Fundamentos de Arquitectura de Ordenadores: CPU, Memoria y Registros para Informática

Conceptos

Ordenador: Máquina compuesta por elementos mecánicos y electrónicos.

Sistema informático: Ejecuta los programas con un conjunto de elementos que nos permite introducir información para tratarla y obtener resultados.

Tratamiento: Conjunto de operaciones con la información:

Entrada: Recogida de datos, depuración de datos, almacenamiento de datos.
Proceso: Tratamiento de datos, almacenamiento de resultados (no todos).
Salida: Recogida y distribución de resultados.

Elementos que intervienen: Hardware, software y usuario.

Unidad de Control (UC)

La Unidad de Control (UC) toma las instrucciones de la memoria, las interpreta y las ejecuta. Componentes relevantes:

Contador de programa: Contiene la dirección de memoria de la siguiente instrucción.
Registros de instrucción: Contiene la instrucción que se está ejecutando.
Decodificador: Extrae el código de la operación en curso.
Reloj: Sucesión de impulsos eléctricos.
Secuenciador: Genera las órdenes de control.

Unidad Aritmético-Lógica (ALU)

La ALU realiza operaciones aritméticas y lógicas. Componentes y registros asociados:

Circuito operacional: Contiene los circuitos para la realización de operaciones.
Registros de entrada: Almacenan datos que intervendrán en una operación.
Registro acumulador: Almacena los resultados de las operaciones.
Registros de estado: Dejan constancia de algunas condiciones de la última operación.

Registros de la CPU

Los registros albergan los datos con los que trabajan la UC y la ALU. Tipos y funciones:

Registros de propósito general: Almacenan datos e instrucciones.
Registros de instrucción: Almacena la instrucción que se está ejecutando.
Registro acumulador: Guarda el último resultado de la ALU.
Contador de programa: Contiene la dirección de la siguiente instrucción.
Puntero de pila: Contiene la dirección de la memoria de la cima de la pila.
Registro base: Usado para el direccionamiento relativo.
Registro índice: …………………………………………………….. indexado
Registro de dirección de memoria: Contiene la dirección de memoria del dato a leer/escribir.
Registros de intercambio de memoria: Contienen el dato a leer/escribir.
Registros temporales: Almacenan datos para usarlos más tarde.
Registros de estado: Varían dependiendo del resultado de la última operación de la ALU.

Características del microprocesador

Principales atributos a considerar:

Velocidad de procesamiento.
Frecuencia de reloj.
Ciclos por instrucción.
Capacidad de procesamiento.
Longitud de palabra.
Ancho de banda.
Gestión de memoria.
Gestión de interrupciones.
MIPS (Millions of Instructions Per Second), MFLOPS.
Cantidad de memoria caché.
Alimentación.

Tipos de procesadores

Complex Instruction Set Computer (CISC): Amplio conjunto de instrucciones para operaciones complejas. Mayor riqueza de instrucciones; en algunos casos rendimiento elevado dependiendo de la aplicación. Ejemplos: procesadores x86 como Intel Core i3/i5/i7, AMD FX y APU AMD.
Reduced Instruction Set Computer (RISC): Conjunto reducido de instrucciones simples. Instrucciones simples y rápidas; las complejas se logran mediante combinaciones. Ejemplos: ARM (Samsung Exynos), MediaTek, Qualcomm Snapdragon.
Híbridos: Arquitecturas que combinan características de CISC y RISC.

Jerarquía de memoria

La jerarquía de memoria organiza los distintos tipos según velocidad, capacidad y función:

Registros: Memorias de alta velocidad y baja capacidad utilizadas para el almacenamiento intermedio de datos en las unidades funcionales, especialmente en la UC y la ALU.
Cache: Memoria intermedia entre la memoria principal y la CPU, utilizada para acelerar los accesos. La caché suele estar dispuesta en varios niveles (L1, L2, L3, L4), siendo L1 la más rápida y de menor capacidad, y L4 la más lenta y de mayor capacidad. En función de la frecuencia de uso, la información se mueve entre niveles antes de abandonarla.
Principal: Conocida también como memoria RAM. Es el bloque que constituye realmente la memoria central (MC). Se emplea para almacenar datos y programas de forma temporal.
Secundaria: También llamada memoria de disco. Se utiliza para almacenar información de forma permanente y suele ser de alta capacidad.
Auxiliar: Memoria de soporte o respaldo de información, pudiendo situarse en medios extraíbles o en red.

Memoria interna, principal o central (MC)

Es la que está situada físicamente dentro de la carcasa del ordenador y está conectada directamente a la placa base mediante buses de alta velocidad. También es conocida como memoria RAM (Random Access Memory) y es necesaria para procesar la información. Casi todo lo que se debe procesar dentro del ordenador debe pasar por la memoria central. En la memoria RAM se almacenan los datos y los programas.

Tipos de memorias

Memorias de acceso aleatorio (RAM): Reciben este nombre por su capacidad de acceder al contenido de una posición concreta en el mismo tiempo que requeriría cualquier otra dirección escogida de forma aleatoria. Permiten lectura y escritura por parte del procesador y pueden utilizarse millones de veces.

Memorias de solo lectura (ROM): Son aquellas cuyo contenido se escribe sólo una vez durante la fabricación; es decir, una vez programadas no pueden volver a ser escritas, sólo leídas. Existen variantes que permiten modificar el contenido.

Memorias de lectura preferente: Diseñadas esencialmente para ser leídas, aunque pueden ser grabadas más de una vez a través de procedimientos especiales, por ejemplo:

PROM (Programmable ROM): ROM programable una sola vez.
EPROM (Erasable Programmable ROM): ROM programable borrable por rayos ultravioletas.
EEPROM (Electrically Erasable Programmable ROM): ROM programable y borrable eléctricamente.

Memorias volátiles y no volátiles

Memorias volátiles: Medio de almacenamiento temporal que conserva la información mientras el ordenador está encendido; requieren refresco continuo. Ejemplo: RAM.
Memorias no volátiles o permanentes: Permiten almacenar información de forma indefinida y no se borran al apagar el ordenador. Ejemplo: ROM.

Funciones y registros relacionados con la memoria

Registro de direcciones: Contiene la dirección de la celda o posición de memoria a la que se va a acceder.
Registro de intercambio: Recibe los datos en las operaciones de lectura y los almacena en las de escritura.
Selector de memoria: Se activa cada vez que hay que leer o escribir, conectando la celda o posición de memoria con el registro de intercambio.
Señal de control: Indica si una operación es de lectura o de escritura.

Características de la RAM

Velocidad: Se mide en megahercios (MHz), que indican millones de ciclos por segundo.
Ancho de banda o tasa de transferencia: Máxima cantidad de datos que puede transferir por segundo, expresada en MB/s o GB/s.
Dual/Triple/Quad channel: Permite a la CPU trabajar con dos, tres o cuatro canales independientes y simultáneos para acceder a los datos, multiplicando el ancho de banda.
Tiempo de acceso: Tiempo que tarda la CPU en acceder a la memoria, medido en nanosegundos (ns).
Latencia de memoria: Retardo producido al acceder a los distintos componentes de la memoria RAM.
Latencia CAS (Column Access Strobe): Tiempo (en ciclos de reloj) desde que el controlador pide leer una posición hasta que los datos aparecen en los pines de salida del módulo; menor CAS implica memoria más rápida.

Operaciones que provocan retardos antes de alcanzar la celda solicitada

CAS o CL (Column Address Strobe Latency): Indica la latencia para acceder a una columna en la memoria física.
tRCD (RAS to CAS Delay): Retardo desde que se activa la fila hasta que se activa la columna donde se encuentra el dato.
tRP (RAS Precharge): Tiempo de precarga de la fila: latencia desde que se deja de acceder a una línea hasta que se accede a otra.
tRAS (Row Active Time): Número mínimo de ciclos durante los que una fila debe permanecer activa para garantizar el acceso correcto a la información.

Los cuatro valores se representan típicamente como: CL-tRCD-tRP-tRAS, por ejemplo CL7-7-7-20. El valor más representativo para la latencia es el primero (CL).

Tipos de memoria según tecnología

DRAM (Dynamic RAM): Memoria dinámica de gran capacidad formada por condensadores y transistores. Necesita refresco periódico para mantener la información. Usada principalmente como memoria principal del sistema.
SRAM (Static RAM): Memoria estática formada por transistores que no requiere refresco. Es más cara y de menor densidad, por lo que se usa principalmente en caché del microprocesador.
SDRAM (Synchronous DRAM): Memoria sincronizada con el reloj del sistema. Fue común en PCs antes de la llegada de DDR; tiempos de acceso entre 10 y 25 ns. Módulos típicos de 168 pines.
DDR (Double Data Rate): Memoria SDRAM que transfiere datos en flancos de subida y bajada del reloj, duplicando la tasa de transferencia por ciclo. Encapsulado DIMM de 184 pines; frecuencias típicas antiguas: 133, 166, 200 MHz.
DDR2: Evolución de DDR con más transferencias por ciclo (lectura/escritura de 4 palabras por ciclo), mayor tasa de transferencia y encapsulado de 240 pines. Menor consumo que DDR.
DDR3: Reduce consumo respecto a DDR2 (aprox. 40%), permite leer/escribir 8 palabras consecutivas; incremento de latencia pero mayor frecuencia del bus. Encapsulado de 240 pines.
DDR4: Reduce consumo otro ~40% respecto a DDR3, incrementa capacidad y frecuencia de los módulos; latencia relativa puede subir. Encapsulado de 288 pines.

Memorias ROM y variantes

Las memorias ROM (Read Only Memory) son de solo lectura en su forma básica. Características:

Físicamente es un chip soldados a la placa base.
Más lenta que la RAM.
No volátil: no necesita energía para mantener la información.

Variantes:

PROM (Programmable ROM): Permite ser grabada una sola vez.
EPROM (Erasable PROM): Puede borrarse con luz ultravioleta y volver a programarse.
EEPROM (Electrically Erasable PROM): Permite ser programada, borrada y reprogramada eléctricamente.
FLASH: Muy utilizada en dispositivos móviles, cámaras y unidades USB. Fácil de borrar y reprogramar; tecnología aplicada a memorias USB y a menudo usada para BIOS.

Factores físicos y formatos de placa base

Placas clásicas: AT y Baby AT.
Formatos modernos: ATX, Mini-ATX, micro-ATX, Flex-ATX y Extended-ATX (E-ATX).
Mini-ITX: 170 x 170 mm. Dispone de un slot de expansión y uno o dos zócalos de memoria. Conexión de corriente ATX, pero suele usar fuentes más pequeñas.
Nano-ITX (ITX): 120 x 120 mm. No tiene slots de expansión. Tiene un único zócalo de memoria tipo SO-DIMM. La conexión de corriente puede ser ATX o DC.
Pico-ITX (ITX): 100 x 72 mm. Tampoco tiene slots de expansión. El zócalo de memoria es SO-DIMM y suele estar en el reverso de la placa. La conexión de corriente es de 12 pines específica.
Otros formatos mencionados: BTX, Micro-BTX, Pico-BTX, WTX, ETX, Nano-ETX, XTX.

Conectores y puertos

Conector paralelo.
Conectores serie.
Conector para juegos (game port).
Conector eSATA.
Conector DisplayPort.
Conector RJ-45 (Ethernet).
FDD (conector para unidad de disquete).

Observaciones finales

Este documento reúne conceptos fundamentales de arquitectura de ordenadores: componentes principales (UC, ALU, registros), jerarquía de memoria, tipos de memorias y procesadores, formatos de placa base y conectores. Mantenerse actualizado con las especificaciones técnicas (latencias, canales, encapsulados) es clave para comprender el rendimiento real en sistemas actuales.