Resumen: Arquitectura y hardware del ordenador

📋 Esquema del Curso

1. Arquitecturas Harvard y Von Neumann
2. Aplicaciones de las arquitecturas
3. Ciclo de ejecución de Von Neumann
4. Formato y frecuencia de instrucciones
5. Arquitecturas CISC y RISC
6. CPU y factores de rendimiento
7. Buses e interfaces del sistema

📖 1. Arquitecturas Harvard y Von Neumann

🔑 Conceptos clave y definiciones

• Arquitectura de Harvard : Usa memorias separadas para instrucciones y datos, permite el acceso simultáneo mediante buses independientes y es más compleja, rápida y segura.
• Arquitectura de Von Neumann : Utiliza una única memoria para datos e instrucciones, y comunica la CPU, la memoria y la entrada-salida mediante buses.

📝 Puntos esenciales

📌 La arquitectura de Von Neumann tiene buses compartidos, no permite el acceso simultáneo y presenta menor complejidad y rendimiento; la arquitectura de Harvard utiliza buses dedicados, permite el acceso simultáneo y ofrece mayor complejidad y rendimiento.

💡 Truco mnemotécnico

Harvard separa memoria y buses; Von Neumann los comparte.

📖 2. Aplicaciones de las arquitecturas

★ Imprescindible

• Las arquitecturas híbridas combinan características de Harvard y Von Neumann para mejorar el rendimiento.

Complementos

• La arquitectura de Von Neumann sigue presente en ordenadores personales y portátiles tradicionales.

• La arquitectura de Harvard es común en microcontroladores y sistemas embebidos, como Arduino.

• Los ejemplos citados son:

  • Intel y AMD
  • PIC
  • AVR
  • ARM Cortex-M

💡 Truco mnemotécnico

PC tradicional → Von Neumann; microcontrolador → Harvard; híbrida → combinación.

📖 3. Ciclo de ejecución de Von Neumann

📝 Puntos esenciales

• 🔄 La ejecución sigue estos pasos:
  1. Buscar el programa en la memoria principal
  2. Pasar las instrucciones una a una a la CPU
  3. Realizar las operaciones necesarias en la CPU
  4. Enviar los resultados a la memoria principal

💡 Truco mnemotécnico

Buscar → pasar → operar → almacenar.

📖 4. Formato y frecuencia de instrucciones

🔑 Conceptos clave y definiciones

• Formato de instrucción : Es la forma en que una instrucción se codifica y organiza en la memoria binaria mediante campos de bits contiguos que indican la operación y los operandos.
• Frecuencia de reloj : Indica cuántos ciclos realiza el procesador por segundo y actualmente se mide en gigahercios.

★ Imprescindible

📐 Fórmula — Un gigahercio equivale a $1\ \mathrm{GHz}=1.000.000.000$ ciclos por segundo; por tanto, un procesador de 4 GHz realiza aproximadamente 4.000 millones de ciclos por segundo.

📌 Una frecuencia de reloj mayor permite realizar más ciclos en el mismo tiempo, pero no garantiza por sí sola un procesador más rápido porque también influyen la arquitectura, el IPC, el número de núcleos y la memoria caché.

Complementos

• La longitud de formato determina el tamaño de una instrucción porque expresa el total de bits necesarios para ejecutarla.

📖 5. Arquitecturas CISC y RISC

★ Imprescindible

📌 CISC, como x86-64, utiliza instrucciones más complejas y de longitud variable, capaces de realizar varias operaciones, mientras que RISC, como ARM, utiliza instrucciones más simples y regulares.

Complementos

• CISC predomina en los procesadores Intel y AMD para PC, mientras que RISC está muy extendida en Apple Silicon, móviles y sistemas de bajo consumo.

💡 Truco mnemotécnico

CISC concentra operaciones en instrucciones complejas; RISC las divide en instrucciones simples.

📖 6. CPU y factores de rendimiento

🔑 Conceptos clave y definiciones

• CPU : Es el componente del hardware que ejecuta instrucciones y procesa datos.

📝 Puntos esenciales

• El rendimiento de una CPU depende de la arquitectura, el número de núcleos, la memoria caché y la frecuencia, por lo que no basta con comparar los gigahercios.

📖 7. Buses e interfaces del sistema

🔑 Conceptos clave y definiciones

• Bus : Es un camino por el que circulan instrucciones y datos entre las distintas unidades del ordenador.
• Ancho de bus : Es el número de hilos o bits que se transmiten simultáneamente por un canal.
• Interfaz : Es la interacción física con el ordenador al nivel de los dispositivos utilizados para introducir, procesar y entregar datos, como el teclado, el ratón y el monitor.

★ Imprescindible

📌 Un bus paralelo transfiere varios bits simultáneamente, mientras que un bus serie transmite los datos bit a bit por un único cable; los buses serie modernos pueden usar varios canales simultáneos.

• El bus de direcciones transporta direcciones desde la unidad de control hacia la memoria principal o los periféricos y es unidireccional.

• El bus de datos transporta datos hacia la memoria principal y las unidades de entrada-salida o desde ellas, y es bidireccional.

Complementos

📌 Los buses paralelos necesitan una frecuencia más reducida y tienen limitada la longitud de sus cables porque aumenta la probabilidad de que los bits lleguen desordenados.

• La tendencia actual es sustituir los buses paralelos por buses serie, normalmente multicanal, porque aunque son más difíciles de implementar permiten mayores velocidades de transferencia y longitudes de cable.

• El bus de control transporta las señales de arbitraje o microórdenes generadas por la unidad de control y puede ser unidireccional y bidireccional a la vez.

💡 Truco mnemotécnico

Direcciones → datos → control; después, conexión física mediante interfaces.

📊 Tablas de síntesis

Comparación de arquitecturas