1: Introducción
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Esta computadora mágica en realidad no existe. En realidad las computadoras son máquinas, y cada acción que realiza una computadora se reduce a un conjunto de operaciones mecánicas. De hecho, la primera definición completa de una computadora en funcionamiento fue una máquina mecánica diseñada por Charles Babbage en 1834, y habría funcionado con energía de vapor.
Probablemente el mayor éxito de la Informática (CS) en el siglo XX fue el desarrollo de abstracciones que ocultan la naturaleza mecánica de las computadoras. El hecho de que la gente promedio use computadoras sin considerar nunca que son mecanicistas es un triunfo de los diseñadores de CS.
Este propósito de esta monografía es romper la comprensión abstracta de una computadora, y explicar el comportamiento de una computadora en términos completamente mecanicistas. Se ocupará específicamente de la Unidad Central de Procesamiento (CPU) de la computadora, ya que aquí es donde ocurre la magia. Todas las demás partes de una computadora pueden verse como simplemente proporcionando información para que la CPU funcione.
Esta monografía tratará sobre un tipo específico de CPU, una CPU de una dirección, y explicará esta CPU usando solo puertas estándar, específicamente puertas AND, OR, NOT, NAND y XOR, y 4 Circuitos Integrados básicos (CI), el Decodificador, Multiplexor, Adder y Flip Flop. Todas estas puertas y componentes pueden describirse como transformaciones mecánicas de datos de entrada a datos de salida, y la CPU general puede verse como un dispositivo mecánico.
Si bien no es necesario conocer los detalles de la implementación de estos CI para leer este texto, solo cómo se utilizan los CI, la implementación de estos 4 CI no es difícil. Un libro gratuito sobre la implementación de estos circuitos integrados está disponible del autor en http://cupola.gettysburg.edu/oer/1/. El resto de este capítulo proporcionará una visión general básica de las puertas y los CI utilizados en este texto (Sección 1.1) y luego dará una visión general de las diferentes formas en que se puede organizar y diseñar una CPU.
- 1.3: Arquitecturas de Von Neumann y Harvard
- Al discutir cómo se accede a la memoria a nivel de CPU, hay dos diseños a considerar. La primera es una arquitectura de Von Neumann, y la segunda es una arquitectura de Harvard. La principal diferencia entre las dos arquitecturas es que en una arquitectura de Von Neumann toda la memoria es capaz de almacenar todos los elementos del programa, datos e instrucciones; en una arquitectura de Harvard la memoria se divide en dos memorias, una para datos y otra para instrucciones.