Fundamentos de Arquitectura de Computadoras: Definiciones Esenciales de CPU, Memoria y Procesos

Arquitectura de Computadoras: Conceptos Clave

Gestión de Memoria y Registros Esenciales

Memoria Virtual

Uso combinado de la memoria RAM en su computadora y espacio temporal en el disco duro. Cuando la memoria RAM es baja, la memoria virtual mueve datos desde la memoria RAM a un espacio llamado área de paginación (o archivo de paginación).

Definición Adicional: La memoria virtual usa la memoria principal como memoria caché respecto del disco duro. Su objetivo es simplificar la gestión de la memoria y proteger el espacio de direcciones de cada proceso de accesos por parte de otros procesos.

Registro (Base de Datos)

Representa un conjunto de datos estructurados en una tabla. Una tabla de base de datos puede imaginarse formada por filas y columnas. Cada fila de una tabla representa un conjunto de datos relacionados y todas las filas de la misma tabla tienen la misma estructura. Un registro es un conjunto de campos que contienen datos que pertenecen a una misma repetición de entidad.

Registros de la Unidad Central de Procesamiento (CPU)

Contador de Programa (PC)

También llamado Puntero de Instrucciones, es un registro del procesador de un computador que indica la posición donde se encuentra el procesador en su secuencia de instrucciones.

Registro de Instrucciones (IR)

Registro donde se almacena la instrucción que se está ejecutando en cada momento.

Registro de Dirección de Memoria (MAR)

Registro que contiene la dirección de memoria donde se va a leer o escribir.

Registro Intermedio de Memoria (MBR)

Es el encargado de almacenar el dato a ser escrito en la memoria, o el dato que ha sido leído de esta. Su longitud es igual a la palabra de memoria.

Ejecución y Procesamiento de Instrucciones

Ciclo de Instrucción

Periodo que tarda la Unidad Central de Proceso (CPU) en ejecutar una instrucción de lenguaje máquina. Incluye los siguientes subciclos:

• Captación (Fetch)
• Ejecución (Execute)
• Interrupción (Interrupt)

Tamaño de Palabra

Una palabra es una cadena finita de bits que son manejadas como un conjunto por la máquina. El tamaño de una palabra hace referencia al número de bits contenidos en ella, y es un aspecto muy importante al momento de diseñar una arquitectura de ordenadores.

Componentes Fundamentales del Sistema

Hardware

Conjunto de elementos físicos que forman el dispositivo, como el ratón, la pantalla, el disco duro, etc.

Software

Programas informáticos que realizan tareas específicas dentro del ordenador, tales como sistemas operativos, navegadores, compiladores, etc.

Programa

Conjunto indivisible de instrucciones que permite a una computadora realizar diferentes funciones (tratamiento de textos, diseño de gráficos, resolución de problemas matemáticos). Su desarrollo implica:

• Desarrollo del algoritmo.
• Ejecución del algoritmo.

Conceptos de Lógica y Máquinas

Algoritmo

Conjunto de reglas bien definidas, ordenadas y finitas que permite realizar una actividad mediante pasos sucesivos.

Computadora

Es una máquina de propósito general gracias a que es programable.

Gestión de Archivos y Procesos

Ficheros (Archivos)

Es una secuencia de bytes, capaz de abstraer cualquier dispositivo de Entrada/Salida (E/S). Los intercambios de datos con los dispositivos de E/S se realizan de forma uniforme leyendo o escribiendo ficheros.

El sistema de ficheros proporciona las siguientes características:

• Proporciona características para facilitar la interacción.
• Trata automáticamente los errores más típicos.
• Controla el acceso a los archivos de otros usuarios y permite que los autorizados puedan acceder a los datos de un archivo.
• Ubica los archivos y directorios en los dispositivos de almacenamiento secundario.

Procesos

Es un programa en ejecución. El Sistema Operativo (S.O.) crea a través del proceso la ilusión de:

1. Que un programa tiene uso exclusivo de memoria, CPU y dispositivos de E/S.
2. Que las instrucciones se ejecutan una tras otra sin interrupción.

En los sistemas multitarea, varios procesos se ejecutan a la vez en una única CPU, generando una ilusión de simultaneidad.

Un proceso está formado por:

• Instrucciones
• Estado de la CPU
• Variables en memoria
• Recursos de ejecución

Planificador (Scheduler)

Decide cuándo se produce un cambio de contexto y cuál de los procesos en espera pasa a ser ejecutado. La expulsión (preemption) viene dada por una interrupción.

Detalles Avanzados de la Ejecución

Fases del Ciclo de Instrucción

El ciclo de instrucción es un proceso por el cual cada instrucción es atendida y procesada. Consta de 3 etapas principales:

1. Captación
2. Decodificación
3. Ejecución

Registros Comunes del Procesador

Descripción de los registros clave:

PC (Program Counter), MBR (Memory Buffer Register), MAR (Memory Address Register), IR (Instruction Register), AC (Accumulator), SP (Stack Pointer), CU (Control Unit), ALU (Arithmetic Logic Unit), STATUS (Status Register).

Segmentación de Instrucciones (Pipelining)

Técnica de diseño basada en dividir la ejecución de instrucciones en etapas. Una instrucción empieza a ejecutarse antes de que hayan terminado las anteriores, consiguiendo paralelismo al haber múltiples instrucciones procesándose a la vez.