Estructura dels computadors actuals¶
Nivells de jerarquia en un ordinador¶
Una màquina com és un cotxe es pot conèixer a diferents nivells. L’usuari segurament només coneix l’interior de l’habitacle, sap on es troben els comandaments i per a que serveix cadascun d’ells. Un mecànic coneixerà el funcionament del motor i les seues peces, i altre estarà especialitzat en el sistema elèctric. Hi haurà qui sabrà com és la coberta externa i quines peces la composen, mentre que altre haurà dissenyat l’estructura que protegeix i reforça l’habitacle o els airbags i altres sistemes de seguretat.
Un ordinador també es pot estructurar en capes, i es pot utilitzar l’ordinador coneguent els detalls de cadascuna d’elles. A continuació veurem quines són les diferents capes, qui les fa servir i quins coneixements són necessaris.
Nivell físic: El nivell físic és el dels components electrònics del computador i les seues interconnexions, i constitueix el que coneguem com a maquinari o hardware. Aquest és el nivell conegut per els arquitectes de computadors.
Nivell de sistema operatiu: El sistema operatiu és un conjunt de programes que tenen com a funció facilitar l’us del computador per part de l’usuari i gestionar els recursos del maquinari. El sistema operatiu és l’encarregat de controlar directament el maquinari, de manera que qualsevol programa que necessite mostrar alguna cosa a la pantalla o utilitzar la impressora no té que conèixer els detalls concrets del maquinari, ja que és el sistema operatiu el que ho fa. També s’encarrega de repartir els recursos limitats (com el temps de càlcul del processador o la memòria) entre els programes que ho sol·liciten.
Nivell de aplicació: Considerem aplicacions tots els programes que permeten als usuaris fer diferents tasques amb l’ordinador. Aquestos programes són els que poden realitzar tasques a petició del usuari (com portar la comptabilitat o retocar imatges) fent ús de les facilitats que li proporciona el sistema operatiu.
Nivell d’usuari: Aquesta és la visió que té del ordinador un usuari normal i corrent. Sap que hi ha una sèrie de dispositius amb els quals pot interactuar amb l’ordinador i una sèrie de programes. L’usuari sols necessita saber com usar aquestos.
Arquitectura de Von Newmann¶
La tasca de programar els primers computadors consistia en manipular interruptors i cablejar els circuits de forma adeqüada. Pràcticamet calia desmuntar i tornar a muntar el computador per a programarlo per a una nova tasca.
Va ser el matemàtic John von Newmann qui, en 1945, va proposar un disseny per a computadors en els quals s’introduïa el concepte de programa emmagatzemat, és a dir, un programa que es trobaba en la memòria del computador. Aquest concepte va fer independent el maquinari de la tasca, i un matèix maquinari va poder ser programat sense modificacions per realitzar diferents tasques.
L’arquitectura de Von Newmann és la utilitzada per la majoria dels computadors actuals, i en ella els programes (les instruccions a executar) es troben emmagatzemats a la mateixa memòria que les dades amb les que treballarà el programa. Segons l’estructura de Von Neumann un computador constarà de quatre parts diferents:
Una unitat central de procés (processador o CPU). Aquesta és la part del circuit electrònic del computador que executa els programes i coordina la resta d’elements. Consta de tres parts: la unitat aritmètic lògica (ALU) que és la que pot fer operacions aritmètiques i lògiques, la unitat de control, que governa la resta de components del computador i els registres, que són unes diminutes memòries internes de la CPU on es troben emmagatzemades les dades sobre les quals la ALU farà la següent operació i el resultat d’aquesta operació. Les CPUs actuals son capaços de fer operacions en blocs de 64 bits.
La memòria principal és el lloc on es troben emmagatzemats tant els programes com les dades que els programes consultaran o modificaran durant el seu funcionament. La memòria està dividida en unitats (o paraules) identificades amb una adreça. Aquesta memòria és el que diferència un computador de una simple màquina calculadora. Aquesta memòria és volàtil, la qual cosa vol dir que el seu contingut s’esborra si deixa de rebre alimentació elèctrica.
La unitat de entrada/sortida permet la connexió de perifèrics a la CPU. Aquesta unitat és la que permet que el computador es relacione amb l’usuari i l’exterior. També es consideren perifèrics tots els dispositius d’emmagatzematge d’informació diferents de la memòria principal.
Els busos són les vies de comunicació entre els diferents components del computador, i estan formats per cables i dispositius electrònics de diferents tipus. Hi ha tres busos amb tres funcions diferents: el bus de dades és a través del qual s’envien les dades, el bus d’adreces permet enviar l’adreça de memòria sobre la qual es vol fer una operació, i el bus de control és a través del qual s’envien les senyals que indiquen el tipus d’operació que es vol fer (lectura o escriptura) i els senyals de coordinació entre els diferents dispositius.
