Fundamentos de Arquitectura de Computadores: Jerarquía de Memoria y Circuitos Secuenciales
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📌 Jerarquía de Memoria
La jerarquía de memoria se organiza de mayor a menor velocidad y costo:
Registros → Caché → RAM → Disco
| Nivel | Velocidad | Costo | Capacidad |
|---|---|---|---|
| Arriba | Muy alta | Muy caro | Muy pequeña |
| Abajo | Baja | Barato | Muy grande |
👉 Regla clave:
- 🔺 Más rápido = más caro y pequeño.
- 🔻 Más lento = más barato y grande.
🧠 Registros
- Están ubicados dentro del CPU.
- Son los elementos de almacenamiento más rápidos.
- Ejemplo:
x10, x11, x12.
⚡ Memoria Caché
Es una memoria pequeña y rápida que almacena datos de uso frecuente.
| Nivel | Característica |
|---|---|
| L1 | Ultra rápida (cercana al CPU), almacena instrucciones y datos necesarios para el núcleo. |
| L2 | Almacena datos que se necesitarán pronto para evitar acceder a memorias más lentas. |
| L3 | Más grande pero más lenta, actúa como banco de datos para evitar el alto costo de buscar en la RAM. |
¿Por qué existen 3 niveles?
Debido a que la memoria rápida es extremadamente costosa, se implementa un equilibrio jerárquico.
Concepto clave: Rendimiento
- HIT (Acierto): El dato se encuentra en la caché.
- MISS (Fallo): El dato no está, por lo que se debe acceder a la RAM (proceso más lento).
🧠 RAM (Memoria Principal)
Es el espacio de trabajo del sistema.
Características:
- Volátil: Se borra al apagar el equipo.
- Permite lectura y escritura.
- Acceso rápido.
- Guarda programas en ejecución.
Organización lógica de la RAM:
- Bancos (Banks): Unidades independientes que pueden accederse en paralelo.
- Filas (Rows): Líneas de palabra que seleccionan una fila completa.
- Columnas (Columns): Seleccionan la columna específica dentro de la fila.
Estructura de direccionamiento DRAM: Dirección física = [Banco | Fila | Columna]
🧠 Comparativas de Memoria
| Característica | ROM | RAM |
|---|---|---|
| Volatilidad | No | Sí |
| Escritura | No | Sí |
| Uso | Arranque (BIOS) | Ejecución de programas |
| Tipo | Característica |
|---|---|
| SRAM | Rápida, cara, usada en caché |
| DRAM | Lenta, barata, usada en RAM |
🧠 Memoria Secundaria (Disco)
- Tipos: SSD (rápido) y HDD (lento).
- Características: No volátil, gran capacidad, significativamente más lenta que la RAM.
🧠 Estructura de Memoria
- La memoria es una matriz de bits.
- Cada celda almacena 1 bit.
- Una fila representa una palabra.
- La dirección indica la ubicación.
🧠 Circuitos Digitales
| Tipo | Dependencia |
|---|---|
| Combinacional | Solo depende de las entradas actuales. |
| Secuencial | Depende de las entradas y del estado de la memoria. |
Sincronismo
- Síncrono: Funciona mediante una señal de reloj (⏰).
- Asíncrono: No utiliza reloj.
🧠 Flip-Flops
Dispositivos que almacenan 1 bit y cambian su estado únicamente con el pulso de reloj (clk).
- Flip-flop: Memoria básica.
- Registros: Conjunto de múltiples flip-flops.
🧠 Máquinas de Estado (FSM)
Modelo que describe sistemas con estados definidos.
Componentes:
- Estado actual, siguiente estado, entradas y salidas.
Máquina de Mealy
- La salida depende del Estado + Entrada.
- Más rápida, menos estados, pero propensa a glitches.
Máquina de Moore
- La salida depende solo del estado.
- Más estable, pero más lenta y requiere más estados.
| Característica | Mealy | Moore |
|---|---|---|
| Salida | Estado + Entrada | Solo estado |
| Velocidad | Rápida | Lenta |
| Riesgo | Más glitches | Más estable |
🧠 Registros y Memoria
Los registros (flip-flops) guardan el estado y permiten “recordar” información.
Conclusión: Sin registros no hay memoria, y sin memoria no existen los circuitos secuenciales.