Conceptos de Arquitectura de Computadoras

La CPU se basa en una señal de reloj para sincronizar sus operaciones internas. El reloj genera un pulso constante a una frecuencia específica y estos ciclos de reloj coordinan las operaciones de la CPU. La velocidad del reloj se mide en hercios (Hz) y determina cuántas instrucciones puede ejecutar la CPU por segundo. Las CPU modernas tienen velocidades de reloj variables que se ajustan en función de la carga de trabajo para equilibrar el rendimiento y el consumo de energía. (AWS, 2024).

Por ejemplo el reloj necesario para el famoso procesador 6502 requiere de 1Mhz (Usado en sistemas como la Atari, Nintendo y Apple II). Mientras que procesadores modernos como el i9 pueden llegar a los 6.20 Ghz.

Los registros son pequeñas ubicaciones de almacenamiento de memoria de alta velocidad dentro de la CPU. Contienen datos en los que la CPU está trabajando en ese momento y facilitan un acceso rápido a los datos. Las CPU tienen varios tipos de registros, como:

Los registros proporcionan tiempos de acceso más rápidos que otros niveles de memoria, como la RAM o la memoria caché (AWS, 2024).

En palabras simples, los registros son como variables usadas por el procesador que guardan información necesaria para las tareas a realizar por el mismo, al estar más cercanas al CPU tienen mayor velocidad que la memoria o cache. Algunos registros pueden ser de uso general mientras que otros son de un uso específico como el Program Counter.

Una pila (stack) es una estructura de datos donde el último elemento en entrar es el primero en salir (Last in - first out, LIFO). Es como una pila de platos; No se puede quitar una plato del medio sin interrumpir toda la pila. (Lenovo, s.f). En la informática una pila tiene un tamaño máximo y si se excede ocurre lo que se conoce como "saturación de pila" (stack overflow).

En términos de procesadores la pila corresponde a la "pila de ejecución" (execution stack), también conocida como "pila de programa" (program stack), incluso como "pila de hardware" (hardware stack). Cuando se ejecuta un programa, técnicamente no hay limitaciones donde se escribe dentro de la memoria, si bien se puede definir el tamaño, la ubicación en memoria puede ser totalmente aleatoria y arbitraria. Pero hacer esto es ineficiente, provocando que exista mucho espacio desperdiciado.

El sistema operativo es el intermediario entre los programas y el hardware. Cuando un programa se ejecuta, el sistema operativo no permite que este almacene los datos en cualquier parte de la memoria, debido a que otros programas podrían estar utilizando ese espacio. El programa debe solicitar al sistema operativo un espacio de memoria y este buscará el espacio disponible para que el programa escriba y lea sus datos.

Si un programa intenta leer un espacio de memoria que esta fuera de los límites que el sistema operativo le otorgó, el sistema operativo tiene la facultad de terminar el programa (por razones de seguridad), dándo origen a los errores conocidos como "Segmentation Fault, Core Dumped". Es por este motivo que el sistema operativo asigna la memoria en bloques (memory chunk) que los programas pueden usar para leer y escribir.

Si un programa no administra bien su memoria y almacena sus datos de forma desordenada, podría necesitar más bloques de memoria. Eventualmente esto podría causar lo que se conoce como "Fragmentación Externa" (external fragmentation) donde existe memoria libre suficiente, pero no se puede almacenar más datos debido a que no existe el suficiente espacio continuo para formar un nuevo bloque de memoria. El solicitar más memoria puede ser muy costoso en términos de desempeño, lo que da origen a la recomendación de usar el Heap lo menos posible.

El sistema operativo otorga bloques de memoria para los programas, pero no tiene control sobre cómo los programas usan la memoria asignada. Lo único que conoce es que la región de memoria está siendo utilizada por un programa y si otro programa necesita más bloques de memoria, el sistema operativo debe buscar un espacio libre en otro sector. Como la memoria disponible es un recurso limitado, los sistemas operativos modernos tienen mecanismos para abordar la falta de memoria y reemplazarla con espacio en el disco, como si fuera memoria adicional. Por ejemplo en sistemas Linux se conoce como partición "Swap". Este concepto se conoce como "Memoria Virtual" y es una ilusión creada por el sistema operativo para aparentar tener más memoria de la disponible físicamente.

Depender del almacenamiento como memoria adicional es más lento que utilizar la memoria RAM, por lo que se debe utilizar este mecanismo con cautela. A pesar de que actualmente existe una cantidad gigante de almacenamiento, en comparación con la década de los 90s, el criterio de desempeño sigue siendo importante. La memoria puede ser un cuello de botella, aún considerando el poder de las CPU actuales, ya que obtener datos de la memoria tiene un costo de tiempo considerable, para esto los fabricantes de procesadores han elaborado lo que se conoce como Cache, el cual es como una memoria pequeña dedicada dentro del procesador, el cual tiene una copia de una región de la memoria, permitiendo a la CPU obtener datos para sus operaciones sin pasar por la memoria principal, pero la memoria principal será utilizada si el dato no está presente en el Cache. La labor de decidir que región de la memoria se almacena en el Cache depende del hardware y no del sistema operativo.

El desarrollador tiene la responsabilidad de utilizar estructuras de datos y la memoria adecuadamente para tengan mayor probabilidad de ser transferidas a Cache, permitiendo mayor velocidad de lectura y escritura por que está más cerca de la CPU, lo que se conoce como localidad (locality).

Entonces la pila es una estructura de datos adecuada para almacenar los datos de forma compacta y ordenada. Cada vez que un programa declara una variable, su valor es apilado en la región de memoria asignada. Un registro en la CPU almacena el puntero de la pila que indica el dato superior (el registro permite obtener el puntero sin ir a buscar en memoria o cache). Esto hace que las operaciones en el Stack sean muy rápidas gracias al puntero de direcciones. Comunmente solo basta con sumar uno a la posición y se tendrá el siguiente espacio de memoria disponible. Esta facilidad y velocidad de uso contratasta con el Heap, el cual no es tan rápido ni sencillo de utilizar.

Las limitaciones de la pila (Stack) está en que no es muy flexible para crecer o reducir dinámicamente su tamaño, es por esto la importancia de tener una buena gestión de memoria, compactando los datos y especificando sus tipos adecuadamente para que los compiladores organicen los datos de forma eficiente y predecible en el Stack. Además el Stack opera en un solo hilo, dando una limitación cuando se intenta compartir memoria entre hilos. Este tipo de limitaciones son solucionadas por el Heap.

El montículo (heap), también conocido como "almacenamiento libre". Es una estructura dinámica de datos o área de memoria para lograr asignación dinámica de memoria durante la ejecución de un programa. Permitiendo asignar memoria y liberarla de forma flexible, según sea necesario.

La gestión de memoria dinámica requiere de dos tipos de operaciones; la petición y la liberación de memoria. El ciclo es sencillo, cuando se precisa almacenar un nuevo dato, se solicita tanta memoria en bytes como sea necesaria, y una vez que ese dato ya no se necesita la memoria se devuelve para poder ser reutilizada. Este esquema se conoce como "gestión explícita de memoria" pues requiere ejecutar una operación para pedir la memoria y otra para liberarla (Universidad Carlos III de Madrid, s.f.). En el lenguaje C estas funciones son: malloc, calloc, free y realloc.

El Heap es necesario debido a que el Stack si bien permite almacenar los datos de forma compacta y mejorar el desempeño, tiene limitaciones debido a que el Stack no permite acomodar dinámicamente los datos. Por ejemplo en un arreglo con elementos definidos no permite añadir nuevos, solo sobre escribirlos. Esto significa que puede gatillar un error de desbordamiento (Stack Overflow) si se intenta añadir más elementos de lo originalmente definido. El Heap permite solicitar memoria virtualmente ilimitada, utilizando llamadas al sistema, lo que permite al Heap almacenar grandes cantidades de datos. Esto trae la necesidad de administrar manualmente la memoria asignada (en los lenguajes de programación de sistemas). Es común la estrategia de almacenar solamente los punteros de memoria (direcciones de memoria, memory addresses) en el Stack y los datos asociados a dichos punteros en el Heap. Un puntero solo representa una dirección de memoria y no contiene la información ni los datos del largo o tamaño de los datos.

Una unidad aritmética lógica (Arithmetic Logic Unit) toma valores de entrada (OPERANDS) y códigos de operación (OP_CODES) y a través de circuitería (Adder, Subtracter, Incrementer, Decrementer, Decoder, entre otras) y compuertas lógicas (XOR, AND, OR, NOT, entre otras), determina la operación que se debe realizar con esos valores. Finalmente retorna el resultado (Result) de la operación junto a información adicional (Si fue negativo, cero o hubo un desbordamiento).