Fundamentos de la Arquitectura de Computadores: Procesadores y Jerarquía de Memoria

1. Procesadores

La función principal del procesador es ejecutar instrucciones. Su organización interna está condicionada por las tareas que debe realizar y por cómo debe hacerlo. Los procesadores están diseñados y operan según una señal de sincronización, conocida como señal de reloj. Esta señal es una onda cuadrada periódica con una determinada frecuencia.

• Ciclo de Reloj: Determina la duración mínima de una operación del procesador. Para ejecutar una instrucción, son necesarios uno o más ciclos de reloj.
• Frecuencia: Se mide en ciclos por segundo o hercios (Hz) y determina la velocidad de la operación del procesador.

Para ejecutar las instrucciones, el procesador dispone de tres componentes principales:

1. Un conjunto de registros.
2. Unidad Aritmética y Lógica (ALU).
3. Unidad de Control.

Distinguimos dos tipos de líneas de interconexión:

• Líneas de control.
• Líneas de datos.

2. Memorias

Las memorias se caracterizan según los siguientes criterios:

Localización

Se clasifican en:

• Memoria dentro del chip del procesador (incluye los registros y uno o varios niveles de memoria caché).
• Memoria interna.
• Memoria externa.

Capacidad

Hace referencia a la información que se puede almacenar. La unidad utilizada para especificar su capacidad es el byte (1 byte = 8 bits).

Método de Acceso

Cada memoria utiliza un método específico para acceder a las posiciones de memoria:

• Secuencial.
• Directo.
• Aleatorio.

Coste por Bit

A medida que aumenta la velocidad de la memoria, aumenta también el coste por bit. Con un presupuesto fijado, se pueden adquirir memorias muy rápidas pero relativamente pequeñas, o memorias más lentas pero de mucha más capacidad.

Características Físicas de la Memoria

Las memorias se clasifican principalmente según dos criterios:

Clasificación por Volatilidad

• Memoria Volátil: Necesita una corriente eléctrica constante para mantener su estado (ej. RAM).
• Memoria No Volátil: Mantiene el estado sin necesidad de corriente eléctrica (ej. ROM, Flash).

Clasificación por Tecnología

• Memorias Semiconductoras: Utilizan elementos semiconductores, como transistores, en su construcción.
• Memoria Magnética: Utiliza superficies imantadas para guardar la información.
• Memoria Óptica: Utiliza elementos de almacenamiento que pueden ser leídos y escritos mediante luz láser.

Tipos de Memoria en la Jerarquía

Memoria Principal

En ella se almacenan los programas que se deben ejecutar y sus datos. Es la memoria visible para el programador mediante su espacio de direcciones. Tiene una capacidad mucho más elevada que la memoria caché.

Memoria Caché

Son memorias de capacidad reducida, pero más rápidas que la memoria principal. Utilizan un método de acceso asociativo. Se encuentran dentro del chip del procesador, diseñadas para reducir el tiempo de acceso a la memoria. Es habitual disponer hasta de tres niveles de memoria caché (L1, L2, L3). El nivel más próximo al procesador (L1) suele estar dividido en dos partes: una dedicada a las instrucciones y otra a los datos.

Registros

Es el espacio de memoria al cual el procesador puede acceder más rápidamente a los datos. Es accesible al programador en lenguaje ensamblador. Su gestión adecuada permite minimizar el número de accesos a la memoria interna, que son considerablemente más lentos.

Memoria Virtual

Se utiliza cuando las direcciones de memoria de los programas se refieren a un espacio de memoria superior al espacio de memoria físico (memoria principal).

Memorias Externas

Están formadas por dispositivos de almacenamiento secundario, que se pueden encontrar dentro o fuera del ordenador. Son de tipo no volátil. Los datos que se quieran mantener durante un tiempo indefinido o de manera permanente se almacenan en estos dispositivos. Los datos almacenados en la memoria externa son visibles para el programador en forma de bloques de datos, registros o ficheros. El acceso se lleva a cabo mediante el sistema de Entrada/Salida (E/S) del ordenador y es gestionado por el sistema operativo.

Dispositivos de Almacenamiento Secundario

Discos Magnéticos

Son dispositivos formados por un conjunto de platos con superficies magnéticas y un conjunto de cabezales de lectura y escritura. Un solo dispositivo integra varios platos, que realizan un movimiento de rotación continuo. Los cabezales se pueden mover de la parte más externa a la interna, lo que permite un acceso directo a cualquier posición del disco.

Memoria Flash

El objetivo de la memoria flash es sustituir los discos magnéticos, ofreciendo características parecidas en cuanto al tiempo de acceso, tasa de transferencia de datos y capacidad de almacenamiento. No tienen partes mecánicas ni superficies magnéticas, son más tolerantes a los fallos y más adecuadas para entornos en los que la fiabilidad es muy importante.