Conceptos Clave en Arquitectura de Computadores: Memoria, Buses y Rendimiento del Procesador

Conceptos Fundamentales de Arquitectura de Computadores

Capacidad de Direccionamiento de Memoria

17. Si tenemos un bus de direcciones de 10 bits, ¿cuántas direcciones de memoria se pueden direccionar?

Con un bus de direcciones de 10 bits, se pueden direccionar 2¹⁰ = 1024 posiciones de memoria. Esto es lo que se denomina capacidad de direccionamiento.

Señales del Bus de Control

18. Si tenemos un bus de control de 30 bits, ¿cuántas señales de control tiene el ordenador?

El número de señales de control es igual al número de bits del bus de control, por lo tanto, un bus de control de 30 bits implica 30 señales de control.

Ancho de Palabra de Memoria y su Relación con Buses y Registros

19. Explica qué es el ancho o tamaño de palabra de memoria.

Se llama ancho de palabra de memoria al tamaño mínimo de datos que se puede leer o escribir simultáneamente en la memoria en una única operación. Es, en esencia, el bloque de información que se maneja en cada acceso a memoria.

¿Tiene algo que ver con el ancho de algún bus?

Sí, el bus de datos es fundamental para transferir información entre los distintos componentes del ordenador. El número de bits del bus de datos suele coincidir con el ancho de palabra de memoria, ya que determina la cantidad de datos que pueden viajar simultáneamente.

¿Tiene algo que ver con el tamaño de los registros de la CPU?

El ancho de palabra del procesador se refiere al tamaño de la información con la que trabaja la CPU, es decir, la longitud de sus registros internos. Este ancho lo determina la arquitectura del microprocesador (comúnmente 32 o 64 bits) y puede coincidir con el ancho de palabra de memoria.

Los sistemas operativos actuales se diferencian comúnmente según el ancho de palabra soportado por sus registros (32 o 64 bits). Estas cifras se refieren a la máxima capacidad de direccionamiento de memoria que dichos sistemas operativos pueden gestionar:

• Un sistema de 32 bits puede acceder y direccionar un máximo de 2³² = 4.294.967.296 direcciones de memoria distintas (aproximadamente 4 GB).
• Para los sistemas de 64 bits, siguiendo el mismo razonamiento, se obtendrían 2⁶⁴ posibilidades, lo que se traduce en un rango de valores desde 0 hasta 18.446.744.073.709.551.615, es decir, aproximadamente 18.4 exabytes o 18.400.000.000.000 gigabytes direccionables.

Es importante destacar que, aunque un procesador sea de 64 bits, la cantidad de RAM física instalada (por ejemplo, dos módulos de memoria de 1 GB cada uno) no limita su capacidad teórica de direccionamiento, que sigue siendo de hasta 18.4 Exabytes.

Limitaciones de Direccionamiento de RAM en Sistemas Operativos

21. Averigua cuáles son los sistemas operativos Windows que no pueden direccionar más de 4 GB de RAM y explica por qué ocurre esto.

En principio, los sistemas operativos de 32 bits solo pueden mapear hasta 4 GB de memoria RAM. Esto incluye versiones de 32 bits de Windows 7, Windows 8, Windows Vista o Windows XP. Sin embargo, en la práctica, de esos 4 GB, una parte debe ser compartida con otros dispositivos mapeados en memoria, como la tarjeta gráfica. Por esta razón, la memoria RAM disponible para el usuario suele ser de aproximadamente 3.1 GB o incluso menos, si hay muchos dispositivos que requieren mapeo de memoria.

Por otro lado, en entornos GNU/Linux, a pesar de la limitación inherente a los sistemas operativos de 32 bits, es posible mapear hasta 64 GB de RAM mediante una opción específica (aunque desactivada por defecto). Esto se logra añadiendo un pequeño "overhead" o sobrecarga, pero la ganancia en capacidad de RAM suele compensar el rendimiento adicional requerido.

Dispositivos de Entrada y Salida

Clasificación de Periféricos

A continuación, se presenta una clasificación de dispositivos comunes según su función de entrada, salida o ambas:

Dispositivos de Entrada:

• Teclado
• Ratón
• Cámara web
• Micrófono
• Joystick

Dispositivos de Salida:

• Pantalla
• Altavoces
• Proyector
• Lector DVD

Dispositivos de Entrada/Salida (E/S):

• USB (Universal Serial Bus)
• Fax
• Pantalla táctil
• Tarjeta de red

Rendimiento del Procesador

Velocidad de Reloj y CPI

23. Explica qué es la velocidad de reloj y en qué se mide. ¿Qué ocurre en cada ciclo de reloj? ¿Qué representa la medida CPI?

La velocidad de reloj (también conocida como frecuencia de reloj o ciclo de reloj) corresponde al número de pulsos por segundo que genera el procesador, y se expresa en Hertz (Hz). Por ejemplo, un núcleo de procesador de 2.4 GHz significa que opera a 2400 MHz, lo que equivale a 2400 millones de ciclos por segundo.

¿Qué ocurre en cada ciclo de reloj?

En cada ciclo de reloj, el procesador ejecuta una acción. Esta acción puede corresponder a una instrucción completa o a una parte de ella, dependiendo de la complejidad de la instrucción y la arquitectura del procesador.

¿Qué representa la medida CPI?

La medida CPI (Cycles Per Instruction o Ciclos por Instrucción) representa el número promedio de ciclos de reloj que el microprocesador necesita para ejecutar una única instrucción. Un valor de CPI más bajo indica una mayor eficiencia del procesador, ya que requiere menos ciclos para completar una instrucción.