El modelo de Von Neumann, también conocido como Arquitectura de Von Neumann o Arquitectura Princeton, es un modelo conceptual, diseñado en 1945, que define cómo funciona un ordenador, mostrando todas las interconexiones de los componentes de hardware. Gracias a esta arquitectura, todos los ordenadores modernos son capaces de procesar toda la información de forma eficiente.
Aunque esta arquitectura, revolucionaria en su momento, contempla componentes clave como el procesador (CPU), la memoria principal y sistemas de entrada y salida, también presenta limitaciones, como el conocido «cuello de botella», que afecta a los sistemas actuales.
Componentes del modelo de Von Neumann
Unidad Central de Procesamiento (CPU)
El procesador (CPU), formado por tres elementos principales, es el corazón de cualquier ordenador basado en esta arquitectura:
- Unidad Aritmética Logárica (ALU): Esta parte del CPU se encarga de realizar operaciones matemáticas básicas (como sumar, restar, multiplicar y dividir) y operaciones lógicas (como AND, OR, NOT).
- Registros del procesador: Se tratan de pequeñas memorias muy rápidas cuyo objetivo es almacenar temporalmente datos binarios.
- Unidad de control: Cuya función principal es buscar instrucciones en la memoria principal (RAM), decodificarlas y ejecutarlas.
Memoria principal
La memoria principal, también conocida como memoria RAM en los ordenadores modernos, es el espacio en donde se almacenan temporalmente los datos y las instrucciones que necesita el procesador (CPU) para ejecutar los programas.
Esta memoria está organizada en celdas, cada una identificada por una dirección única, lo que le permite un acceso rápido y eficiente.
Sistema de entrada y salida
Este sistema es el encargado de conectar el ordenador con dispositivos externos (periféricos), como el teclado, el ratón, la pantalla, etc…
Su función principal es generar las señales necesarias para poder transferir los datos entre el ordenador y los periféricos, ya sea emitiendo o recibiendo la información.
Cuello de botella de Von Neumann
Como comentábamos antes, uno de los problemas que tiene este modelo es el conocido «cuello de botella», causado por la separación entre el procesador y la memoria principal. El cuello de botella surge ya que ambos componentes comparten el mismo canal (o bus) para transmitir datos e instrucciones.
Para atenuar este inconveniente existen diferentes mecanismos. Unos de los más populares es la inclusión de una llamada memoria caché entre la CPU y la memoria o el denominado Pipeline que permite iniciar instrucciones antes de terminar el ciclo de instrucción del anterior, es decir que de esta forma existiría un trabajo en paralelo.
¿Porqué ocurre el cuello de botella?
- Procesador y memoria separados
- En el modelo de Von Newmann, los datos y las instrucciones están almacenadas en la misma memoria, debiéndoselas transferir a través de un único bus, causando que el procesador no pueda acceder simultáneamente a datos e instrucciones, creando un «cuello de botella».
- Diferentes velocidades entre el procesador y la memoria
- Un procesador es capaz de procesar datos de forma más rápida que la memoria le puede suministrar, esto provoca un tiempo de inactividad en el CPU, hasta que la memoria es capaz de enviarle los datos.
- Procesamiento secuencial
- Cada operación se debe realizar individualmente, sin posibilidad de trabajar en paralelo.
- Un único bus
- Como únicamente tiene un bus, para enviar y recibir, se limita la cantidad de información que puede gestionar.
Consecuencias del cuello de botella
- Rendimiento limitado
- La velocidad del sistema quedará limitada por el tiempo de respuesta de la memoria
- Uso ineficiente del CPU
- Como el procesador queda mucho tiempo en espera hasta que la memoria responde, disminuye el rendimiento general del sistema.
Soluciones al cuello de botella
- Uso de memoria caché
- Este memoria es ultra rápida y se sitúa entre el procesador y la memoria principal, el objetivo es almacenar datos de uso frecuente.
- Uso de pipelines
- Esta técnica permite que el procesador sea capaz de ejecutar múltiples instrucciones en paralelo
- Paralelismo
- Implementar múltiples núcleos en los procesadores para poder distribuir mejora las tareas y aumentar el rendimiento
- Arquitecturas alternativas
- Además de la arquitectura de Von Newmann, también existe la arquitectura Harvard, que separa físicamente las memorias de datos e instrucciones (en dos bus), reduciendo así el cuello de botella
Ventajas del modelo de Von Neumann
- Diseño simple y uniforma: Al estar todos los programas y datos almacenados en la misma memoria, facilita el diseño y desarrollo de los ordenadores.
- Diseño base para ordenadores modernos: Este modelo es la base de la mayoría de los dispositivos inteligentes actuales (como ordenadores y smartphones).
Limitaciones del modelo de Von Neumann
- Cuello de botella: Problema de velocidad de transferencia de datos entre CPU y Memoria
- Dependencia secuencial: Al realizarse las instrucciones una a una, limita la eficiencia de aquellas tareas que podrían realizarse en paralelo
- No optimizado para la computación moderna: La arquitectura Harvard, por ejemplo, superan muchas limitaciones de la arquitectura Von Neumann
