Von neumann harvard

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Arquitectura de harvard y von neumann

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Von neumann harvard

  1. 1. Índice Descripción de la arquitectura de Von Neumann y Harvard, realizada mediante investigación y recopilación de varios sitios con el fin de obtener información más detallada sobre dichos temas. Arquitectura de Von Neumann y Harvard Descripción y características SSCC 0
  2. 2. Arquitectura de Von NeumannArquitectura de Von Neumann ____________________________________________ 2 Unidad central de proceso ___________________________________________________ 4 ALU_____________________________________________________________________________ 5 Unidad de Control _________________________________________________________________ 5 Memoria Principal _________________________________________________________ 6 Controlador de Entrada/Salida _______________________________________________ 6 Buses del sistema __________________________________________________________ 7 Características: ____________________________________________________________ 8Arquitectura de Harvard _________________________________________________ 9 Características: ___________________________________________________________ 11Referencias Bibliográficas: ______________________________________________ 12 1
  3. 3. Arquitectura de Von NeumannAutor: Santiago CuásquerTema: Arquitectura de Von Neumann y Arquitectura de Harvard.Objetivo: Describir las dos arquitecturas y sus características.Desarrollo:Arquitectura de Von NeumannEn 1994, John Von Neumann se incorporó al proyecto ENIAC. El grupo al quepertenecía tenía por objetivo mejorar la forma como se introducían losprogramas en un computador y pensaron en almacenarlos en forma denúmeros; Von Neumann tomando en cuenta aquel objetivo, propuso la creaciónde un computador denominado EDVAC, el cual funcionaba con númerosbinarios, realizaba las operaciones de suma, resta y multiplicación en formaautomática, mientras que la división era programable, además tenía unacapacidad de 1000 palabras.Este computador fue el inicio para la arquitectura conocida actualmente en loscomputadores y no se le debe atribuir tan solo a Von Neumann, sino a losingenieros Eckert y Mauchly quienes trabajaron en el desarrollo de lasmáquinas. En el Instituto de Estudios Avanzados de Princeton, Von Neumannjunto con Arthur Burks realizaron un artículo que a pesar de haber sidorealizado hace más de cuarenta años, posee la mayor parte de los conceptossobre arquitectura vistos en los computadores modernos de la actualidad. Ilustración 1 - Arquitectura de Von Neumann 2
  4. 4. Arquitectura de Von NeumannLa mayoría de sistemas informáticos actuales siguen al pie de la letra laarquitectura propuesta por Von Neumann en el diseño EDVAC, se caracterizapor el sistema operativo instalado internamente.Dicha arquitectura consta básicamente de los dispositivos de entrada y salida,la unidad central de proceso, en la que a su vez se encuentra la unidadaritmética lógica (ALU) y la unidad de control (UC), una memoria principal y losbuses de control.Los computadores que cuentan con este tipo de arquitectura realizan lossiguientes pasos secuencialmente: 1. Enciende el ordenador y obtiene la siguiente instrucción desde la memoria en la dirección indicada por el contador del programa y la guarda en el registro de instrucción. 2. Aumenta el contador de programa en la longitud de la instrucción para apuntar a la siguiente. 3. Decodifica la instrucción mediante la unidad de control. Éste se encarga de coordinar el resto de componentes del ordenador para realizar una función determinada. 4. Se ejecuta la instrucción. Ésta puede cambiar el valor del contador del programa permitiendo operaciones repetitivas, es también capaz de cambiar cuando se ha cumplido cierta condición aritmética y de esa forma está disponible para poder procesar otros datos, todo según la lógica anterior.La especificación detallada de los elementos del cuadro de la ilustración 1, esla siguiente:  Unidad Central de Proceso (CPU) o Unidad Aritmética Lógica (ALU)  Banco de registros  Registro de datos  Registro de direcciones  Registro de control o Unidad de control  Contador de programa  Registro de instrucción  Decodificador  Reloj  Secuenciador  Memoria Principal o Memoria RAM o Memoria ROM  Controlador de entrada/salida o Periféricos entrada o Periféricos salida  Buses del sistema 3
  5. 5. Arquitectura de Von Neumann o Bus de datos o Bus de direcciones o Bus de control Memoria • Almacenar datos (leer, escribir). • Almacenar programas CPU • Ejecutar operaciones sobre datos • Ejecutar algoritmos Input/Output • Recibir nuevos datos • Entregar resultados Tabla 1 - Estructura y funciones según Von NeumannUnidad central de procesoTambién abreviado como CPU o UCP, es el lugar donde se ejecutan lasinstrucciones dadas por el sistema operativo mediante los periféricos deentrada; está implementado en un único circuito integrado llamadomicroprocesador. Ilustración 2 - UCPDentro del CPU tenemos la unidad aritmética lógica ALU y la unidad de controlUC, a su vez dentro de cada una de estas tenemos otros subelementos. 4
  6. 6. Arquitectura de Von NeumannALUUnidad Aritmética Lógica, es la encargada de realizar las operaciones que leordene la Unidad de Control, estas operaciones son de tipo lógico (OR, AND,NOT) y matemáticos (operaciones básicas). Normalmente los datos con losque se opera y los resultados de tales operaciones, se encuentranalmacenados en los bancos de registros. Ilustración 3 - ALU Banco de registrosProporciona un espacio de almacenamiento para los datos con que trabaja elCPU. Los registros se cargan con información de la memoria principal antes decomenzar a operar, cuando se necesita liberar el espacio de los bancos deregistro para manipular nuevos datos, su valor se escribe en la memoriaprincipal. Operar con datos que se encuentran en los bancos de registro esmucho más fácil que tratar con los almacenados en la memoria principal.El banco de registro a su vez se divide en tres sub-registros más:  Registros de Datos: Guarda la información con que se trabaja.  Registros de Direcciones: Guardan direcciones de memoria en las que puede haber datos.  Registros de control: Controlan el estado de la CPU.Unidad de ControlSe encarga de leer las instrucciones máquina almacenadas en la memoriaprincipal, enviarlas al ALU para ser procesadas y consiguientemente estar en lacapacidad de generar las señales necesarias para controlar y coordinar el restode las unidades funcionales de un ordenador. Consta de las siguientes partesfundamentales:  Contador de programa: Registro que apunta a la dirección de memoria de la próxima instrucción a ejecutar.  Registro de instrucción: guarda la instrucción que se está ejecutando.  Decodificador: Interpretar la instrucción a realizar.  Reloj: Genera una señal de sincronía. 5
  7. 7. Arquitectura de Von Neumann  Secuenciador: Activa en el orden adecuado las diferentes unidades funcionales para ejecutar la instrucción.Además cuenta con un par de buses que transportan la información entre loselementos del CPU; el bus de datos transporta la información que se estáprocesando, mientras el bus de control proporciona toda la señalizaciónnecesaria para realizar el trabajo de forma ordenada. Ilustración 4 - RegistrosMemoria PrincipalLa memoria principal también es conocida como memoria RAM, físicamenteconsta de circuitos electrónicos que almacenan valores binarios en cada celdade la memoria, esos datos guardados corresponden a datos e instrucciones delos programas a ejecutar.La memoria principal tiene menor capacidad que la memoria secundaria, pero asu vez es más rápida, lo que permite un acceso rápido a las instrucciones ydatos que se manipulan. Ilustración 5 - Memoria PrincipalControlador de Entrada/SalidaEs un elemento que controla el flujo de la información que entra y/o sale delsistema informático. 6
  8. 8. Arquitectura de Von NeumannLas técnicas más utilizadas en gestión de dicha información son:  Polling o espera activa: El CPU se encarga de la transferencia de la información revisando continuamente el estado de los periféricos, resulta ineficiente.  Uso de interrupciones 1 : Transfiere la información pero el dispositivo notifica de cambios mediante una interrupción.  DMA: Acceso Directo a Memoria, este controlador se encarga de toda la transferencia de información mediante bloques y realizando conversiones de ser necesario, al finalizar el envío de datos, utiliza una interrupción quedando así listo para enviar información de nuevo. Es el más eficiente.Buses del sistemaLos buses son las vías de comunicación sincrónicos que funcionan gobernadospor un reloj para transportar información sin colisiones de datos, existe un busde datos especial para cada tipo de comunicación dentro del UCP, en total sontres:  Bus de Datos: Es el cual transporta la información que se está procesando o las instrucciones del programa que se está usando.  Bus de Direcciones: Se usa para indicar el origen y/o destino de los datos. En el bus de direcciones se indica la posición de memoria en la que se está accediendo al momento.  Bus de control: El bus de control proporciona señales para coordinar las diferentes tareas que se realizan en el sistema informático. Algunas de las señales que se pueden encontrar son: o CLK2: Frecuencia de reloj o CS3: Activa el chip a utilizar. o Ready: verificación de disponibilidad del dispositivo. o R/W: Operación de lectura y escritura.1 Conocida también como interrupción de hardware, señal recibida por el procesador de un ordenador,indicando que debe interrumpir el curso de ejecución actual.2 Reloj o Clock en inglés.3 Chip Select 7
  9. 9. Arquitectura de Von Neumann Ilustración 6 - Buses del UCPUn ejemplo de procesador con la arquitectura de Von Neumann puede serAMD o Intel.Características:  Se caracteriza porque el programa que ejecuta el sistema informático está almacenado internamente.  Los programas se guardan en forma numérica (números binarios), al contrario de aquella época en la que se usaban tarjetas perforadas.  Las operaciones realizadas son básicas, tales como sumas, restas u operaciones lógicas.  Utiliza el mismo dispositivo para almacenamiento tanto de las instrucciones como para los datos, a diferencia de la Arquitectura de Harvard.  El procesador posee una distribución modular y jerarquizada de sus elementos internos, lo cual permite una comunicación más fácil entre los mismos.  La base de funcionamiento del ordenador consiste en la extracción sucesiva de instrucciones de la memoria, interpretación de las mismas, extracción de memoria de los datos implicados en la operación, envío al ALU.  Aún se usa en la arquitectura de los computadores actuales.  Uso más eficiente de la memoria, con menos operaciones y más flexibles.  Más simple arquitectónicamente. 8
  10. 10. Arquitectura de HarvardArquitectura de HarvardEn el mismo tiempo que ENIAC, Howard Aiken construyó en Harvard uncomputador electromagnético llamado Mark-I, a la cual le sigue una con relésnombrado Mark-II y un par de máquinas con tubos al vacío, la Mark-III y Mark-IV. Estas últimas fueron construidas después de las primeras máquinas deprograma almacenado; el término Arquitectura de Harvard fue acuñado paradescribir este tipo de máquina con memorias diferentes para procesar datos einstrucciones. Ilustración 7 - Arquitectura de HarvardUna de las memorias contiene solamente las instrucciones del programa(memoria del programa), y la otra sólo almacena datos (memoria de datos),cada una con su propio bus de comunicación.Existen dos buses en esta arquitectura, el de control y de instrucciones; ambosbuses son totalmente independientes, lo que permite que la UCP puedaacceder de forma independiente y simultánea a la memoria de datos y a la deinstrucciones. La longitud de los datos y las instrucciones puede ser distinta, loque optimiza el uso de la memoria general.Además de los buses independientes, la UCP puede acceder a los daros paracompletar la ejecución de una instrucción, y al mismo tiempo leer la siguienteinstrucción a ejecutar. 9
  11. 11. Arquitectura de Harvard Ilustración 8 - Buses en la Arquitectura HarvardLa optimización de la memoria caché es un tema muy importante para eldiseño de una computadora; ésta es una memoria de gran velocidad paraguardar datos que el procesador necesita, haciendo que el rendimiento seamucho mayor.La arquitectura de Harvard ofrece una solución particular para este problema.Gracias a la utilidad de guardar instrucciones datos en cachés separadas, semejora este inconveniente, pero por otro lado, tiene el inconveniente de tenerque dividir la cantidad de caché entre los dos, por lo que funciona mejor sólocuando la frecuencia de lectura de instrucciones y de datos esaproximadamente la misma. Ésta arquitectura suele usarse en procesadoresde señal digital, usados habitualmente en productos para procesamiento deaudio y video. Ilustración 9 - Arquitectura Harvard, microprocesadorUn ejemplo de procesador con esta arquitectura es el TMS320 C55x de TexasInstruments4 o el Atmel AVR5.4 También conocida como TI es una industria electrónica fabricante de semiconductores y tecnologíapara ordenadores.5 Compañía de semiconductores y microprocesadores; el AVR es un microprocesador con arquitecturaHarvard, diseño simple y fácil programación. 10
  12. 12. Arquitectura de HarvardCaracterísticas:  Funcionaban con memorias separadas para procesar instrucciones y datos, a diferencia de la arquitectura de Von Neumann.  Disminuye el cuello de botella en el acceso de memoria.  Controladores embebidos, RAM para los datos y ROM para las instrucciones.  El tiempo de acceso a las instrucciones puede superponerse con el de los datos, logrando una mayor velocidad en cada operación.  Instrucciones y datos de distinto largo. El tamaño de las instrucciones no está relacionado con el de los datos, y por lo tanto puede ser optimizado para que cualquier instrucción ocupe una sola posición de memoria de programa, logrando así mayor velocidad y menor longitud de programa.  La ventaja del uso de esta arquitectura es cuando la frecuencia de lectura de las instrucciones y los datos es aproximadamente la misma.  Esta arquitectura se usa principalmente en procesadores de señales digitales como audio y video. 11
  13. 13. BibliografíaReferencias Bibliográficas:Hennessy, John & Patterson, David. (1993). Arquitectura de Computadores,enfoque cuantitativo. 1era Edición. 1993.Institut Puig Castellar, Santa Coloma de Gramenet. (n.d.). Arquitectura de VonNeumann. Extraído el día 25 de Agosto del 2012 desdehttp://elpuig.xeill.net/Members/vcarceler/c1/didactica/apuntes/ud2/na1/Díez Fernández, M. (2012). Operaciones auxiliares con tecnologías de lacomunicación e información. Extraído el día 25 de Agosto del 2012 desdehttp://www.cpraviles.com/materiales/pcpi/PCPI/indexfee9.html?page_id=891Mitnik, Rubén. (2008). Arquitectura de Computadores. Extraído el día 26 deAgosto del 2012 desdehttp://intrawww.ing.puc.cl/siding/public/ingcursos/cursos_pub/descarga.phtml?id_curso_ic=2055&id_archivo=76451Wikipedia.org (2012). Arquitectura de Von Neumann. Extraído el día 26 deAgosto del 2012 desde http://es.wikipedia.org/wiki/Arquitectura_de_Von_NeumannUniversidad de la República de Uruguay. (n.d.). Extraído el 26 de Agosto del2012 desde http://www.fing.edu.uy/tecnoinf/cursos/arqcomp/material/teorico/arq-teorico05.pdfWikipedia.org (2012). Arquitectura de Harvard. Extraído el día 26 de Agosto del2012 desde http://es.wikipedia.org/wiki/Arquitectura_Harvard 12

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