Fundamentos de Arquitectura de Computadores: Procesadores, Memoria y Periféricos

Conceptos Fundamentales de Arquitectura de Computadores

Implicaciones de la Arquitectura del Procesador (32 vs. 64 bits)

La distinción entre un procesador de 32 bits y uno de 64 bits radica principalmente en el tamaño de sus registros internos. Un procesador de 64 bits permite un tamaño de registro mayor, lo que conlleva varias implicaciones clave:

• Acceso a Memoria: Con 64 bits, se puede acceder a un número significativamente mayor de posiciones de memoria, permitiendo direccionar un espacio de memoria mucho mayor. Esto contrasta con la limitación de aproximadamente 4 GB que implicaban los sistemas de 32 bits.
• Conjuntos de Instrucciones: Los procesadores de 64 bits también permiten el uso de conjuntos de instrucciones más complejos y eficientes, lo que puede resultar en un mejor rendimiento para ciertas aplicaciones.

Función de la Memoria Caché en un Procesador

La memoria caché en un procesador sirve para almacenar los datos e instrucciones más utilizados durante la ejecución de aplicaciones. Su objetivo principal es minimizar los accesos a la memoria RAM, que es considerablemente más lenta que las memorias caché. Al mantener la información frecuentemente requerida cerca del procesador, se reduce la latencia y se mejora el rendimiento general del sistema.

Jerarquía de Memorias Caché (L1, L2, L3)

La existencia de una jerarquía de memorias caché (distintos niveles) se debe a la búsqueda de un equilibrio óptimo entre rendimiento y coste. Generalmente, encontramos las cachés L1, L2 y L3:

• Caché L1: Es la más cercana al procesador y, por lo tanto, la más rápida. Sin embargo, su tecnología es la más cara, lo que limita su tamaño.
• Caché L2 y L3: Son progresivamente más lentas y económicas que la L1, pero también de mayor tamaño.

Cuanto más cercanas a la CPU, las cachés son más rápidas y más caras, razón por la cual son también más pequeñas. Esta jerarquía permite que el procesador acceda rápidamente a los datos más críticos en la L1, y a datos menos críticos pero aún importantes en L2 y L3, logrando así un equilibrio eficiente entre velocidad, capacidad y precio.

Estructura Típica de un Bloque de Caché

Considerando una configuración común, la estructura de un bloque de caché podría ser la siguiente:

• Caché L1: Suele estar dividida en dos partes: 64 KB para instrucciones y 64 KB para datos.
• Caché L2 y L3: A diferencia de la L1, estas cachés no suelen tener los datos e instrucciones separados, sino que se almacenan en la misma memoria. Por ejemplo, una configuración podría incluir una L2 de 512 KB y una L3 de 4 MB.
• Configuración Multi-núcleo: En procesadores multi-núcleo, el símbolo "4x" (o similar) hace referencia a los núcleos. Esto indica que las cachés L1 y L2 suelen tener las cantidades mencionadas por cada núcleo, mientras que la L3 (por ejemplo, 4 MB) es comúnmente compartida por todos los núcleos.

Tipos de Memoria y sus Características

DDR (Double Data Rate)

Aprovecha tanto el flanco de subida como el de bajada del reloj, permitiendo duplicar la transferencia de datos en cada ciclo de reloj.

SRAM (Static Random Access Memory)

Se utiliza principalmente como memoria caché debido a su condición de estática, lo que la hace significativamente más rápida que la DRAM al no requerir refresco constante.

DRAM (Dynamic Random Access Memory)

Hace referencia a cualquier tipo de memoria RAM que necesita refresco periódico para mantener la información, lo que introduce un cierto retardo en comparación con las memorias estáticas.

RAM (Random Access Memory)

Indica que la velocidad de acceso a cualquiera de las posiciones de memoria es prácticamente la misma, independientemente de su ubicación. Es la memoria principal del sistema.

SDRAM (Synchronous Dynamic Random Access Memory)

Indica que trabaja de manera síncrona respecto al reloj de sistema, lo que permite una mejor coordinación y rendimiento en comparación con las DRAM asíncronas.

PROM (Programmable Read-Only Memory)

Es un tipo de memoria de solo lectura en la que se puede grabar información una única vez después de su fabricación.

FLASH

Es un tipo de memoria no volátil que se puede borrar y reprogramar en bloques. Es la que suele utilizarse en dispositivos como memorias USB, tarjetas SD y unidades de estado sólido (SSD).

EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory)

Permite que la información sea borrada y reprogramada eléctricamente. En ella se suele almacenar la BIOS de los equipos o el firmware de un dispositivo.

EPROM (Erasable Programmable Read-Only Memory)

Un tipo de memoria de solo lectura que se puede borrar exponiéndola a rayos ultravioleta, permitiendo así volver a grabar nueva información.

ROM (Read-Only Memory)

Contiene información grabada de fábrica que no puede modificarse por el usuario. Se utiliza para almacenar el firmware esencial del sistema.

Identificación de Memoria RAM Síncrona y Dinámica

Si disponemos de una memoria RAM que trabaja de forma síncrona y que tiene refresco dinámico, las opciones que cumplen estos requisitos son:

• DDR3 (DDR SDRAM de tercera generación)
• DDR (DDR SDRAM en general)
• SDRAM (Synchronous Dynamic Random Access Memory)

Interfaces de Video y Puertos de Expansión

Interfaces de Video

HDMI (High-Definition Multimedia Interface)

Realiza la transmisión digital de señales de audio y video de alta definición.

SVGA (Super Video Graphics Array)

Realiza la transmisión analógica de la señal de video. Es una evolución del estándar VGA.

DVI (Digital Visual Interface)

Realiza la transmisión digital de la señal de video. Puede soportar también transmisión analógica en algunos modos.

S-Video (Separate Video)

Realiza la transmisión analógica de la señal de video, separando la luminancia y la crominancia para una mejor calidad que el video compuesto.

Puertos y Ranuras de Expansión

PCIe x16 (PCI Express x16)

Es la ranura de expansión principal utilizada para la conexión de tarjetas gráficas de alto rendimiento.

PCIe x1 (PCI Express x1)

Se utiliza para otro tipo de tarjetas de expansión que requieren menos ancho de banda, como tarjetas de red, sonido o almacenamiento.

AGP (Accelerated Graphics Port)

Un puerto de expansión más antiguo, diseñado específicamente para la conexión de tarjetas gráficas, predecesor del PCIe para esta función.

PCI (Peripheral Component Interconnect)

Un bus de expansión más antiguo y de propósito general, utilizado para una amplia variedad de tarjetas de expansión, como tarjetas de red, sonido, módems, etc.