Arquitectura de la CPU: Registros, Instrucciones y Rendimiento

Registros

Pequeñas áreas de memoria dentro de la CPU que permiten un acceso muy rápido para leer y escribir datos e instrucciones de uso frecuente.

Conjunto de Instrucciones

Cada procesador tiene un conjunto específico de instrucciones que puede ejecutar. Estas instrucciones realizan tareas como:

• Movimiento de datos entre memoria y registros.
• Control de las operaciones y el estado de la CPU.
• Operaciones aritméticas y lógicas (sumas, comparaciones, etc.).
• Entrada/salida de datos desde y hacia los periféricos.
• Cálculos con decimales (coma flotante) para gráficos, etc.

Caché

Áreas de memoria que usa la CPU para realizar las tareas de forma más eficiente. La caché almacena datos e instrucciones de uso frecuente para un acceso más rápido.

Lectura de Datos

1. Se busca el dato en la caché, por orden de nivel (de 1 a 3).
2. Si no se encuentra (fallo de caché), se busca en la memoria principal.
3. El dato leído se almacena en la caché para futuros accesos.

Escritura de Datos

Existen dos modos de escritura:

• Writeback: Se escribe primero en la caché y luego en la memoria principal (más rápido).
• Writethrough: Se escribe simultáneamente en la caché y en la memoria principal.

Métricas de Rendimiento

• Ciclos de reloj por instrucción: Número de ciclos de reloj necesarios para realizar una operación.
• Latencia: Tiempo que tarda un sistema en responder a una solicitud.
• Respuesta en el peor caso: Máximo tiempo de espera garantizado en sistemas de tiempo real.
• Ancho de banda: Cantidad de datos que se pueden transferir por unidad de tiempo (bits por segundo).
• Rendimiento por vatio: Capacidad de proceso por unidad de energía consumida.

Ciclo de Instrucción

1. Fetch instrucción: Se lee una instrucción de la memoria.
2. Decode: Se decodifica la instrucción y se guarda en los registros.
3. Fetch datos: Se cargan los datos necesarios para procesar la instrucción.
4. Execute: Se procesa la instrucción y se guarda el resultado en los registros.
5. Writeback: Se escribe el resultado en la memoria.

Este ciclo se repite para cada instrucción.

Pipelines (Tuberías)

Permiten que múltiples instrucciones se lean, decodifiquen y ejecuten simultáneamente, mejorando el rendimiento.

Hilos y Procesos

• Hilo: Ejecución secuencial de instrucciones dentro de un proceso.
• Proceso: Programa en ejecución que puede tener varios hilos (subprocesos) dependientes.