina Von Neumann
Una máquina Von Neumann, como la mayoría de las computadoras que usamos, tiene cuatro partes principales:
- Unidad Central de Procesamiento (CPU): Es el "cerebro" de la computadora. Ejecuta las instrucciones y realiza cálculos. Está formada por:
* Unidad Aritmético Lógica (ALU): Hace operaciones matemáticas y lógicas. * Registros del procesador: Pequeñas áreas de almacenamiento muy rápidas dentro de la CPU. * Unidad de Control (UC): Dirige todas las operaciones, decodifica las instrucciones y asegura que se ejecuten en el orden correcto.
- Memoria: Es donde se guardan tanto las instrucciones del programa como los datos que la CPU necesita. Cada espacio de memoria tiene una dirección única.
- Dispositivos de Entrada y Salida (E/S): Permiten a la computadora comunicarse con el mundo exterior. Por ejemplo, el teclado es un dispositivo de entrada y la pantalla es uno de salida.
Primeras computadoras basadas en la arquitectura Von Neumann
Muchas de las primeras computadoras importantes se basaron en este diseño. Algunas de ellas son:
- La Máquina Experimental de Pequeña Escala de Mánchester (SSEM), conocida como "Baby", que ejecutó su primer programa almacenado el 21 de junio de 1948 en Inglaterra.
- La EDSAC (Universidad de Cambridge, Inglaterra), que fue una de las primeras computadoras electrónicas prácticas con programa almacenado (mayo de 1956).
- La EDVAC (Laboratorio de Investigación Balística, EE. UU.), que fue presentada en agosto de 1949.
Otras computadoras importantes de esa época incluyen la Manchester Mark I, CSIRAC, ORDVAC, IAS machine, MANIAC I, ILLIAC, AVIDAC, ORACLE, JOHNNIAC, BESK, BESM-1, DASK, PERM, SILLIAC y WEIZAC.
Evolución de la arquitectura
Con el tiempo, las computadoras se hicieron más pequeñas y rápidas. Esto llevó a mejoras en la arquitectura Von Neumann. Por ejemplo, se hizo posible que los dispositivos de entrada y salida se comunicaran con la CPU de manera similar a la memoria, usando un solo bus de sistema. Esto hizo que las computadoras fueran más modulares y económicas.
El cuello de botella de Von Neumann
El "cuello de botella de Von Neumann" es un problema que surge porque la CPU y la memoria comparten el mismo camino para los datos. La CPU es muy rápida, pero a menudo tiene que esperar a que los datos lleguen desde la memoria o a que se envíen a ella. Esto limita la velocidad general de la computadora, especialmente cuando se trabaja con mucha información.
Este término fue creado por John Backus en 1977. Él decía que este cuello de botella no solo limitaba el flujo de datos, sino que también nos hacía pensar en la programación de una manera muy limitada, moviendo "una palabra a la vez".
Para reducir este problema, las computadoras modernas usan varias técnicas:
- Memoria caché: Es una memoria muy rápida y pequeña que guarda los datos que la CPU usa con más frecuencia, para que no tenga que ir a la memoria principal tan seguido.
- Arquitectura Harvard modificada: Algunas partes de la computadora usan caminos separados para datos e instrucciones, como en la arquitectura Harvard, para acelerar ciertas operaciones.
- Computación paralela: Se usan varias CPUs o núcleos que trabajan al mismo tiempo para procesar datos más rápido.
A pesar de estas mejoras, el cuello de botella sigue siendo un desafío importante en el diseño de computadoras.
Galería de imágenes
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Diagrama de la arquitectura von Neumann.
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Diagrama de la arquitectura von Neumann.
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Diagrama de la arquitectura von Neumann.
Véase también
En inglés: Von Neumann architecture Facts for Kids
