Objetivo
Explicar con profundidad académica los conceptos clave de arquitectura y organización de computadoras, su evolución histórica, el modelo de máquina secuencial y la estructura interna típica de sistemas modernos.
1. Arquitectura vs Organización
Arquitectura: Interfaz conceptual visible al programador: instrucciones, memoria, direccionamiento, rendimiento.
Organización: Implementación física: microarquitectura, buses, caché, lógica de control.
Análisis profundo
- Independencia entre niveles: misma arquitectura, múltiples organizaciones.
- Trade-offs: decisiones afectan rendimiento, consumo y coste.
- Perspectiva del programador vs diseñador.
- Evolución de abstracciones: ISA, microarquitectura, lógica física.
2. Evolución de las Computadoras
- Primera generación: válvulas de vacío.
- Segunda generación: transistores.
- Tercera generación: circuitos integrados.
- Cuarta generación: microprocesadores.
- Quinta generación: paralelismo, especialización, cómputo cuántico.
Análisis profundo
- De lo monolítico a lo distribuido.
- Paralelismo como vía de rendimiento.
- Especialización de hardware.
- Impacto del software en la evolución arquitectónica.
3. Máquina Secuencial de Programa Almacenado
Modelo von Neumann: instrucciones y datos en la misma memoria, ciclo de instrucción, unidad de control.
Ventajas
- Flexibilidad.
- Simplicidad conceptual.
Limitaciones y soluciones
- Cuello de botella de von Neumann.
- Limitaciones de paralelismo.
- Riesgos de seguridad compartida.
Optimización del ciclo
- Branch prediction.
- Speculative execution.
- Out-of-order execution.
- Pipelines superescalares.
4. Organización de la Computadora
- CPU: ALU, FPU, registros, unidad de control.
- RAM y jerarquía de caché.
- Subsistema de E/S.
- Buses y enlaces.
- Control y reloj.
Técnicas organizativas
- Jerarquía de memoria y políticas de caché.
- Coherencia y consistencia en multicore.
- Pipeline y superscalaridad.
- Ejecución fuera de orden.
- Interconexiones y NoC.
Impacto organizativo
- Cache vs latencia.
- Frecuencia vs paralelismo.
- Costo de coherencia.
- Seguridad hardware.
5. Conclusión
La arquitectura define el servicio; la organización lo realiza. El rendimiento moderno depende del paralelismo, especialización y optimización de memoria e interconexiones. Comprender esta dualidad es esencial para diseñadores y programadores.