Arquitectura de Computadoras: Memoria, Procesador y Buses

Memoria

Existen dos tipos principales de memoria:

• Memoria interna (RAM): Almacena datos temporalmente mientras los programas se ejecutan.
• Memoria auxiliar (memoria externa): Almacena información a largo plazo, incluso después de apagar el equipo.

Características principales de una memoria:

• Capacidad: Volumen total de información (en bytes) que puede almacenar.
• Tiempo de acceso: Intervalo entre la solicitud de lectura/escritura y la disponibilidad de los datos.
• Tiempo de ciclo: Intervalo mínimo entre dos accesos sucesivos.
• Rendimiento: Volumen de información intercambiado por unidad de tiempo (bits por segundo).
• No volatilidad: Capacidad de almacenar datos sin electricidad (aplicable a memorias externas).
• Refresco: Operación para mantener las cargas en las posiciones de memoria debido a la disipación.

Tipos de memorias:

• Memoria de acceso aleatorio (RAM): Se utiliza para la memoria principal del ordenador.
• Memoria de solo lectura (ROM): Contiene información permanente.
• Memoria flash: Un punto intermedio entre RAM y ROM.

Tipos de memoria RAM

• DRAM: Usada principalmente en la memoria principal.
• SRAM: Usada en la memoria caché del procesador.

Teniendo en cuenta que las memorias DRAM se descargan, los capacitores deben cargarse constantemente (refresco o actualización) a intervalos regulares, denominado ciclo de actualización. Cada punto de memoria tiene una dirección (fila y columna). El tiempo para acceder a la información se llama tiempo de latencia. El tiempo de acceso es el tiempo de ciclo más el tiempo de latencia.

Tipos de ROM

• BIOS: Programa que controla las interfaces de entrada/salida.
• Cargador de bootstrap: Busca el sistema operativo en la unidad de disquetes o disco duro.
• Configuración CMOS: Se usa para modificar parámetros del sistema (a menudo confundida con el BIOS).
• Auto-prueba de Encendido (POST): Prueba el sistema al arrancar.

Buses

Un bus es un conjunto de conexiones físicas que unen componentes de hardware para su comunicación. Reduce el número de rutas necesarias. Se caracteriza por:

• Ancho: Número de bits transmitidos simultáneamente.
• Frecuencia: Número de paquetes de datos enviados/recibidos por segundo (en Hertz).
• Ciclo: Cada envío o recepción de datos.
• Velocidad de transferencia: Cantidad de datos transportados por unidad de tiempo.

Subconjuntos de un bus

• Bus de direcciones: Transporta direcciones de memoria (unidireccional).
• Bus de datos: Transfiere instrucciones entre el procesador y la memoria (bidireccional).
• Bus de control: Transporta órdenes y señales de sincronización (bidireccional).

Buses principales

• Bus interno o del sistema: Permite la comunicación entre el procesador y la memoria RAM.
• Bus de expansión: Permite la comunicación entre componentes de la placa madre (USB, etc.).

Conjunto de chips

El conjunto de chips regula el flujo de datos entre los buses. Consta de:

• Puente Norte: Controla las transferencias entre el procesador y la RAM.
• Puente Sur: Administra las comunicaciones con los dispositivos periféricos.

El Procesador (CPU)

El procesador (CPU) es el cerebro del ordenador. Procesa información numérica (binaria) y ejecuta instrucciones almacenadas en la memoria.

Funcionamiento

El procesador es un circuito electrónico que funciona a la velocidad de un reloj interno, enviando pulsos (ciclos o picos). La velocidad de reloj (en Hertz) indica el número de pulsos por segundo. En cada ciclo, ejecuta una instrucción o parte de ella.

Instrucciones

Las instrucciones se almacenan en la memoria principal. Tienen dos partes:

• Código de operación: Acción a ejecutar.
• Código operando: Parámetros de la acción.

Las instrucciones se clasifican en:

• Acceso a Memoria: Acceso a memoria o transferencia de información entre registros.
• Operaciones Aritméticas: Suma, resta, división, multiplicación.
• Operaciones Lógicas: Y, O, NO, XOR.
• Control: Control de secuencia, conexiones condicionales.

Registros

El procesador almacena información temporalmente en registros. Los más importantes son:

• Registro acumulador (ACC): Almacena resultados de operaciones.
• Registro de estado (PSW): Contiene indicadores de estado del sistema.
• Registro de instrucción (RI): Contiene la instrucción que se está procesando.
• Contador de programa (PC): Contiene la dirección de la siguiente instrucción.
• Registro de búfer: Almacena información temporal de la memoria.

Memoria Caché

La memoria caché es una memoria rápida que reduce los tiempos de espera al acceder a la información en la RAM. Existen diferentes niveles:

• Nivel 1 (L1): Integrada al procesador (caché de instrucciones y caché de datos).
• Nivel 2 (L2): Ubicada en la misma carcasa del procesador.
• Nivel 3 (L3): Ubicada en la placa madre.

Señales de Control

Las señales de control son señales electrónicas que coordinan las unidades del procesador durante la ejecución de una instrucción.

Unidades Funcionales del Procesador

El procesador se compone de:

• Unidad de control: Vincula, decodifica y envía información a la unidad de ejecución. Contiene:
  • Secuenciador: Sincroniza la ejecución con la velocidad del reloj.
  • Contador de programa: Dirección de la instrucción en ejecución.
  • Registro de instrucción: Contiene la siguiente instrucción.
• Unidad de ejecución: Ejecuta las tareas asignadas. Contiene:
  • Unidad aritmético-lógica (ALU): Ejecuta cálculos básicos y funciones lógicas.
  • Unidad de punto flotante (FPU): Ejecuta cálculos complejos.
  • Registro de estado (PSW).
  • Registro acumulador (ACC).
• Unidad de administración del bus: Administra el flujo de información.

Estructura del Ordenador

El ordenador es un conjunto de componentes electrónicos modulares. "Hardware" se refiere a los componentes físicos, y "software" a los programas.

(Se omite la descripción de la placa base y la fuente de alimentación).

El Chipset

Coordina la transferencia de datos entre los componentes del ordenador.

El Reloj y la Pila CMOS

El reloj en tiempo real (RTC) sincroniza las señales del sistema y se alimenta de una pila (pila tipo botón).

El BIOS

Interfaz entre el sistema operativo y la placa madre. La configuración del BIOS se almacena en el CMOS.

Socket del Procesador

El procesador se instala en un socket. Su frecuencia determina la velocidad de ejecución de instrucciones. Se utiliza un disipador térmico para evitar el sobrecalentamiento.

Gestión del Procesador

Existen dos formas de trabajar con una computadora: por lotes e interactiva. Un proceso es un programa en ejecución.

Monoprogramación

Se ejecuta un solo programa a la vez.

Multiprogramación

Se ejecutan varios procesos concurrentemente. Un proceso puede descomponerse en hebras. Un proceso puede estar en estado preparado (listo para ejecutarse) o bloqueado (esperando una operación de E/S).

Para medir la eficiencia se usan parámetros como:

• Rendimiento: Número de trabajos ejecutados en un periodo de tiempo.
• Tasa de utilización del procesador: Tiempo de uso del procesador respecto al tiempo total. P =
• Tiempo de ejecución de un proceso (e): Tiempo desde que inicia hasta que concluye.
• Tiempo en máquina (q): Tiempo que tarda el sistema en responder a una solicitud.
• Coeficiente de respuesta (R): R = =

Algoritmos de planificación

Si hay varios procesos preparados, se debe elegir cuál ejecutar. Ejemplos:

• Turno rotatorio (round robin): Cada proceso recibe un intervalo de tiempo fijo.
• Planificación por prioridad: Se ejecuta el proceso con mayor prioridad (estática, dinámica o mixta).

Modos de procesamiento

• Multiprogramación: Varios procesos comparten el procesador.
• Sistema multiusuario: Multiprogramación con varios usuarios identificados y controlados.
• Procesamiento serie de cola (lotes serie): Los trabajos se ejecutan en orden de llegada.
• Procesamiento paralelo de cola: Los trabajos se clasifican por prioridad.
• Sistema de multiprocesamiento: Dos o más procesadores trabajan simultáneamente.

Estados de un proceso

• Nonato: Programa que no ha iniciado su ejecución.
• Preparado: En memoria principal, listo para ejecutarse.
• Activo: Siendo atendido por el procesador.
• Bloqueado: Esperando una operación de E/S.

Un proceso pasa de bloqueado a preparado cuando termina la operación de E/S pendiente.