Introduccin

Hoy en da tenemos bastante claro que el "cerebro" de un ordenador es el procesador (CPU), ntimamente ligado a la memoria principal.No obstante, no siempre fue as en la historia de la computacin y los primeros computadores. A sta forma de organizar el funcionamiento de los ordenadores le llamamos "Arquitectura de Von Neumann" por el matemtico John Von Neumann.Segn parece, Von Neumann no plasm una idea totalmente original, pues con anterioridad, ya hablaban de ella otros investigadores, sin embargo, esa manera de construir ordenadores ha llegado hasta nuestros das ntimamente ligada a su nombre.La idea nos es muy familiar, bsicamente, consiste en utilizar un procesador que sea capaz de leer y escribir en una memoria, en la cual se almacenan una serie de rdenes o instrucciones para ese procesador y tambin los datos necesarios para realizar esas rdenes.Sabemos que eran ordenadores lentos y pesados... pero para la poca suponan todo un alarde tecnolgico. Se acababa de "inventar" una nueva disciplina: la electrnica digital... es decir, la electrnica que mediante unos componentes que trabajaban con valores discretos, eran capaces de realizar operaciones aritmticas y lgicas... Se haba construido todo tipo de circuitos que eran capaces de sumar, restar, etc... Utilizando la electricidad para representar nmeros.Los datos de entrada y los resultados de salida de ese rudimentario programa cableado se almacenaban en algn tipo de memoria (tarjetas perforadas, etc)... pero el "programa" no estaba realmente almacenado... el programa (o al menos una buena parte) dependa del recableado de los circuitos.En ese sentido, ya estaba claro que el siguiente paso no tener que re cablear. Era obvio que lo siguiente por hacer tena que pasar por almacenar de alguna manera una secuencia de operaciones que llevaran a la resolucin de los clculos... una forma de utilizar los circuitos aritmticos y lgicos en secuencia, uno tras otro... segn correspondiera para obtener los clculos deseados. La idea de la arquitectura de Von Neumann es esta utilizar una sola memoria, en la cual se almacene ese programa en forma de instrucciones (codificadas numricamente), acompaadas de la localizacin de los operandos o datos necesarios para llevar a cabo esa instruccin. La localizacin de los operandos, es decir, el lugar donde deben guardarse los valores y los resultados tambin estar en la misma memoria.La idea ha evolucionado hasta nuestros das con el mismo esquema bsico, aunque lgicamente, con un nivel de complejidad mucho mayor.Arquitectura de Von Neumann

La arquitectura de von Neumann tambin conocida como modelo de Von Neumann o arquitectura Princeton, es una familia de arquitecturas de computadoras que utilizan el mismo dispositivo de almacenamiento tanto para las instrucciones como para los datos (a diferencia de la arquitectura Harvard). La mayora de computadoras modernas estn basadas en esta arquitectura, aunque pueden incluir otros dispositivos adicionales, (por ejemplo, para gestionar las interrupciones de dispositivos externos como ratn, teclado, etc).El nacimiento de la arquitectura Von Neumann surge a raz de una colaboracin en el proyecto ENIAC del matemtico de orgen hngaro, John Von Neumann. Este trabajaba en 1947 en el laboratorio atmico de Los Alamos cuando se encontr con uno de los constructores de la ENIAC. Compaero de Einstein, Goedel y Turing en Princeton, Von Neumann se interes por el problema de la necesidad de "recablear" la mquina para cada nueva tarea. En 1945 aproximadamente, se construye una computadora basada en el uso de tecnologa de bulbos denominada ENIAC ("Electronic Numerical Intergator and Calculator"), que pesaba cerca de 30,000 Kg, se instal en una gran habitacin y requiri de gran ventilacin. Bien, esta gran mquina funcionaba a base de estar conectando y desconectando cables segn la funcin que se quera que realizara, esta funcin de "recablear", es sinnimo de programar pero era muy complicado el proceso.El modelo es una evolucin de mquina analtica propuesta por Charles Babbage en 1834, donde los programas se introducan cableando manualmente las conexiones entre las distintas partes del ordenador, ofreciendo muy poca flexibilidad.En 1949 Von Neumann haba encontrado y desarrollado la solucin a este problema, consiste en conectar permanentemente las unidades de la computadora, de modo que todo el ordenador est coordinado por un control central. Para evitar tener que cablear las unidades cada vez que se quera ejecutar un nuevo programa, se ide un mtodo donde tanto las instrucciones que forman los programas como los datos que utilizan stos se almacenan en una memoria y poner la informacin sobre las operaciones a realizar en la misma memoria utilizada para los datos, escribindola de la misma forma, es decir en cdigo binario. Su "EDVAC" fue el modelo de las computadoras de este tipo. Se habla desde entonces de la "arquitectura de Von Neumann", aunque tambin dise otras formas de construccin. El primer computador comercial construido en esta forma fue el UNIVAC 1, fabricado en 1951 por la Sperry-Rand Corporation y comprado por la Oficina del Censo de Estados Unidos.El trmino arquitectura de Von Neumann se acu a partir del memorando First Draft of a Report on the EDVAC (1945) escrito por el conocido matemtico John von Neumann en el que se propona el concepto de programa almacenado. Dicho documento fue redactado en vistas a la construccin del sucesor de la computadora ENIAC y su contenido fue desarrollado por John Presper Eckert, John William Mauchly, Arthur Burks y otros durante varios meses antes de que von Neumann redactara el borrador del informe. Es por ello que otros tecnlogos como David A. Patterson y John L. Hennessy promueven la sustitucin de este trmino por el de arquitectura Eckert-Mauchly.Las computadoras con arquitectura Von Neumann se refiere a las arquitecturas de computadoras que utilizan el mismo dispositivo de almacenamiento tanto para las instrucciones como para los datosEste describe una arquitectura de diseo para un computador digital electrnico con partes que constan de una unidad de procesamiento que contiene una unidad aritmtico lgica y registros del procesador, una unidad de control que contiene un registro de instrucciones y un contador de programa, una memoria para almacenar tanto datos como instrucciones, almacenamiento masivo externo, y mecanismos de entrada y salida. El significado ha evolucionado hasta ser cualquier computador de programa almacenado en el cual no pueden ocurrir una extraccin de instruccin y una operacin de datos al mismo tiempo, ya que comparten un bus en comn. Esto se conoce como el cuello de botella Von Neumann y muchas veces limita el rendimiento del sistema.El diseo de una arquitectura Von Neumann es ms simple que la arquitectura Harvard ms moderna, que tambin es un sistema de programa almacenado, pero tiene un conjunto dedicado de direcciones y buses de datos para leer datos desde memoria y escribir datos en la misma, y otro conjunto de direcciones y buses de datos para ir a buscar instrucciones.Un computador digital de programa almacenado es una que mantiene sus instrucciones de programa, as como sus datos, en memoria de acceso aleatorio (RAM) de lectura-escritura. Las computadoras de programa almacenado representaron un avance sobre los ordenadores controlados por programas de la dcada de 1940, como la Colossus y la ENIAC, que fueron programadas por ajustando interruptores e insertando parches, conduciendo datos de la ruta y para controlar las seales entre las distintas unidades funcionales. En la gran mayora de las computadoras modernas, se utiliza la misma memoria tanto para datos como para instrucciones de programa, y la distincin entre Von Neumann vs. Harvard se aplica a la arquitectura de memoria cach, pero no a la memoria principal.

Los ordenadores con arquitectura Von Neumann constan de las siguientes partes:

Memoria principal: se emplea para almacenar datos o instrucciones, cada celda est compuesta de un nmero de bits que nos da el ancho de palabra de la memoria. Unidad aritmtico-lgica (ALU): permite realizar las operaciones elementales (AND, OR, NAND, NOR, suma, resta, etc.). Estas operaciones las realiza con datos procedentes normalmente de la memoria y los resultados parciales los almacena o no temporalmente en algunos registros que suele tener la propia unidad aritmtica. Unidad de control: es la unidad que gobierna y gestiona el comportamiento de una computadora. Dispositivo de entrada/salida: realiza la transferencia de informacin con el exterior, con las unidades que se conocen con el nombre de perifricos.Buses de datos: circulan los datos de las operaciones que se va a efectuar. Bus de direcciones: circulan las direcciones de memoria donde se encuentra almacenado algn tipo de informacin a la que se desea acceder. Bus de control: circulan las seales de control generadas por la unidad de control para la ejecucin de las instrucciones.

Es importante mencionar que lo anterior es un modelo bsico, no hay que olvidar que tambin hacen falta otros elementos que no entran dentro de la clasificacin de Neumann pero que tambin son importantes como la fuente de suministro de electricidad y la placa base, adems de otros secundarios como la unidad de soporte Hardware (gabinete), los ventiladores, etc.

Un ordenador con arquitectura Von Neumann realiza o emula los siguientes pasos secuencialmente:

1) Obtiene la siguiente instruccin desde la memoria en la direccin indicada por el contador de programa y la guarda en el registro de instruccin.

2) Aumenta el contador de programa en la longitud de la instruccin para apuntar a la siguiente.

3) Descodifica la instruccin mediante la unidad de control. sta se encarga de coordinar el resto de componentes del ordenador para realizar una funcin determinada.

4) Se ejecuta la instruccin. sta puede cambiar el valor del contador del programa, permitiendo as operaciones repetitivas. El contador puede cambiar tambin cuando se cumpla una cierta condicin aritmtica, haciendo que el ordenador pueda 'tomar decisiones', que pueden alcanzar cualquier grado de complejidad, mediante la aritmtica y lgica anteriores.

5) Vuelve al paso N 1.

Conclusin

Las computadoras estn formadas por una estructura que data de los aos 40 pero que an sigue en la mayora de las PCs de la actualidad, nos referimos a la arquitectura Von NeumannSimple en su concepcin una memoria principal que contiene tanto instrucciones y referencias a los operandos (el programa) como los propios operandos (los datos).Por supuesto, hoy en da, el esquema se ha ido concretando con los componentes funcionales de una CPU moderna: una unidad de control que lee las instrucciones y los datos de la memoria principal y organiza el trabajo del resto de los componentes de la CPU, una unidad aritmtico-lgica (ALU), que concentra todos los circuitos que realizan operaciones aritmticas y lgicas, as como una serie de registros (almacenes de datos en el interior de la CPU) que sirven como almacenes temporales de datos para las operaciones que hace la ALU y sus resultados, y otras tareas comunes, como saber por dnde se va ejecutando el programa (Registro contador de programa -IP: Instruction Pointer-). Tambin es necesaria una comunicacin con el mundo exterior ("el mundo real")... esquematizada con los sistemas de Entrada/Salida capaces de traer y llevar datos desde y hacia los dispositivos perifricos.

Bibliografa

(Arquitectura de la computadora, 2008) Se crea la una computadora basada en el uso de tecnologa de bulbos denominada ENIAC, la cual explica su funcionamiento a base de recablear. Que en 1947 Von Neumann ide una solucin que evitara el "recablear".

(Arquitectura de Von Neumann, s.f.) Surge el nacimiento de la arquitectura de Von Neumann raz de una colaboracin en el proyecto ENIAC. Von Neumann se interes por el problema de la necesidad de "recablear" la mquina para cada nueva tarea.

(Arquitectura de von Neumann, 2014) Este describe un computador digital electrnico con partes que constan de una unidad de procesamiento que contiene una unidad aritmtico lgica y registros del procesador, una memoria para almacenar tanto datos como instrucciones.

(Arquitectura de Von Neumann y arquitectura Harvard, 2012) Se acababa de "inventar" una nueva disciplina: la electrnica digital, eran capaces de realizar operaciones aritmticas y lgicas... Se haban construido todo tipo de circuitos que eran capaces de sumar, restar, etc... Utilizando la electricidad para representar nmeros.

(Guzman Bonalde, s.f.) Los ordenadores con arquitectura Von Neumann constan de las siguientes partes: La unidad aritmtico-lgica o ALU, la unidad de control, la memoria, un dispositivo de entrada/salida y el bus de datos que proporciona un medio de transporte de los datos entre las distintas partes.