Arquitectura de Computadores: Memoria, E/S e Interrupciones

Este documento explora los componentes fundamentales de la arquitectura de un computador, centrándose en la jerarquía de memoria, el sistema de entrada/salida y la gestión de interrupciones.

1. Jerarquía de Memoria

La memoria en un sistema informático se organiza en diferentes niveles, cada uno con características distintas de velocidad, capacidad y coste.

1.1. Registros de la CPU

• Son el primer nivel en la jerarquía de memoria, integrados directamente en la Unidad Central de Procesamiento (CPU).
• Es la memoria más rápida disponible, pero también la de menor capacidad.
• Almacenan los datos con los que la CPU va a operar en cada momento, facilitando un acceso instantáneo.

1.2. Memoria Caché

• Memoria de alta velocidad y pequeña capacidad, situada entre la CPU y la memoria principal.
• Sirve para almacenar los datos e instrucciones más utilizados por la CPU.
• Aprovecha el principio de localidad, ya que se tiende a acceder a los mismos datos e instrucciones repetidamente.
• Su objetivo es evitar que la CPU deba acceder directamente a la memoria RAM, que es significativamente más lenta.
• Cuanto más cerca del procesador se encuentre (ej. caché L1, L2), más rápida es, pero también de menor capacidad.

1.3. Memoria Principal (RAM)

• Conectada a la CPU mediante un bus de direcciones y un bus de datos.
• Contendrá los programas en ejecución y los datos con los que se opera activamente.
• Permite el acceso directo a cualquier dato (acceso aleatorio), sin necesidad de pasar por otros datos previamente.
• Posee mucha más capacidad que la memoria caché, pero es considerablemente más lenta.
• Es mucho más rápida que la memoria secundaria, aunque de menor capacidad y con un coste superior.

1.3.1. Bus de Direcciones

• Permite seleccionar la celda de la memoria principal que se leerá o escribirá.

1.3.2. Bus de Datos

• Permite que el dato que se escribe o lee viaje entre la CPU y la memoria principal.

1.4. Memoria Secundaria

• De gran capacidad y no volátil, utilizada para el almacenamiento persistente de datos.
• Ejemplos incluyen los discos duros (HDD) y las unidades de estado sólido (SSD).
• Es mucho más lenta que la memoria principal, pero ofrece una capacidad de almacenamiento significativamente mayor y un coste por bit inferior.

2. El Sistema de Entrada/Salida (E/S)

• Compuesto por los elementos de hardware que se encargan de realizar todas las operaciones de comunicación entre la CPU y los periféricos.
• Se define como Entrada a todas las operaciones en las que la CPU recibe señales (ej. teclado, ratón), y como Salida a aquellas en las que la CPU emite señales a cualquiera de los componentes o periféricos (ej. monitor, impresora).
• Existen también operaciones de Entrada/Salida (E/S) que se dan en dispositivos que pueden emitir y recibir ambos tipos de señales (bidireccionales), como las unidades de almacenamiento.

3. Las Interrupciones

• Un programa en ejecución puede ser momentáneamente suspendido mientras se procesa una interrupción.
• Una interrupción de hardware es solicitada por uno de los componentes del equipo (periféricos) para requerir la atención de la CPU.
• Los periféricos necesitan utilizar los recursos del sistema, aunque solo sea para comunicarse con él.
• Cuando un periférico desea acceder a un recurso, envía una petición de interrupción al procesador para llamar su atención. Los periféricos cuentan con un número de interrupción que se denomina IRQ (Interrupt Request).
• Estas IRQ son gestionadas por un controlador de interrupciones que"cede la palabr" a la IRQ con mayor prioridad, asegurando que las tareas críticas sean atendidas primero.