Arquitectura de hardware

En ingeniería, la arquitectura de hardware se refiere a la identificación de los componentes físicos de un sistema y sus interrelaciones. Esta descripción, a menudo denominada modelo de diseño de hardware , permite a los diseñadores de hardware comprender cómo sus componentes se integran en la arquitectura del sistema y proporciona a los diseñadores de componentes de software información importante necesaria para el desarrollo e integración del software. Una definición clara de la arquitectura de hardware permite que las diversas disciplinas de ingeniería tradicionales (por ejemplo, ingeniería eléctrica y mecánica) colaboren de manera más eficaz para desarrollar y fabricar nuevas máquinas, dispositivos y componentes. ^{[ 1 ]}

El término «hardware» también se utiliza en la industria de la ingeniería informática para distinguir explícitamente el hardware (de la computadora electrónica ) del software que se ejecuta en él. Sin embargo , en las disciplinas de automatización e ingeniería de software , el hardware no tiene por qué ser simplemente una computadora. Un automóvil moderno ejecuta mucho más software que la nave espacial Apolo. Asimismo, las aeronaves modernas no pueden funcionar sin ejecutar decenas de millones de instrucciones informáticas integradas y distribuidas por toda la aeronave, tanto en hardware informático estándar como en componentes de hardware especializados, como puertas lógicas cableadas, dispositivos analógicos e híbridos y otros componentes digitales. La necesidad de modelar eficazmente cómo se combinan los componentes físicos individuales para formar sistemas complejos es importante en una amplia gama de aplicaciones, que incluyen computadoras, asistentes digitales personales (PDA), teléfonos celulares, instrumental quirúrgico, satélites y submarinos.

La arquitectura de hardware es la representación de un sistema de hardware electrónico o electromecánico diseñado (o por diseñar ), así como el proceso y la disciplina para implementar eficazmente el diseño o los diseños de dicho sistema. Generalmente forma parte de un sistema integrado más amplio que abarca información , software y prototipado de dispositivos . ^{[ 2 ]}

Se trata de una representación porque se utiliza para transmitir información sobre los elementos relacionados que componen un sistema de hardware, las relaciones entre esos elementos y las reglas que rigen esas relaciones.

Se trata de un proceso porque se prescribe una secuencia de pasos para producir o modificar la arquitectura, y/o un diseño derivado de esa arquitectura, de un sistema de hardware dentro de un conjunto de restricciones.

Se trata de una disciplina porque se utiliza un conjunto de conocimientos para informar a los profesionales sobre la forma más eficaz de diseñar el sistema dentro de un conjunto de limitaciones.

Una arquitectura de hardware se ocupa principalmente de las interfaces eléctricas internas (y, más raramente, mecánicas ) entre los componentes o subsistemas del sistema , y ​​la interfaz entre el sistema y su entorno externo, especialmente los dispositivos operados por el usuario o las pantallas electrónicas que este visualiza . (Esta última interfaz especial se conoce como interfaz hombre-máquina , o HCI ; anteriormente llamada interfaz hombre-máquina). ^{[ 3 ]} Los diseñadores de circuitos integrados (CI) están impulsando las tecnologías actuales hacia enfoques innovadores para nuevos productos. Por lo tanto, se están proponiendo múltiples capas de dispositivos activos como un solo chip, lo que abre oportunidades para la implementación disruptiva de hardware microelectrónico, optoelectrónico y microelectromecánico. ^{[ 4 ] [ 5 ]}

Antes de la llegada de las computadoras digitales, la electrónica y otras disciplinas de ingeniería utilizaban los términos sistema y hardware, tal como se siguen utilizando hoy en día. Sin embargo, con la aparición de las computadoras digitales y el desarrollo de la ingeniería de software como disciplina independiente, a menudo fue necesario distinguir entre los componentes de hardware , los componentes de software y la combinación de ambos.

Un artefacto de hardware programable , o máquina, que carece de su programa informático es impotente; incluso un artefacto de software, o programa, es igualmente impotente a menos que pueda usarse para alterar los estados secuenciales de una máquina (de hardware) adecuada. Sin embargo, una máquina de hardware y su programación pueden diseñarse para realizar una cantidad casi ilimitada de tareas abstractas y físicas. Dentro de las disciplinas de ingeniería informática y de software (y, a menudo, otras disciplinas de ingeniería, como las comunicaciones), los términos hardware, software y sistema surgieron para distinguir entre el hardware que ejecuta un programa informático , el software y el dispositivo de hardware completo con su programa.

Un hardware puede controlarse desde un software con la ayuda de un dispositivo intermedio llamado controlador de hardware. Este controlador de hardware puede utilizarse para realizar diversas tareas automatizadas desde el hardware. Generalmente, un controlador de hardware consta de pines GPIO (entrada y salida de propósito general), cuyo comportamiento se controla mediante un fragmento de código. ^{[ 6 ]}

El ingeniero o arquitecto de hardware se ocupa (más o menos) exclusivamente del dispositivo de hardware; el ingeniero o arquitecto de software se ocupa (más o menos) exclusivamente del programa; y el ingeniero o arquitecto de sistemas es responsable de asegurarse de que la programación sea capaz de ejecutarse correctamente dentro del dispositivo de hardware, y de que el sistema compuesto por ambas entidades sea capaz de interactuar correctamente con su entorno externo, especialmente con el usuario, y de realizar la función prevista.

Una arquitectura de hardware, entonces, es una representación abstracta de un dispositivo electrónico o electromecánico capaz de ejecutar un programa fijo o modificable. ^{[ 7 ] [ 8 ]}

Una arquitectura de hardware generalmente incluye algún tipo de computadora electrónica analógica, digital o híbrida , junto con sensores y actuadores electrónicos y mecánicos. El diseño de hardware puede considerarse como un " esquema de partición " o algoritmo , que considera todos los requisitos presentes y previsibles del sistema y organiza los componentes de hardware necesarios en un conjunto funcional de subsistemas bien definidos , con solo las partes necesarias. Es decir, se trata de un esquema de partición exclusivo, inclusivo y exhaustivo . Un objetivo principal de la partición es organizar los elementos en los subsistemas de hardware de manera que se requiera un mínimo de conexiones eléctricas y comunicaciones electrónicas entre ellos. Tanto en software como en hardware, un buen subsistema tiende a considerarse un " objeto " significativo. Además, una asignación clara de los requisitos del usuario a la arquitectura (hardware y software) proporciona una base eficaz para las pruebas de validación de dichos requisitos en el sistema construido.

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