Arquitectura de Computadoras: Firmware, Kernel, Procesador y Memorias

Firmware: Programas o instrucciones para uso específico, grabado en memoria no volátil (ROM, Flash, etc.). Lógica de bajo nivel que controla un dispositivo físico. Ensamblador

Kernel: Pieza fundamental del SO. Software que facilita a los programas el acceso seguro al hardware. Gestiona los recursos del sistema (CPU, Memoria, etc.). S.O

Procesador: Es el responsable de la ejecución real de las instrucciones que forman los programas y el SO. ALU:

Banco de Registro: Pequeña área de almacenamiento de datos que utiliza el procesador. Múltiples accesos simultáneos. Por ejemplo, al efectuar una operación de suma, se pueden leer todos sus sumandos de una sola vez. Sirven para almacenar los resultados de la ejecución de instrucciones, cargar datos desde la memoria externa o almacenarlos en ella. Bus de datos

Bus de direcciones: Para especificar la dirección de memoria o la dirección del registro de E/S. Bus de control

Unidad de Control: La función principal de la unidad de control es dirigir la secuencia de pasos de modo que la computadora lleve a cabo un ciclo completo de ejecución de una instrucción, y hacer esto con todas las instrucciones de que conste el programa. Ésta formada, básicamente por un elemento que interpreta las instrucciones y varios elementos de memoria denominados registros. Uno de estos registros almacena la instrucción mientras el intérprete está traduciendo su significado, por lo que se denomina Registro de Instrucción (RI). El resto de las instrucciones permanecen en la memoria, esperando que les toque su turno de ejecución. Dirección de Memoria: Se utiliza para indicar al sistema de memoria a qué posición se quiere hacer referencia. Registro de Dirección (RD): Contiene la dirección de la celdilla sobre la que se va a actuar, ya sea leyéndola, o escribiendo sobre ella. Esta dirección se obtiene desde el BUS de Direcciones. Registro de Intercambio (RI): Este registro sirve de almacén temporal en las operaciones de escritura y lectura. En el caso de una lectura este registro puede ser cargado desde la memoria para ser pasado posteriormente al procesador mediante el bus de datos. En el caso de una escritura, el RI se carga con el dato a escribir, luego el RD toma la dirección donde escribirlo, luego el dato del RI pasa a la casilla seleccionada por RD, completando la escritura.

Selector de Memoria: El selector es el elemento que transforma la dirección del RD en una dirección efectiva.

Memorias Caché

Memoria Caché: En la actualidad esta memoria está integrada en el procesador, y su función es almacenar una serie de instrucciones y datos a los que el procesador accede continuamente, con la finalidad de que estos accesos sean instantáneos.

Caché de 1er nivel (L1)

Esta caché está integrada en el núcleo del procesador, trabajando a la misma velocidad que este. La cantidad de memoria caché L1 varía de un procesador a otro, estando normalmente entra los 64KB y los 256KB. Esta memoria suele a su vez estar dividida en dos partes dedicadas, una para instrucciones y otra para datos.

Caché de 2º nivel (L2)

Integrada también en el procesador, aunque no directamente en el núcleo de este, tiene las mismas ventajas que la caché L1, aunque es algo más lenta que esta. La caché L2 suele ser mayor que la caché L1, pudiendo llegar a superar los 2MB. A diferencia de la caché L1, esta no está dividida, y su utilización está más encaminada a instrucciones que a datos.

Caché de 3er nivel (L3)

Es un tipo de memoria caché más lenta que la L2, muy poco utilizada en la actualidad. En un principio esta caché estaba incorporada a la placa madre, no al procesador, y su velocidad de acceso era bastante más lenta que una caché de nivel 2 o 1, ya que si bien sigue siendo una memoria de una gran rapidez (muy superior a la RAM, y mucho más en la época en la que se utilizaba), depende de la comunicación entre el procesador y la placa madre.

Jerarquías de Memoria

Procesador, caché, una memoria principal y una memoria virtual. La razón principal de que los sistemas de memoria se construyan de forma jerárquica es que el costo por bit de una tecnología de memoria es generalmente proporcional a la velocidad de acceso de esa tecnología. Las memorias rápidas como las RAM estáticas (SRAM), tienden a tener un alto costo por bit, por lo tanto son de capacidades más limitadas. Las memorias RAM Dinámicas (DRAM), son más baratas, haciendo posible la construcción de memorias con mayor capacidad. En general no es posible predecir a qué posiciones de memoria se va a acceder con mayor frecuencia, por lo que los sistemas usan un método basado en la demanda para determinar qué datos deben mantenerse en los niveles más altos de jerarquía.

Principio de Localidad: En la cual las referencias a memoria que ocurren cercanas en el tiempo tienden a acceder a direcciones también cercanas, haciendo que sea más probable que se vaya a acceder a otras direcciones dentro de un mismo bloque una vez que se haya accedido por primera vez a una dirección de dicho bloque.

Inclusión: Permite que la presencia de una dirección en un determinado nivel del sistema de memoria garantiza que esa dirección esté presente en todos los sistemas de memoria más bajos de la jerarquía.

Tipos de Acceso a Memoria

• Acceso Secuencial: El acceso a la memoria se inicia habilitando la dirección de la primera celda y luego se sigue accediendo en orden secuencial con las siguientes celdas. En este tipo de acceso no es posible acceder a la i-ésima celda si no se ha accedido a las celdas anteriores. El tiempo de acceso a una celda depende de su ubicación física en el medio de almacenamiento. Ejemplo: cinta magnética.
• Acceso Directo: El acceso a la memoria se realiza a nivel de “bloque de celdas” y dentro de cada bloque se utiliza acceso secuencial para identificar una celda. Cada “bloque de celdas” tiene una única dirección. El tiempo de acceso a un bloque depende de su ubicación física en el medio de almacenamiento. Ejemplo: Disco Magnético.
• Acceso Aleatorio: El acceso a la memoria se realiza a nivel de celdas, donde cada celda tiene una única dirección. Cada celda puede ser accedida en cualquier orden. El tiempo de acceso es igual para cualquier celda (es independiente de su ubicación). Ejemplo: Memoria principal, ROM.
• Acceso Asociativo: Es una variante del acceso aleatorio. Cada celda puede ser accedida por su contenido y no por su ubicación física. La búsqueda del contenido de una celda se realiza mediante la comparación con un “patrón de búsqueda” provisto por el usuario. Todas las celdas son accedidas en paralelo, sin importar el tamaño de la memoria. El tiempo de acceso es igual para cualquier celda (es independiente de su ubicación). Ejemplo: Memoria Caché.