ARQUITECTURA DE VON NEUMANN Y SUS LIMITACIONES
Summary
TLDREste vídeo explora la contribución de John von Neumann al desarrollo de las primeras computadoras electrónicas, destacando su diseño de una memoria secuencial que almacena tanto datos como programas. Se explica la arquitectura de von Neumann, con énfasis en la CPU, memoria y E/S, y cómo su visión de una máquina de Turing secuencial influyó en la computación moderna. Además, se mencionan sus aportaciones a la mecánica cuántica y el Proyecto Manhattan, resaltando su legado en la tecnología y la ciencia.
Takeaways
- 😀 Von Neumann colaboró en la creación de un informe para el ejército entre 1944 y 1946, destacando la concepción de una memoria secuencial que almacena tanto datos como programas.
- 👨💻 Se menciona la influencia de computadoras como la Mark I de Howard Aiken y la Complex Computer de George Stibitz en el desarrollo de las primeras computadoras electrónicas.
- 💡 Von Neumann se involucró en la construcción de la ENIAC, una de las primeras computadoras de propósito general, y posteriormente propuso un nuevo sistema de computación basado en las ideas de Turing.
- 🏛️ Surgió un conflicto legal con la titularidad de lo que hoy conocemos como la arquitectura de Von Neumann, lo que eventualmente llevó a que su diseño se hiciera público.
- 🏫 Newman regresó a Princeton con la idea de construir una computadora basada en la arquitectura de Von Neumann, que utiliza una memoria para almacenar instrucciones y datos.
- 💾 La arquitectura de Von Neumann es una implementación de una máquina de Turing secuencial en lugar de paralela, y es la base de la mayoría de los computadores modernos.
- 🔄 La arquitectura tiene tres bloques básicos: la Unidad Central de Proceso (CPU), la memoria y la entrada/salida, que permiten la ejecución de programas y la interacción con el mundo exterior.
- ⚙️ Se describen los componentes fundamentales de la arquitectura, incluyendo la Unidad Aritmético-Lógica (ALU), la Unidad de Control, el Banco de Registros, la Memoria Principal y el Bus de Datos.
- 🚧 Se discuten los problemas de rendimiento relacionados con la separación de la memoria y la CPU, conocido como el 'cuello de botella de Newman', y se mencionan soluciones como la memoria caché y la pipeline.
- 🔧 Von Neumann también contribuyó a la computación con el concepto de programa almacenado, permitiendo que las computadoras ejecuten secuencias de instrucciones de forma automática.
- 🌟 A pesar de sus contribuciones en el ámbito armamentístico, como en el Proyecto Manhattan, las contribuciones científicas y tecnológicas de Von Neumann en la informática son las más destacadas y perduran hasta el día de hoy.
Q & A
¿Cuándo colaboró von Neumann en la elaboración de un informe para el ejército sobre las primeras computadoras electrónicas?
-Von Neumann colaboró en la elaboración de un informe para el ejército sobre las primeras computadoras electrónicas entre 1944 y 1946.
¿Cuál fue la contribución destacada de von Neumann al desarrollo de las primeras computadoras?
-La contribución destacada de von Neumann fue la concepción de una memoria que actúa secuencialmente, almacenando no solo los datos numéricos de un problema sino también el programa con las instrucciones para su resolución.
¿Qué computadoras estaban en construcción durante los años en los que von Neumann trabajó en el desarrollo de las computadoras?
-Durante los años en los que von Neumann trabajó en el desarrollo de las computadoras, estaban en construcción computadoras como la Mark I de Howard Aiken o la Complex Computer de George Stibitz.
¿En qué computadora se involucró Von Neumann y cuál fue su aporte a su diseño?
-Von Neumann se involucró en la computadora ENIAC, y su aporte a su diseño fue la definición de un nuevo sistema lógico de computación basado en las ideas de Turing, lo que llevó al diseño de una computadora más poderosa.
¿Qué problemas legales surgieron con la titularidad de lo que hoy conocemos como arquitectura de von Neumann?
-Los problemas legales surgidos con la titularidad de la arquitectura de von Neumann fueron problemas de propiedad intelectual que resultaron en que el diseño se hiciera público.
¿Cuál es la principal diferencia entre la arquitectura de von Neumann y la arquitectura Harvard?
-La principal diferencia entre la arquitectura de von Neumann y la arquitectura Harvard es que en la arquitectura de von Neumann, la memoria almacena tanto instrucciones como datos, mientras que en la arquitectura Harvard, la memoria se separa en una para instrucciones y otra para datos.
¿Qué componentes básicos componen la arquitectura de una computadora según el modelo de von Neumann?
-Los componentes básicos que componen la arquitectura de una computadora según el modelo de von Neumann son la Unidad Central de Proceso (CPU), la memoria, y la entrada y salida.
¿Qué es la Unidad Aritmético Lógica (ALU) y qué funciones realiza?
-La Unidad Aritmético Lógica (ALU) es el circuito lógico que implementa las operaciones de aritmética binaria y las operaciones lógicas, como AND, OR, NOT, XOR, así como operaciones de desplazamiento y rotación de bits.
¿Qué es el ciclo de instrucción y cómo funciona?
-El ciclo de instrucción es el proceso secuencial que sigue una CPU para ejecutar una instrucción. Comienza con la búsqueda de una instrucción en la memoria, luego la decodificación, la ejecución de la instrucción en forma de código binario, y finalmente el almacenamiento de los resultados.
¿Cómo se alivian los problemas de rendimiento relacionados con el 'cuello de botella de von Neumann'?
-Los problemas de rendimiento relacionados con el 'cuello de botella de von Neumann' se pueden alivianar utilizando mecanismos como la inclusión de memoria caché, la arquitectura Harvard modificada, algoritmos de predicción de saltos y la utilización de pipelines para iniciar instrucciones en paralelo.
¿Cuáles fueron las contribuciones de von Neumann fuera del ámbito de las computadoras?
-Fuera del ámbito de las computadoras, von Neumann también contribuyó a la mecánica cuántica y participó en el proyecto Manhattan, que resultó en la producción de las primeras bombas nucleares.
Outlines
💡 Historia y contribuciones de Von Neumann en la informática
En este primer párrafo, se narra la colaboración de John von Neumann entre 1944 y 1946 en la creación de un informe para el ejército sobre las primeras computadoras electrónicas. Destaca su contribución con la idea de una memoria secuencial que no solo almacena datos numéricos sino también programas de instrucciones para resolver problemas. Se menciona su trabajo con la ENIAC y la posterior definición de un nuevo sistema lógico de computación basado en las ideas de Turing, lo que llevó al diseño de computadoras más potentes. También se aborda el problema legal con la arquitectura de Von Neumann y su influencia en la computación moderna, donde la mayoría de los computadores siguen su diseño original de 1945, con mejoras en circuitos lógicos pero manteniendo los principios de diseño originales.
🔧 Componentes y funcionamiento de la arquitectura de Von Neumann
El segundo párrafo se centra en los elementos básicos de la arquitectura de Von Neumann, que utiliza una memoria para almacenar tanto instrucciones como datos. Se describen los tres bloques fundamentales: la Unidad Central de Procesamiento (CPU), la memoria y la entrada/salida. Se explican en detalle los componentes como la Unidad Aritmético-Lógica (ALU), la Unidad de Control, el Banco de Registros, la memoria principal y la memoria RAM y ROM. Además, se introduce el concepto de 'cuello de botella de Newman', que se refiere a la limitación en la velocidad de transferencia de datos entre la CPU y la memoria, y se mencionan soluciones como la memoria caché y la arquitectura Harvard modificada. Se discuten también técnicas para mejorar el rendimiento como el pipelining y la lógica de predictor de saltos. Finalmente, se describe el ciclo de instrucciones y cómo se ejecutan las instrucciones en la CPU, y se menciona el trabajo de Newman en la mecanización y la mecánica cuántica, así como su participación en el Proyecto Manhattan.
Mindmap
Keywords
💡Von Neumann
💡Computadoras electrónicas
💡Arquitectura de Von Neumann
💡Memoria secuencial
💡Programa almacenado
💡Ciclo de instrucción
💡Unidad Central de Procesamiento (CPU)
💡Unidad Aritmético-Lógica (ALU)
💡Memoria principal
💡Banco de registros
💡Cuello de botella de Von Neumann
Highlights
Von Neumann colaboró en la elaboración de un informe para el ejército sobre las primeras computadoras electrónicas entre 1944 y 1946.
Su contribución destaca en la concepción de una memoria secuencial que almacena datos y programas.
Von Neumann se interesó en la computación para ayudar en su trabajo, habiendo numerosas computadoras en construcción en esa época.
La ENIAC, con la que Von Neumann se involucró, fue una de las primeras computadoras de propósito general.
Después de ver las limitaciones de la ENIAC, Von Neumann y otros definieron un nuevo sistema lógico de computación basado en las ideas de Turing.
Se enfrascaron en el diseño de una computadora más poderosa, el EDVAC, basado en la arquitectura de Von Neumann.
Hubo problemas legales con la titularidad de lo que hoy conocemos como arquitectura de Von Neumann, lo que llevó a que el diseño se hiciera público.
Von Neumann regresó a Princeton con la idea de construir su propia computadora, manteniendo la arquitectura de memoria para instrucciones y datos.
La arquitectura de Von Neumann es un diseño que implementa una máquina de Turing y una arquitectura secuencial en lugar de paralela.
El concepto de programa almacenado surge de esta arquitectura, definiendo a las computadoras de este tipo.
Las computadoras modernas poseen la misma arquitectura que la definida por Von Neumann en 1945, a pesar de avances en circuitos lógicos.
La idea fundamental de Von Neumann es que una operación compleja se puede dividir en una secuencia ordenada de operaciones más simples.
Introdujo el concepto del programa almacenado, una secuencia lógicamente ordenada de instrucciones.
La arquitectura tiene tres bloques básicos: la CPU, la memoria y la entrada/salida.
La unidad aritmético lógica (ALU) es el circuito lógico que implementa operaciones aritméticas y lógicas.
La unidad de control implementa el ciclo de instrucción, coordinando el acceso a la siguiente instrucción y la ejecución de operaciones.
El banco de registros es una serie de posiciones de memoria dentro de la CPU que permiten acceso a operandos y almacenamiento de resultados más rápido.
La memoria principal tiene menor capacidad que la secundaria pero es mucho más rápida, y se implementa con circuitos integrados.
La memoria RAM es volátil y la ROM es persistente, con la RAM permitiendo lectura y escritura y la ROM solo lectura.
El bus de datos es el dispositivo de transporte de información y conexión entre las partes de un sistema informático.
La separación de la memoria y la CPU acarreó el problema del cuello de botella de Newman, donde la CPU puede permanecer ociosa.
El problema de rendimiento se puede aliviar con mecanismos como la memoria caché, la arquitectura Harvard modificada, y algoritmos de predictor de saltos.
El pipelining permite iniciar instrucciones antes de terminar el ciclo de instrucciones anteriores, permitiendo trabajo en paralelo.
La función de una computadora es la ejecución de instrucciones a través del ciclo de instrucciones, donde la CPU busca y ejecuta instrucciones.
Von Neumann también contribuyó significativamente a la mecánica cuántica y al proyecto Manhattan, a pesar de que sus contribuciones científicas son más reseñables.
Transcripts
sí
[Música]
muy buenos días a todos y bienvenidos
una vez más a mi canal
entre 1944 y 1946 von neumann colaboró
en la elaboración de un informe para el
ejército sobre las posibilidades que
ofrecía el desarrollo de las primeras
computadoras electrónicas de su
contribución a dicho desarrollo destaca
la concepción de una memoria que actúa
secuencialmente y no sólo registrará los
datos numéricos de un problema sino que
además almacena se un programa con las
instrucciones para la resolución del
mismo de este modo empezó a interesarse
por la computación para ayudarse en su
trabajo en aquellos años había numerosas
computadoras en construcción como por
ejemplo la mark uno de howard aiken o
complex computer del george stevie pero
con la que von neumann se involucró fue
la eniac siendo una de las primeras
computadoras de propósito general una
vez finalizada la construcción del en
jacques y viendo sus limitaciones
decidieron definir todo un nuevo sistema
lógico de computación basado en las
ideas de turing y se enfrascaron en el
diseño de la construcción de una
computadora más poderosa el airbag no
obstante hubo unos cuantos problemas
legales con la titularidad de lo que hoy
conocemos como arquitectura de von
neumann esto produjo que el diseño se
hiciera público newman regreso a
princeton con la idea de construir su
propia computadora
volviendo a la anteriormente mencionada
arquitectura de von neumann es un diseño
que usa una memoria para almacenar
instrucciones y datos este tipo de
máquina es la implementación de una
máquina de turing y la visión de una
arquitectura secuencial en lugar de
paralela con este modelo surge el
concepto de programa almacenado por el
cual se les conoce a las computadoras de
este tipo los conceptos que propuso han
tenido una vigencia mucho más allá de la
esperada en una industria como la de las
tecnologías de la información sin
embargo por más que llame la atención
todos los computadores modernos
disponibles comercialmente poseen en el
fondo la misma arquitectura que la ed
back definida en 1945 muchos se ha
adelantado en materia de los circuitos
lógicos es decir la organización que
implementa la arquitectura pero casi
nada en los principios de diseño que
planteó von neumann hace más de 60 años
la idea fundamental se apoya en el hecho
de que una operación compleja
normalmente se puede dividir en una
secuencia ordenada de operaciones más
simples en otras palabras lo que propuso
fue construir una máquina capaz
algoritmos en forma explícita para ello
introdujo el concepto del programa
almacenado es decir una secuencia
lógicamente ordenada de instrucciones
siendo las instrucciones operaciones
básicas que implementa el hardware a
través de sus circuitos lógicos dicha
arquitectura tiene tres bloques básicos
en primer lugar tenemos la unidad
central del proceso también conocida
como la cpu que se encarga de ejecutar
los programas en segundo lugar tenemos
la memoria que almacena el programa es
decir el conjunto de instrucciones y los
datos operadores y resultados de las
propias ejecuciones de las instrucciones
y en último lugar tenemos la entrada y
salida que comunica el computador con el
mundo exterior permitiendo la
interacción con los usuarios y otras
máquinas a continuación vamos a hablar
sobre los elementos básicos que componen
esta arquitectura en primer lugar
tenemos la unidad aritmético lógica
también conocida como la alóu es el
circuito lógico que implementa las
operaciones de aritmética binaria
típicamente las operaciones básicas para
representaciones binario y complemento a
dos y por otro lado tenemos las
operaciones lógicas típicamente la an
short not be tab y del mismo modo
también es habitual que implemente
operaciones de desplazamiento y rotación
de bits en segundo lugar tenemos la
unidad de control este es el circuito
secuencial que implementa el denominado
ciclo de instrucción permitiendo acceder
a la siguiente instrucción de un
programa leer sus operando o efectuar la
operación indicada en la luz y guardar
el resultado de la misma en siguiente
lugar tenemos el banco de registros una
serie de posiciones especiales de
memoria ubicadas físicamente dentro de
la propia cpu que permiten el acceso a
operando sin lugares de almacenamiento
de resultados mucho más veloces que si
estuvieran en el sistema de memoria
normal contamos también con una memoria
para guardar información que es
accesible a la cpu la cpu puede leer y
escribir datos en las diferentes
posiciones de memoria que componen la
memoria principal es dicha memoria
principal tiene menor capacidad que la
memoria secundaria sin embargo es mucho
más rápida
actualmente la memoria principal se
implementa mediante circuitos integrados
y suele estar formada por dos áreas
diferenciadas la memoria ram se trata de
un almacenamiento volátil de manera que
se pierde su contenido al que se
alimenta ción
tanto lectura como si lee tura por otro
lado la memoria rom se trata de un
almacenamiento persistente y sólo
permite la lectura de los datos que
almacena finalmente el último elemento
básico es el bus de datos dispositivo
que funciona de transporte de
información y conexión entre las
distintas partes de un sistema
informático y se representa con las
flechas direccionales
también cabría destacar que la
separación de la memoria y la cpu
acarreó un problema denominado cuello de
botella de newman esto se debe a que la
cantidad de datos que pasa entre estos
dos elementos difieren mucho en tiempo
con las velocidades de ellos por lo cual
la cpu puede permanecer ociosa este
problema de rendimiento puede ser
aliviado hasta cierto punto utilizando
diversos mecanismos ofreciendo la
inclusión de una llamada memoria caché
entre la cpu y la memoria la llamada
arquitectura harvard modificada
utilizando algoritmos y la lógica de
predictor de saldos como por ejemplo el
proyector de salto efectivo o no
efectivo o por otro lado el dinámico que
se basa en el histórico del programa
otro mecanismo sería utilizar el
denominado como bien decía mi profesor
pipe line que permite inicien
instrucciones antes de terminar el ciclo
de instrucciones de la anterior
es decir de esta forma existiría un
trabajo en paralelo volviendo a dicha
arquitectura la función de una
computadora es la ejecución de
instrucciones la cpu es quien se encarga
de ejecutarlas a través de un ciclo
denominado ciclo de instrucciones
las instrucciones consisten en
secuencias de unos y ceros llamadas
código máquina y no son legibles por las
personas por ello se emplean lenguajes
como el ensamblador bajo nivel o
lenguajes de programación como pascal
alto nivel y son ejecutadas por la cpu a
grandes velocidades al principio de cada
ciclo la cpu busca una instrucción en
memoria en la cpu hay un registro
llamado contador del programa pc que
tiene la dirección de la última
instrucción leída de esta manera el
computador puede saber cuál es la
siguiente instrucción que debe ejecutar
a continuación decodificar la
instrucción mediante la unidad de
control ésta se encarga de coordinar el
resto de componentes del ordenador para
realizar una función determinada se
ejecuta la instrucción en la forma de un
código binario que especifica las
acciones que tomará la cpu ésta puede
cambiar el valor del contador del
programa permitiendo así operaciones
repetitivas
también puede cambiar cuando se cumple a
cierta condición aritmética haciendo que
el ordenador pueda tomar decisiones en
el próximo vídeo nos adentraremos de
lleno en las características de la
arquitectura de von neumann antes de
terminar cabría destacar las
aportaciones de newman tan relevantes en
el ámbito de la acció matización de la
mecánica cuántica incluso participó en
el proyecto manhattan que concluyó con
la producción de las primeras bombas
nucleares sus contribuciones en el
terreno armamentístico no son en
absoluto tan reseñables como las que
hizo en otros ámbitos científicos pero
también forman parte del legado de un
genio que ha contribuido decisivamente a
que nuestros ordenadores hayan adquirido
el desarrollo que tienen actualmente y
hasta aquí el vídeo de hoy si os ha
gustado y queréis que haga más vídeos
como éste suscribir darle al like
activar la campanita dejado un
comentario y hasta la semana que viene
[Música]
[Aplausos]
[Música]
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