Arquitectura de Computadores

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La arquitectura informática es un modelo  conceptual de un sistema informático, plasmado en sus componentes, su interacción entre sí y con el entorno, incluidos los principios de su diseño y desarrollo [1] [2] . Los aspectos de implementación (como la tecnología utilizada para implementar la memoria ) no forman parte de la arquitectura [3] .

Niveles de organización

Existen varios niveles de organización informática (arquitectura informática), desde dos o más: [3]

Nivel 0 El nivel lógico digital es el hardware de la máquina, formado por compuertas . Véase también Elementos lógicos (latches), flip- flops , registros . Nivel 1 Nivel microarquitectónico , interpretación (firmware) o ejecución directa. Los circuitos electrónicos ejecutan programas dependientes de la máquina. El conjunto de registros del procesador forma la memoria local. Véase también unidad lógica aritmética, unidad de control . Su tarea es interpretar comandos de Nivel 2 (Command Architecture). En la actualidad, a nivel de arquitectura de instrucciones, suelen existir instrucciones sencillas que se ejecutan en un ciclo (como, en particular, las máquinas RISC). Nivel 2 Nivel de arquitectura del sistema de comando , traducción ( ensamblador ). Nivel 3 Nivel de sistema operativo , traducción (ensamblador). Este es un nivel híbrido: una parte de los comandos es interpretada por el sistema operativo y la otra parte es interpretada por el firmware. Véase también memoria virtual , archivos . Nivel 4 Nivel de lenguaje ensamblador, traducción ( compilador ). El cuarto nivel y superiores se utilizan para escribir programas de aplicación , desde el primero hasta el tercer programa del sistema . Los programas en un formato amigable para los humanos se traducen al idioma de los niveles 1-3. Nivel 5 Lenguaje de alto nivel . Los programas en lenguajes de alto nivel se suelen traducir a los niveles 3 y 4.

Historia

La primera arquitectura informática documentada fue en una correspondencia entre Charles Babbage y Ada Lovelace , describiendo el motor de análisis. Cuando creó la computadora Z1 en 1936, Konrad Zuse describió sus proyectos futuros en dos solicitudes de patente. [4] Otros dos ejemplos tempranos e importantes:

El artículo de John von Neumann de 1945, el primer borrador de un informe EDVAC , que describía la organización de las puertas lógicas;

Una calculadora electrónica propuesta más detallada por Alan Turing para un motor de computación automático, también en 1945, quien citó un artículo de John von Neumann.

El término "arquitectura" en la literatura informática se remonta al trabajo de Lyle R. Johnson, Friedrich P. Brooks, Jr. y Mohammad Usman Khan. Todos eran miembros del departamento de organización de máquinas, en el principal centro de investigación de IBM en 1959. Johnson tuvo la oportunidad de escribir su propio trabajo de investigación sobre la supercomputadora Stretch desarrollada por IBM en el Laboratorio Nacional de Los Alamos (entonces conocido como Laboratorio de Ciencias de Los Alamos). Para describir el nivel de detalle para discutir una computadora suntuosamente decorada, señaló que su descripción de formatos, tipos de instrucciones, opciones de hardware y mejoras de velocidad estaba al nivel de "arquitectura del sistema", un término que parecía más útil que "organización de la máquina". ."

Posteriormente, Brooks, el diseñador de stretch, comenzó un capítulo en el segundo libro (Designing a Computer System: The Stretch Project, ed., W. Buchholz, 1962) escribiendo:

"La arquitectura informática, como la arquitectura, es el arte de identificar las necesidades del usuario de una estructura y luego diseñar para satisfacer mejor esas necesidades dentro de las limitaciones económicas y tecnológicas".

Brooks ayudó a desarrollar la línea de computadoras IBM System / 360 (ahora llamada IBM zSeries), en la que "arquitectura" se convirtió en un sustantivo para "lo que el usuario necesita saber". [5]

Las primeras arquitecturas informáticas se diseñaron en papel y luego se integraron directamente en la forma final del hardware. Los prototipos de arquitectura de computadora posteriores se construyeron físicamente como un sistema de lógica transistor-transistor (TTL) como el 6800 y los prototipos PA-RISC probados y probados y se corrigieron antes de pasar a la forma de hardware final. A partir de la década de 1990, las nuevas arquitecturas de computadora generalmente se "construyen", prueban y ajustan dentro de otra arquitectura de computadora en un simulador de arquitectura de computadora; o dentro de la FPGA como un microprocesador suave; O ambos, antes de hacer la forma final del hardware. [6]

Clasificación

Por tipo de procesador utilizado

• CISC ( computación de conjunto de instrucciones complejas) es una arquitectura con un conjunto completo de comandos. Dichos procesadores ejecutan todas las instrucciones, simples y complejas, en un gran número de ciclos. Hay muchas instrucciones en tales procesadores y los compiladores de alto nivel rara vez usan todas las instrucciones.
• RISC (eng. Computación con conjunto de instrucciones reducido): arquitectura con un conjunto reducido de instrucciones. Dichos procesadores, en general, funcionan más rápido que la arquitectura CISC, debido a la simplificación de la arquitectura y la reducción en el número de instrucciones, pero para ejecutar una instrucción compleja, se compone de un conjunto de instrucciones simples, lo que aumenta la ejecución. tiempo de la instrucción (para más ciclos). Vale la pena señalar que los procesadores RISC modernos se acercan o incluso superan a sus homólogos CISC clásicos en términos de complejidad interna.
• MISC (eng. computación con conjunto mínimo de instrucciones ): arquitectura con un conjunto mínimo de instrucciones. Dichos procesadores tienen una cantidad mínima de instrucciones, todas las instrucciones son simples y requieren una pequeña cantidad de ciclos para ejecutarse, pero si se realizan cálculos complejos, por ejemplo, con números de coma flotante, dichas instrucciones se ejecutan en una cantidad de ciclos significativamente mayor. , superando las arquitecturas CISC y RISC.
• VLIW (  palabra de instrucción muy larga en inglés  - "instrucción de máquina muy larga") es una arquitectura con una instrucción de máquina larga, que indica la ejecución paralela de cálculos. Dichos procesadores han encontrado un uso generalizado en el procesamiento de señales digitales .

De acuerdo con el principio de compartir la memoria

• Arquitectura de Harvard : un rasgo característico es la separación de la memoria del programa y la memoria de datos.
• Arquitectura de Von Neumann : un rasgo característico es el almacenamiento conjunto de programas y datos.

Véase también

• Elementos lógicos
• Generar
• Registro (tecnología digital)
• Unidad lógica aritmética (ALU)
• Memoria virtual
• Expediente
• Procesador de señales digitales
• UPC

Notas

1. ↑ IEEE 1471 . Consultado el 12 de febrero de 2022. Archivado desde el original el 12 de febrero de 2022. (indefinido)
2. ↑ Maksimov, 2005 , pág. 97.
3. ↑ 1 2 Tanenbaum E. S. Arquitectura informática. - San Petersburgo: Peter, 2007, ISBN 5-469-01274-3 , C.23
4. ↑ 50 Aniversario del Manchester Baby computer . curation.cs.manchester.ac.uk. Consultado el 3 de junio de 2017. Archivado desde el original el 4 de mayo de 2012. (indefinido)
5. ↑ IBM100 - Sistema  360 . www-03.ibm.com (7 de marzo de 2012). Consultado el 3 de junio de 2017. Archivado desde el original el 30 de mayo de 2017.
6. ↑ Organización de Sistemas Informáticos: Introducción, Abstracciones, Tecnología . www.cise.ufl.edu. Consultado el 3 de junio de 2017. Archivado desde el original el 31 de octubre de 2016. (indefinido)

Literatura

• José D. Dumas II. Arquitectura de Computadores: Fundamentos y Principios del Diseño de Computadores. - CRC Press, 2005. - ISBN 978-0-8493-2749-0 .
• David A. Patterson , John L. Hennessy . Arquitectura informática: un enfoque cuantitativo, quinta edición . - Morgan Kaufmann, 2011. - 856 p. — ISBN 012383872X .  (Inglés)
• David Harris, Sara Harris. Digital Circuitry and Computer Architecture, 2.ª edición, traducida por un equipo de empresas y universidades de Rusia, Ucrania, EE. UU. y Reino Unido, Morgan Kaufman, 2013
• Tanenbaum E., Austin T. Arquitectura informática. 6ª ed. San Petersburgo: Piter, 2014, ISBN 978-5-496-00337-7
• N. V. Maksimov, T. L. Partyka, I. I. Popov. Arquitectura de computadores y sistemas de cómputo. - M. : Foro - Infra-M, 2005. - 512 p. - ISBN 5-8199-0160-6 .

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