Arquitectura de computadoras para niños

La arquitectura de computadoras es como el plano o el diseño de una computadora. Imagina que vas a construir una casa: necesitas un plano que muestre dónde va cada habitación, cómo se conectan y qué función tiene cada una. De manera similar, la arquitectura de computadoras describe cómo están organizadas las diferentes partes de una computadora y cómo trabajan juntas.

Se enfoca especialmente en cómo funciona la unidad central de proceso (CPU), que es el "cerebro" de la computadora, y cómo accede a la memoria para guardar y buscar información.

La arquitectura de una computadora se basa en tres principios importantes:

• Velocidad: Qué tan rápido puede hacer las cosas.
• Capacidad: Cuánta información puede guardar o procesar.
• Tipo de conexión: Cómo se comunican las diferentes partes entre sí.

También podemos decir que la arquitectura es la forma en que se conectan los componentes de hardware (las partes físicas de la computadora) para que funcione de la manera que necesitamos, con el rendimiento deseado y a un costo específico.

Las computadoras reciben y envían información a través de los periféricos, que son dispositivos como el teclado, el ratón o la impresora. La CPU es la encargada de procesar toda esa información. Para que esto suceda, la CPU y los periféricos necesitan intercambiar datos constantemente.

Podemos dividir una computadora en dos partes principales:

• La CPU: Es el cerebro que ejecuta los programas. Está compuesta por la memoria principal (donde se guarda la información temporalmente), la unidad aritmético lógica (que hace cálculos y operaciones lógicas) y la unidad de control (que dirige todo el proceso).
• Los periféricos: Son todos los demás dispositivos conectados a la computadora. Pueden ser de entrada (como un teclado), de salida (como una pantalla), de entrada/salida (como una pantalla táctil), de almacenamiento (como un disco duro) o de comunicaciones (como una tarjeta de red).

Arquitectura de computadoras

Diagrama de bloques de una computadora básica con CPU monoprocesador. Las líneas negras indican flujo de datos, mientras que las líneas rojas indican flujo de control. Las flechas indican la dirección del flujo.

¿Cómo funcionan las instrucciones en una computadora?

La forma en que una computadora sigue las instrucciones es similar a una cadena de montaje en una fábrica. En una fábrica, un producto pasa por varias etapas hasta que está terminado. Cada etapa se especializa en una tarea específica y siempre hace lo mismo. Esta idea se aplica al diseño de los procesadores para que sean muy eficientes.

A estos procesadores se les llama procesadores de tubería (o pipeline processors). Están formados por una serie de pasos lineales y secuenciales, donde cada paso realiza una tarea o un grupo de tareas. Los datos entran al sistema para ser procesados. La computadora realiza operaciones con los datos que tiene guardados en la memoria, y luego produce nuevos datos o información para que los usemos.

¿Cómo se clasifican las arquitecturas de computadoras?

Las arquitecturas y los conjuntos de instrucciones (que son las órdenes que la computadora puede entender) se pueden clasificar según varios aspectos:

• Dónde se guardan los datos en la CPU: Esto se refiere a dónde se ubican los datos con los que la CPU va a trabajar.
• Cuántos datos se usan por instrucción: Cuántos datos se mencionan directamente en una instrucción típica. Generalmente son 0, 1, 2 o 3.
• Dónde están los datos: ¿Pueden los datos estar en la memoria, o deben estar en los registros internos de la CPU (que son como pequeños espacios de almacenamiento muy rápidos dentro de la CPU)? También, cómo se indica la ubicación de los datos en la memoria.
• Qué operaciones se pueden hacer: Qué tipo de acciones puede realizar la computadora (sumar, restar, comparar, etc.).
• Tipo y tamaño de los datos: Qué tipo de información se maneja (números, texto) y cuánto espacio ocupa.

¿Qué son las puertas lógicas?

Las puertas lógicas son como pequeños interruptores electrónicos que procesan la lógica de las instrucciones del sistema. Son la base de cómo la computadora toma decisiones. Existen varios tipos básicos:

• NOT: Invierte la señal de entrada. Si entra un "sí", sale un "no".
• AND: Da una salida de "sí" solo si todas sus entradas son "sí".
• OR: Da una salida de "sí" si al menos una de sus entradas es "sí".
• XOR: Da una salida de "sí" si sus entradas son diferentes (una "sí" y otra "no").
• NAND: Es lo opuesto a AND. Da una salida de "no" solo si todas sus entradas son "sí".
• NOR: Es lo opuesto a OR. Da una salida de "sí" solo si todas sus entradas son "no".
• XNOR: Es lo opuesto a XOR. Da una salida de "sí" si sus entradas son iguales.

¿Cómo se guardan los datos en la CPU?

La principal diferencia en cómo se guardan los datos dentro de la CPU se basa en tres opciones:

• Acumulador: Un tipo de arquitectura donde un dato se guarda de forma automática en un lugar especial llamado acumulador. Es como una calculadora sencilla donde el resultado de una operación se guarda para la siguiente.
• Conjunto de registros: Aquí, los datos se guardan en varios espacios de almacenamiento muy rápidos llamados registros.
• Memoria: En este caso, los datos se guardan directamente en la memoria principal.

Es importante recordar que la información que se procesa es muy valiosa.

Tipos de arquitecturas y sus características

• En una arquitectura de acumulador, un dato se usa de forma automática desde el acumulador para las operaciones.
• En la arquitectura de una pila, no es necesario nombrar los datos, ya que se encuentran en la parte superior de una "pila" de información (como una pila de platos, donde solo puedes tomar el de arriba).
• La arquitectura de registros usa datos que se nombran explícitamente y pueden estar en los registros o en la memoria.

Ventajas de las arquitecturas

• Pila:
  • Es un modelo sencillo para evaluar expresiones matemáticas.
  • Las instrucciones pueden ser cortas, lo que ahorra espacio.
• Acumulador:
  • Las instrucciones también son cortas.
  • Simplifica el diseño de la unidad de control de la computadora.
• Registro:
  • Es un modelo más flexible para el código de instrucciones.
  • Facilita la creación automática de código y el uso repetido de datos.
  • Reduce la cantidad de veces que la CPU tiene que ir a buscar datos a la memoria, lo que la hace más rápida.
  • Una computadora suele tener 32 registros, lo que permite un acceso muy rápido a los datos.

Desventajas de las arquitecturas

• Pila:
  • No se puede acceder a los datos de la pila en cualquier orden, solo al de arriba.
  • Esta limitación hace que sea más difícil crear código eficiente.
  • También puede hacer que la pila se convierta en un "cuello de botella", es decir, un punto donde la transferencia de datos se vuelve lenta.
• Acumulador:
  • Como el acumulador es solo un lugar de almacenamiento temporal, la CPU tiene que ir a la memoria con mucha frecuencia, lo que puede ralentizar las cosas.
• Registro:
  • Todos los datos deben ser nombrados, lo que hace que las instrucciones sean más largas.

Galería de imágenes

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  Diagrama de bloques de una computadora básica con CPU monoprocesador. Las líneas negras indican flujo de datos, mientras que las líneas rojas indican flujo de control. Las flechas indican la dirección del flujo.

Véase también

En inglés: Computer architecture Facts for Kids