Arquitectura de Computadoras: Procesadores, Memoria y Chipsets Esenciales

Capacidad de Direccionamiento de Memoria

• En procesadores de 32 bits: 4 GB
• En procesadores de 64 bits: 16 TB (aunque actualmente solo se utilizan 44 bits).

Arquitectura x86 y Modos de Operación

Modos de Trabajo

• Modo Protegido (286)

  El programa se carga completamente en la memoria RAM, sin división.

• Modo Protegido (386) con Paginación

  Divide el programa en páginas utilizando memoria virtual.

• Modo Virtual 8086

  Permite la ejecución de programas de 16 bits en un entorno de 32 o 64 bits.

Conceptos Clave del Procesador

Parámetros de Rendimiento del Procesador

• FSB (Front Side Bus): Su incremento puede afectar la estabilidad de otros componentes del sistema.
• Multiplicador: Puede aumentarse sin comprometer la estabilidad de otros componentes.
• IPC (Instrucciones por Ciclo): Mide la cantidad de instrucciones que un procesador puede ejecutar por cada ciclo de reloj.

Nomenclatura de Procesadores Intel y QPI

La interfaz QPI (QuickPath Interconnect) es una tecnología de interconexión punto a punto utilizada por Intel.

Sufijos de Procesadores Intel

• Sin letra al final de la serie: Procesador bloqueado, no apto para overclocking.
• K: Desbloqueado para overclocking.
• U: Diseñado para portátiles y bajo consumo.
• H: Incluye gráficos integrados de alto rendimiento.
• T: Bajo consumo para equipos de sobremesa (menor que la serie U).
• Y: Ultra bajo consumo (menor que la serie T).
• HQ/HK: Gráficos de alto rendimiento (comúnmente en portátiles).

Memoria Caché

Tipos de Caché

La memoria caché está basada en tecnología SDRAM.

• Caché Primaria (L1): Interna al núcleo del procesador, la más rápida.
• Caché de Nivel 2 (L2) y Nivel 3 (L3): Conectadas al procesador mediante el bus trasero (más rápido que el bus frontal), mejoran el acceso a datos.

Mejoras de Rendimiento del Procesador

Tecnologías de Optimización

• Hyper-Threading (HT): Mejora el rendimiento al permitir que un solo núcleo de CPU ejecute múltiples hilos de ejecución simultáneamente, simulando más núcleos lógicos.
• Pipelining: Aumenta la cantidad de instrucciones que se pueden procesar simultáneamente, mejorando el flujo de trabajo del procesador al dividir las instrucciones en etapas.

Arquitecturas de Conjunto de Instrucciones (ISA)

CISC (Complex Instruction Set Computer)

Conjunto de instrucciones complejo.

Es complejo de gestionar con pipelining debido a posibles paradas por instrucciones de larga duración y variabilidad en el tiempo de ejecución.

RISC (Reduced Instruction Set Computer)

Conjunto de instrucciones reducido.

Más fácil de gestionar y diseñar, ya que todas las instrucciones tienen una longitud similar y un tiempo de ejecución predecible.

Los procesadores actuales suelen utilizar la arquitectura RISC (o variantes como ARM), aunque pueden ejecutar instrucciones CISC mediante emulación o traducción interna para mantener la compatibilidad.

Controlador de Memoria y DMA

DMA (Direct Memory Access)

Permite el acceso directo a la información de la memoria sin necesidad de intervención del microprocesador, liberando recursos de la CPU para otras tareas.

Bus de Memoria

Tipos de Buses

• Hyper-Transport (HTT)
• FSB (Front Side Bus)

Nota: En el contexto de la memoria, una unidad de datos se conoce como "palabra".

• 32 bits: Acceso en bloques de 4 bytes.
• 64 bits: Acceso en bloques de 8 bytes.

Funcionamiento de la Memoria DDR

La memoria DDR333 opera con un bus físico de 166 MHz, pero aprovecha el doble de datos por cada ciclo de reloj (gracias a la multiplexación), lo que la hace equivalente a un bus de 333 MHz.

Conceptos adicionales para servidores:

• Registered (Buffered) RAM: Memoria con un registro intermedio para estabilizar las señales, común en servidores para manejar grandes cantidades de RAM.
• ECC (Error-Correcting Code): Memoria con capacidad de detectar y corregir errores de datos, esencial para la fiabilidad en entornos de servidor y estaciones de trabajo críticas.

El Chipset: Puente Norte y Puente Sur

Controladores de Memoria en el Chipset

• Chipsets de 32 bits: Generalmente no integran un controlador de memoria.
• Chipsets de 64 bits: Incluyen un controlador de memoria.
• Chipsets de 64 bits (con 2 o más núcleos): Pueden integrar dos controladores de memoria para soportar configuraciones de Dual Channel, duplicando el ancho de banda de la memoria.

Puente Norte (Northbridge)

El Puente Norte es un componente clave del chipset que controla las comunicaciones de alta velocidad entre la CPU, la memoria RAM y la tarjeta gráfica. Sus funciones incluyen:

• Tipo de procesador que soporta la placa base.
• Número de procesadores que soporta la placa base.
• Velocidad del bus frontal (FSB).
• El multiplicador del FSB necesario para el funcionamiento de la CPU.
• Tipo de RAM soportada.
• Cantidad máxima de memoria soportada.
• Tecnologías de memoria soportadas (ej. DDR, DDR2, DDR3).

Puente Sur (Southbridge)

El Puente Sur gestiona las comunicaciones de baja velocidad y los periféricos, actuando como un concentrador para los dispositivos de entrada/salida. Sus funciones principales son:

• Soporte del bus ISA y PCI.
• Uno o más puertos USB.
• Uno o más puertos serie.
• Un puerto paralelo.
• Un puerto infrarrojo.
• Un controlador de disco duro de dos canales (IDE/SATA).
• Controlador de disquetera.
• Funciones de administración de energía (ACPI).
• Controlador del teclado y del ratón PS/2.