Arquitectura propuesta por Von Neumann

En la actualidad se utilizan dos tipos principales de ordenadores: analógicos y digitales. Sin embargo, el término ordenador suele utilizarse para referirse exclusivamente al tipo digital.
Existen muchas opciones posibles a la hora de diseñar un ordenador digital. En la actualidad la más aceptada es la denominada arquitectura de Von Neumann, propuesta por el matemático húngaro John von Nuemann en 1945. Esta arquitectura consta de las siguientes partes.

Unidad de Memoria (UM):

es la encargada de almacenar la información. Esta arquitectura se caracteriza por utilizar dicha unidad tanto para almacenar información como para programas. Aquí surge el concepto de programa almacenado. De esta manera, un ordenador puede utilizarse para varios cometidos sin necesidad de reprogramarlo

Unidad central de Proceso (CPU) o microprocesador:

Es el circuito integrado constituido por millones de componentes electrónicos. Se encarga de interpretar las instrucciones contenidas en los programas y procesa los datos. Constituida esencialmente por:
        Unidad de Control (UC): Su objetivo es gestionar y coordinar todas las unidades funcionales   para obtener el fin deseado. Gran parte de la complejidad de un ordenador reside en el diseño de esta unidad ya que dependiendo de como funcione, así sera el rendimiento del equipo.
        Unidad Aritmetico- Lógica (UAL): Tiene como cometido realizar las operaciones necesarias para procesar la información.
Su propia memoria integrada que no es la RAM.

Unidad de Entrada/Salida (UE/S):

Su misión es realizar las operaciones de introducción y extracción de información en el ordenador. Es el bloque que le da realmente sentido a la utilidad de un ordenador, ya que le permite al usuario introducir información en él y al ordenador mostrarle información al usuario.

Buses de comunicación:

Todas estas unidades se comunican entre sí a través de unos canales llamados buses.
Los buses pueden ser de diferentes tipos, en función de lo que circule por ellos:

• Bus de Datos (BD): Transfiere datos entre los elementos del ordenador.
• Bus de Direcciones (BA): Transfiere direcciones entre la UC y UM.
• Bus de Control (BC): Emite las señales de control que gobiernan el funcionamiento de las unidades.

Así pues, según esta arquitectura, el usuario proporciona una información de entrada a través de la UE/S. Esta información es translada a la UM, que envía las instrucciones oportunas a la UC para que las interprete. y ordene comenzar a la UAL la secuencia de cálculos que desembocará en la información de salida. Esta información, almacenada en la UM, se presenta al usuario a través de la UE/S, concluyendo así el ciclo.

Esquema básico arquitectura Von Neumann.

UNIDAD DE MEMORIA (UM)

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Antes de hablar de a unidad de memoria conviene indicar que la memoria en un ordenador se organiza en varios niveles en función de su velocidad. Esta distribución se denomina jerarquía de memoria y optimiza el uso de esta ya que la información se ubica en un determinado nivel según su probabilidad de ser utilizada: a mayor probabilidad, menor nivel.
Los niveles están diseñados de forma que las memorias más rápidas se sitúan en los niveles más bajos. Existe una relación entre la velocidad de una memoria y su capacidad y coste.

• Auxiliar: Esta memoria se usa como soporte de respaldo de información, pudiendo situarse en medios extraíbles o en red.
• Secundaria:También llamada memoria de disco. Se utiliza para almacenar información de forma permanente, por lo que es de alta capacidad.
• Principal: Conocida también como memoria RAM. Es el bloque que constituye realmente la UM. Se emplea para almacenar datos y programas de forma temporal.
• Caché: Memoria intermedia entre la UM y la CPU utilizada como apoyo para acelerar los accesos de la CPU a la UM. La cache, en realidad, está dispuesta en varios niveles (L1, L2, L3, L4) siendo la L1 la más rápida y menor capacidad, y la L4 la más lenta y de mayor capacidad.
• Registros: son memorias de alta velocidad y baja capacidad utilizadas para el almacenamiento intermedio de datos en las unidades funcionales, especialmente en la UC y la UAL.

La unidad de memoria viene a coincidir con la memoria principal. La unidad de memoria está compuesta por un elemento de memoria y dos registros auxiliares.
El elemento de memoria a su vez, está compuesto por un conjunto de celdas, cada una de las cuales tiene capacidad para un Byte.
Todas las celdas están identificadas por un número llamado dirección de memoria.
Los registros auxiliares son:

• Un registro de direcciones (RD)
• Un registro de datos (RM)

Sobre la memoria se pueden realizar dos tipos de operaciones:

• Lectura (L) con la que se accede a la información que contiene.
• Escritura (E) con la que se introduce información en la memoria. 

UNIDAD CENTRAL DE PROCESO (CPU) O MICROPROCESADOR

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El procesador o microprocesador, es el componente principal del ordenador y otros dispositivos programables, que interpreta las instrucciones contenidas en los programas y procesa los datos. Las CPU proporcionan la característica fundamental del ordenador digital (la programabilidad) y son uno de los componentes necesarios encontrados en los ordenadores de cualquier tiempo, junto con la memoria principal y los dispositivos de entrada/salida. Se conoce como microprocesador el CPU que es manufacturado con circuitos integrados. el término "CPU" es aplicado usualmente a todos los microprocesadores. La expresión "unidad central de proceso" es, en términos generales, un dispositivo lógico que pueden ejecutar complejos programas de ordenador.

La función de Unidad de Control (UC) es buscar las instrucciones en la memoria principal, decodificarlas (interpretación) y ejecutarlas, empleando para ello la unidad de proceso.
Existen dos tipos de unidades de control, las cableadas, usadas generalmente en máquinas sencillas, y las microprogramadas, propias de máquinas más complejas. En el primer caso, los componentes principales son el circuito de lógica secuencial, el de control de estado, el de lógica combinacional y el de emisión de reconocimiento de señales de control. En el segundo caso, la microprogramación de la unidad de control se encuentra almacenada en una micromemoria, a la cual se accede de manera secuencial para posteriormente ir ejecutando cada una de las microinstrucciones. Estructura del computador: Unidad aritmético-lógica (UAL o ALU por su nombre en inglés, Arithmetic Logic Unit): aquí se llevan a cabo las operaciones aritméticas y lógicas.
Por otra parte esta la unidad de control, que fue históricamente definida como una parte distinta del modelo de referencia de 1946 de la Arquitectura de von Neumann. En diseños modernos de computadores, la unidad de control es típicamente una parte interna del CPU y fue conocida primeramente como arquitectura Eckert-Mauchly. Memoria: que almacena datos y programas. Dispositivos de entrada y salida: alimentan la memoria con datos e instrucciones y entregan los resultados del cómputo almacenados en memori. Buses: proporcionan un medio para transportar los datos e instrucciones entre las distintos y pequeños que la memoria principal (los registros), constituyen la unidad central de procesamiento (UCP o CPU por su nombre en inglés: Central Processing Unit)

La Unidad Aritmeticológica (ALU) es un circuito digital que calcula operaciones aritméticas (como suma, resta, multiplicación, etc.) y operaciones lógicas (si, y, o, no), entre dos números.
Muchos tipos de circuitos electrónicos necesitan realizar algún tipo de operación aritmética, así que incluso el circuito dentro de un reloj digital tendrá una ALU minúscula que se mantiene sumando 1 al tiempo actual, y se mantiene comprobando si debe activar el sonido de la alarma, etc.
Por mucho, los más complejos circuitos electrónicos son los que están construidos dentro de los chips de microprocesadores modernos. Por lo tanto, estos procesadores tienen dentro de ellos un ALU muy complejo y potente. De hecho, un microprocesador moderno (y los mainframes) puede tener múltiples núcleos, cada núcleo con múltiples unidades de ejecución, cada una de ellas con múltiples ALU.
Muchos otros circuitos pueden contener en el interior una unidad aritmético lógica: unidades de procesamiento gráfico como las que están en las GPU modernas, FPU como el viejo coprocesador matemático 80387, y procesadores digitales de señales como los que se encuentran en tarjetas de sonido, lectoras de CD y los televisores de alta definición. Todos éstos tienen en su interior varias ALU potentes y complejas.

Fuentes utilizadas:

• Wikipedia- ALU
• Wikipedia- CPU
• Wikipedia- UC
• Apuntes Propios