Arquitectura von Neumann

La arquitectura von Neumann es la arquitectura en la que se basan los ordenadores de hoy en día, la creó el matemático y físico John von Neumann en 1945.

 Una máquina von Neumann consta de cuatro componentes principales:

• ALU: ejecuta instrucciones de un sistema de instrucciones sobre porciones de información almacenada separada de la memoria del dispositivo operativo en la que los operandos son almacenados directamente en el proceso de cálculo, en un tiempo relativamente corto. Es un circuito digital que calcula operaciones aritméticas y operaciones lógicas entre valores de los argumentos. Los circuitos electrónicos más complejos son los que están construidos dentro de los chips de microprocesadores modernos. Por eso, estos procesadores tienen dentro de ellos un ALU muy complejo y potente. De hecho, un microprocesador moderno puede tener múltiples núcleos, cada núcleo con múltiples unidades de ejecución, cada una de ellas con múltiples ALU. 
• Unidad de control (UC): organiza la implementación consistente de algoritmos de decodificación de isntrucciones que provienen de la memoria del dispositivo, responde a situaciones de emergencia y realiza funciones de dirección general de todos los nodos de computación. La ALU y la UC la conforman una estructura llamada CPU.
• Memoria del dispositivo: es un conjunto de celdas con identificadores únicos que contienen instrucciones y datos.
• Dispositivo de E/S: permite la comunicación con el mundo exterior de los computadores, son otros dispositivos que reciben los resultados  que le transmiten la información al computador para su procesamiento.

Registros: no es más que una pequeña memoria que está integrada en el procesador. En ella es donde se almacenan los datos para ser procesados. Es la memoria más rápida de todo el sistema pero suele ser muy pequeña.

La CPU incluye registros visibles para el usuario y registros de control y estado.

1. Registros visibles: instrucciones de la máquina que pueden ser de uso general, datos, direcciones y códigos de condición.
2. Registros de propósito general: optimo número entre 8 y 32. Si hay muchos registros entonces se necesitan demasiados accesos a memoria. Muchos registros no reducen significativamente las referencias a memoria pero hacen la CPU más compleja.

Los registros están divididos en 6 grupos los cuales tienen un fin específico y son:

Registros de segmento.

Registros de apuntadores de instrucciones.

Registros apuntadores.

Registros de propósitos generales.

Registros índice.

Registros de bandera.
Registros de intercambio.

Pero esta arquitectura no es perfecta y tiene defectos como el cuello de botella en el que el canal de transmisión de los datos compartidos entre la CPU y la memoria general reduce el rendimiento. Este problema puede ser aliviado utilizando diversos mecanismos: ofreciendo una memoria de caché entre la CPU y la memoria principal o proporcionando cachés separadas o vías de acceso independientes para datos e instrucciones entre otras cosas.

Una CPU puede dividirse en 3 subunidades: la unidad de control, dedicada a los ciclos de búsqueda y ejecución; la ALU, que desempeña funciones aritméticas como por ejemplo suma y resta; y un conjunto de registros dedicados al almacenamiento de datos en la CPU y a ciertas funciones de control.

Un registro es una memoria de alta velocidad y poca capacidad, integrada en el microprocesador, que permite guardar transitoriamente y acceder a valores muy usados, generalmente en operaciones matemáticas. Son la manera más rápida que tiene el sistema de almacenar datos.

Los buses son un conjunto de conexiones físicas que pueden compartirse con múltiples componentes de hardware para que se comuniquen entre sí. El propósito de los buses es reducir el número de rutas necesarias para la comunicación entre los distintos componentes al realizar las comunicaciones a través de un solo canal de datos.

Se distinguen dos buses principales:

1. Bus interno o sistema, permite al procesador comunicarse con la memoria central del sistema (RAM).
2. Bus de expansión