Conceptos Clave en Arquitectura de Computadoras y Gestión de Sistemas

Introducción a Conceptos Fundamentales de Informática

Este documento recopila y aclara diversos conceptos esenciales en el ámbito de la arquitectura de computadoras, sistemas operativos y componentes de hardware. Aborda desde la gestión de interrupciones y excepciones hasta el rendimiento de sistemas de almacenamiento y la organización de la memoria.

Tipos de Interrupciones y Excepciones

Interrupciones Internas

Son interrupciones que se provocan a través de software (mediante instrucciones como INT n o INTO).

Interrupciones Externas

Se trata de señales eléctricas generadas por componentes de hardware externos, que provocan la activación de una de las patitas del procesador. Esta activación es detectada por el Controlador de Interrupciones Programables Avanzado Local (APIC).

• Las patitas del procesador Pentium que soportan interrupciones externas son la INTR (interrupción enmascarable) y la NMI (interrupción no enmascarable). Su aceptación depende del flag IF (Interrupt Flag).

Instrucciones Programadas

Algunas instrucciones que gestionan o generan interrupciones y excepciones incluyen: BOUND, INTO, INTn, IRET, INT3.

Excepciones

Las excepciones son provocadas automáticamente como consecuencia de alguna anomalía en la CPU. Se clasifican en:

• Falla (con evento recuperable)
• Trampa
• Aborto

Doble Falla

Una doble falla se produce en las siguientes situaciones:

• Cuando la primera excepción es contribuyente y la segunda excepción también lo es.
• También si la primera excepción es una falla de página y la segunda es contribuyente o también una falla de página.
• Puede ocurrir si se produce una excepción durante la vectorización de otra excepción.

Gestión de Interrupciones y Memoria

IDT (Tabla de Descriptores de Interrupción)

La IDT es la Tabla de Descriptores de Interrupción. Contiene información sobre los manejadores de interrupciones y excepciones.

• En modo real, cada entrada tiene 4 bytes y en modo protegido, 8 bytes.
• Las primeras 20 entradas están reservadas para situaciones específicas y las siguientes 10 para el procesador; el resto no está a disposición del usuario.

Registros de Segmento

Los registros de segmento que determinan el campo selector son: CS, DS, ES, FS, GS, SS.

TLB (Translation Lookaside Buffer)

El TLB es un dispositivo de memoria ultrarrápida que guarda las direcciones lineales y físicas de las últimas 32 páginas de código accedidas, acelerando la traducción de direcciones virtuales a físicas.

Memoria de Etiquetas

La memoria de etiquetas es una parte de un subsistema de caché que se puede acceder comparando un argumento con cada una de las filas de la matriz, utilizada para identificar bloques de caché.

Almacenamiento y Rendimiento de Discos

RAID (Redundant Array of Inexpensive Disks)

RAID (Redundant Array of Inexpensive Disks) consiste en una serie de sistemas para organizar varios discos como si se tratara de una única unidad, pero haciendo que trabajen en paralelo para aumentar la velocidad de acceso o la seguridad frente a fallos de hardware.

Parámetros de Rendimiento de Discos

Latencia Promedio

La latencia promedio se calcula como: (60 segundos) / (2 * nRPM), donde nRPM es el número de revoluciones por minuto.

Tiempo de Búsqueda (Seek Time)

El Tiempo de Búsqueda (Seek Time) es el tiempo que tarda el cabezal en buscar la pista deseada en el disco.

Retardo Rotacional

El Retardo Rotacional es el tiempo que tarda el sector deseado en alcanzar la cabeza de lectura/escritura una vez que el cabezal está en la pista correcta.

Latencia Rotacional

La Latencia Rotacional se define como 1 / RPS (Revoluciones Por Segundo). RPS es el tiempo de giro. (Nota: la latencia rotacional media es RPS / 2).

Tiempo de Lectura de un Sector

El tiempo de lectura de un sector (en milisegundos) se puede estimar como: 1000 / (RPS * SectoresPorPista), donde RPS son las revoluciones por segundo y SectoresPorPista es el número de sectores en una pista.

Clúster

Un clúster es una división lógica asociada a un disco magnético que establece la mínima cantidad de bytes que se acceden para leer o escribir, siendo la unidad de asignación de espacio en el sistema de archivos.

Arquitecturas y Componentes del Procesador

EPIC (Explicitly Parallel Instruction Computing)

EPIC (Explicitly Parallel Instruction Computing) es una arquitectura desarrollada para el procesador Itanium que consta de quince unidades de ejecución, permitiendo ejecutar hasta veinte instrucciones por ciclo de reloj.

BIU (Bus Interface Unit)

La BIU (Bus Interface Unit) es la unidad del procesador asociada al intercambio de información con el bus; transfiere y recibe datos, coloca direcciones, etc., gestionando la comunicación con otros componentes del sistema.

Conceptos Fundamentales de Memoria y Caché

Palabra de Memoria

Al conjunto de bits que se acceden por primera vez se lo denomina palabra de memoria.

Señales de Memoria Dinámica (RAS y CAS)

Las señales que habilitan la selección de una fila en una memoria dinámica son RAS (Row Address Strobe) y CAS (Column Address Strobe).

Tipos de Caché y Algoritmos de Reemplazo

• En una caché totalmente asociativa, se suele usar el algoritmo LRU (Least Recently Used).
• En una caché de correspondencia directa o de 1 vía, no se usa algoritmo de reemplazo.
• En una caché asociativa de n vías, se puede usar cualquiera de los algoritmos de reemplazo (por ejemplo, LRU, FIFO, LFU).

Registros EDI y ESI

EDI y ESI son registros de 32 bits que se asocian al modo de direccionamiento indexado, comúnmente utilizados para operaciones con cadenas de datos.

Fundamentos de Señales y Unidades de Medida

Frecuencia y Periodo

La frecuencia es el número de ciclos completos que realiza una señal en un segundo, mientras que el tiempo que tarda la señal en completar un ciclo se denomina periodo.

Límites de Representación Numérica

Para un número de n bits, los límites de representación son:

• Naturales (no signados): [0, 2^n - 1]
• Complemento a 1 (C1): [-(2^(n-1) - 1), 2^(n-1) - 1]
• Complemento a 2 (C2): [-2^(n-1), 2^(n-1) - 1]

Prefijos de Unidades de Medida

• 10^-3: mili
• 10^-6: micro
• 10^-9: nano