Computer Architecture: An Evolutionary Perspective

introducción a la arquitectura de computadoras, cubriendo desde sus componentes básicos y organización hasta la evolución histórica a través de diferentes generaciones. Se exploran conceptos clave como la unidad central de procesamiento (CPU), la estratificación del software, la lógica digital, y los sistemas de procesamiento de datos e información. También se describen las distintas generaciones de computadoras, sus características tecnológicas y los avances en hardware y software que las definen. Finalmente, se incluye una visión de la quinta generación y sus ambiciosos objetivos en inteligencia artificial.

Computadora

Dispositivo electrónico diseñado para aceptar datos de entrada, realizar operaciones sobre ellos (en una secuencia lógica predeterminada por un algoritmo) y producir resultados como salidas

Organización de una computadora

Relación entre los distintos componentes de una computadora y su diseño y tecnología

Arquitectura de una computadora

Descripción de los componentes de una computadora, su set de instrucciones, modos de direccionamiento y la forma en que se atienden eventos externos

Set de instrucciones

Conjunto de instrucciones que permiten representar los algoritmos que resuelven los problemas en una computadora

Microarquitectura

Forma en que se implementa un set de instrucciones, determinando cómo se ejecuta cada instrucción

CPU (Central Processing Unit)

Unidad central de procesamiento, responsable de interpretar y ejecutar instrucciones, generar señales de control, realizar operaciones aritméticas y lógicas

Memoria principal

Almacena datos de entrada, instrucciones del programa y resultados intermedios

Registros

Áreas de almacenamiento dentro de la CPU que almacenan el contexto de la instrucción que se está ejecutando, incluyendo la instrucción y los datos

Unidad de control (CU)

Interpreta y ejecuta instrucciones, genera señales de control para habilitar las operaciones de la CPU

Unidad aritmético-lógica (ALU)

Realiza operaciones aritméticas y lógicas sobre los datos

Buses

Colectores de datos e instrucciones que permiten la transferencia de información entre los componentes de la computadora

Periféricos

Dispositivos que permiten la comunicación de la computadora con el entorno, incluyendo dispositivos de entrada, salida y almacenamiento

Interfaces

Componentes que permiten la conexión y comunicación entre la CPU, la memoria y los periféricos

DMA (Direct Memory Access)

Unidad de acceso directo a memoria, que transfiere datos entre la memoria y un periférico sin la intervención de la CPU

Controlador

Unidad de control de un periférico, que gestiona la comunicación del periférico con el bus y el almacenamiento de datos

Puerto

Dirección que identifica un periférico para la comunicación con la CPU

También se refiere a una dirección de memoria que actúa como memoria temporal para los datos que se envían o reciben desde algunos periféricos

Bit (Binary Digit)

Dígito binario, unidad mínima de información, representada por 0 o 1

CPU

Unidad de trabajo de la CPU, expresada en bits, indicando la cantidad de información que puede procesar en un paso

Palabra de memoria

Cantidad de información que se puede almacenar en una posición de memoria

Sistema numérico posicional

Sistema donde el valor de un dígito depende de su posición en el número

El peso de un dígito es la base elevada a la posición que ocupa

Base

Número de símbolos utilizados en un sistema numérico

Sistema decimal

Sistema numérico de base 10, utilizando los dígitos del 0 al 9

Sistema binario

Sistema numérico de base 2, utilizando los dígitos 0 y 1

Sistema octal

Sistema numérico de base 8, utilizando los dígitos del 0 al 7

Sistema hexadecimal

Sistema numérico de base 16, utilizando los dígitos del 0 al 9 y las letras A, B, C, D, E y F

Conversión entre sistemas numéricos

Proceso de transformar un número de una base a otra

Complemento a la base

Representación de un número negativo en un sistema numérico

Se calcula restando el número de la base elevada a la cantidad de cifras del número

Complemento restringido

Se obtiene restando el número de la base elevada a la cantidad de cifras del número, menos 1

En binario, se calcula invirtiendo todos los bits

ASCII (American Standard Code for Information Interchange)

Código estándar para la representación de caracteres alfanuméricos, utilizando 7 u 8 bits por carácter

Unicode

Código de caracteres universal que permite representar 65536 símbolos

String

Cadena de caracteres alfanuméricos

BCD (Binary-Coded Decimal)

Código que representa los dígitos decimales del 0 al 9 en bloques binarios de 4 bits

Empaquetado

Proceso de eliminar la zona de los caracteres numéricos en una cadena de texto y agrupar los dígitos BCD en forma reducida

Punto fijo

Representación de números enteros con una coma decimal fija, donde la parte entera y la parte fraccionaria tienen una longitud predefinida

Punto flotante

Representación de números reales utilizando una mantisa y un exponente, permitiendo representar números muy grandes y muy pequeños

Mantisa

Parte del número en punto flotante que representa los dígitos sin la coma decimal

Exponente

Parte del número en punto flotante que indica la posición de la coma decimal en la mantisa

Característica

Exceso sumado al exponente para simplificar la representación

Normalización

Ajuste del exponente para que el primer dígito de la mantisa sea distinto de cero

Overflow

Error que ocurre cuando un resultado es demasiado grande para ser representado en el formato dado

Underflow

Error que ocurre cuando un resultado es demasiado pequeño para ser representado en el formato dado

Precisión simple

Representación de un número real en 4 octetos (32 bits)

Precisión doble

Representación de un número real en 8 octetos (64 bits)

Representaciones redundantes

Códigos que agregan bits redundantes para detectar y/o corregir errores en la transmisión o almacenamiento de datos

Paridad

Método de detección de errores que agrega un bit a un grupo de bits para que la cantidad total de bits '1' sea par o impar

Máquina Analítica

Computadora mecánica diseñada por Charles Babbage en el siglo XIX, que nunca se construyó completamente

Compuerta lógica

Bloque elemental que permite la implementación de un circuito digital, representando una función booleana

Circuito lógico

Representación de una red de compuertas, cuyo comportamiento se describe mediante funciones booleanas

Transistor

Conmutador electrónico que controla el flujo de tensión y se utiliza para construir compuertas lógicas

Chip

Circuito electrónico implementado en una estructura de silicio

Circuito integrado

Soporte físico que contiene conjuntos de compuertas lógicas

SSI (Small Scale Integration)

Circuitos integrados con hasta 10 compuertas

MSI (Medium Scale Integration)

Circuitos integrados con menos de 100 compuertas

Álgebra de Boole

Sistema algebraico que utiliza variables binarias (0 o 1) y operadores lógicos para representar funciones lógicas

Función booleana

Expresión algebraica que describe el comportamiento de un circuito lógico, utilizando variables binarias, operadores lógicos (AND, OR, NOT) y paréntesis

Tabla de verdad

Lista de todas las posibles combinaciones de valores de entrada para una función booleana y los correspondientes valores de salida

Término canónico

Producto o suma en el que aparecen todas las variables de una función, en su forma directa o inversa

Mintermino

Producto canónico que vale 1 para una combinación específica de valores de entrada

Maxitérmino

Suma canónica que vale 0 para una combinación específica de valores de entrada

Forma normal disyuntiva (FND)

Expresión de una función como la suma de minitérminos que valen 1 en la tabla de verdad

Forma normal conjuntiva (FNC)

Expresión de una función como el producto de maxitérminos que valen 0 en la tabla de verdad

Minimización de circuitos

Simplificación de un circuito lógico para utilizar la menor cantidad de compuertas y conexiones posibles

Mapa de Karnaugh

Método gráfico para la simplificación de funciones booleanas, utilizando una matriz para representar las combinaciones de variables