Arquitectura de un ordenador - Historial de revisiones

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‎¿Por qué no se fabrica la memoria y el bus principales con las mismas características que las memorias caché?

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‎Arquitectura de los ordenadores modernos

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‎Arquitectura de los ordenadores modernos

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 En estos procesadores modernos, que trabajan de manera tan rápida, en muchas ocasiones el procesador no recibe los datos que necesita al mismo ritmo que es capaz de realizar las operaciones. Es decir, tradicionalmente el cuello de botella que determinaba el tiempo de ejecución de un programa era el procesador. Sin embargo, en los ordenadores modernos la transferencia de información entre la memoria y el procesador es la clave. Esto ha forzado la investigación de memorias RAM y buses cada vez más rápidos, pero se ha llegado a unos límites donde no es posible suministrar los datos a un procesador al mismo ritmo que el procesador es capaz de operar con ellos.
 [[Archivo:Cache.png|320px|miniaturadeimagen|derecha|Arquitectura de von Neumann con jerarquía de memorias (caché y memoria principal, aliviando el cuello de botella)]]
-Para solucionar este inconveniente, las arquitecturas modernas se desvían del modelo de von Neumann, y presentan más de una memoria. Estas memorias están organizadas jerárquicamente. Hay una memoria más cercana al procesador, mucho más rápida que la memoria principal, y con un bus más ancho, que es capaz de transportar más datos que el bus normal. Esta nueva memoria recibe el nombre de ''caché''. En Informática, el concepto de caché es muy habitual y puede encontrarse en diferentes sitios. Hace referencia a un almacén temporal, que contiene datos que se van a reutilizar con frecuencia. Por ejemplo, los navegadores web suelen guardar las fotos y las imágenes en una caché, para que cuando volvamos a una página web no sea necesario descargar de nuevo esos imágenes. En el caso de un procesador, la memoria caché guarda todos los datos que se han utilizado recientemente en cualquier operación, y también los resultados de esa operación. Como la caché es pequeña, suele estar siempre llena. Cuando el procesador necesita guardar un dato nuevo en la caché, los datos más antiguos se descartan.
+Para solucionar este inconveniente, las arquitecturas modernas se desvían del modelo de von Neumann, y presentan más de una memoria. Estas memorias están organizadas jerárquicamente. Hay una memoria más cercana al procesador, mucho más rápida que la memoria principal, y con un bus más ancho, que es capaz de transportar más datos que el bus normal. Esta nueva memoria recibe el nombre de ''caché''. En Informática, el concepto de caché es muy habitual y puede encontrarse en diferentes sitios. Hace referencia a un almacén temporal, que contiene datos que se van a reutilizar con frecuencia. Por ejemplo, los navegadores web suelen guardar las fotos y las imágenes en una caché, para que cuando volvamos a una página web no sea necesario descargar de nuevo esas imágenes. En el caso de un procesador, la memoria caché guarda todos los datos que se han utilizado recientemente en cualquier operación, y también los resultados de esa operación. Como la caché es pequeña, suele estar siempre llena. Cuando el procesador necesita guardar un dato nuevo en la caché, los datos más antiguos se descartan.
 En muchas operaciones, el procesador reutiliza continuamente resultados de operaciones anteriores. Esto ocurre sobre todo en las aplicaciones de escritorio, que pintan ventanas. En estas aplicaciones, la caché acelera la ejecución de los programas, ya que no es necesario que muchos de los datos viajen a través del bus entre la memoria y el procesador. Estos datos están en la caché y el procesador los puede reutilizar mucho más rápidamente, porque el bus que conecta con la caché es más rápido y ancho.

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	El término ''arquitectura de ordenador'' hace referencia a cómo están organizados los elementos de un ordenador. En la actualidad, prácticamente todos los ordenadores siguen el mismo modelo básico de arquitectura<ref name="von">[http://es.wikipedia.org/wiki/Arquitectura_de_von_Neumann Arquitectura de von Neumann] (Wikipedia ES)</ref>, pero en el pasado se experimentaron con muchos modelos diferentes de ordenador, cada uno con sus ventajas e inconvenientes<ref>[http://en.wikipedia.org/wiki/Comparison_of_CPU_architectures Comparison of CPU architectures] (Wikipedia EN)</ref>. Conocer cómo funciona la arquitectura de un ordenador es importante para [[Programación\|programar]] y para optimizar métodos numéricos (como ocurre por ejemplo con la [[Factorización_de_Doolittle#Ventajas_del_m.C3.A9todo_de_Doolittle\|factorización de Doolittle]]).		El término ''arquitectura de ordenador'' hace referencia a cómo están organizados los elementos de un ordenador. En la actualidad, prácticamente todos los ordenadores siguen el mismo modelo básico de arquitectura<ref name="von">[http://es.wikipedia.org/wiki/Arquitectura_de_von_Neumann Arquitectura de von Neumann] (Wikipedia ES)</ref>, pero en el pasado se experimentaron con muchos modelos diferentes de ordenador, cada uno con sus ventajas e inconvenientes<ref>[http://en.wikipedia.org/wiki/Comparison_of_CPU_architectures Comparison of CPU architectures] (Wikipedia EN)</ref>. Conocer cómo funciona la arquitectura de un ordenador es importante para [[Programación\|programar]] y para optimizar métodos numéricos (como ocurre por ejemplo con la [[Factorización_de_Doolittle#Ventajas_del_m.C3.A9todo_de_Doolittle\|factorización de Doolittle]]).

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 === ¿Por qué no se fabrica la memoria principal con las mismas características que la caché? ===
 En realidad, la memoria caché y la memoria principal pueden ser exactamente de los mismos materiales. El problema de comunicación entre la memoria y el procesador se debe a que son componentes aislados dentro de la placa base del ordenador. Ambos están conectados a la placa, y están físicamente a algunos centímetros de distancia. Aunque el tiempo que tardan las señales eléctricas en llegar desde uno a otro es muy pequeño, con la velocidad de ejecución de los procesadores actuales, ese tiempo de comunicación, denominado ''latencia'', puede ser del orden del que tarda el procesador en realizar una operación. Para solucionar este problema de comunicación, la memoria caché es mucho más pequeña y se monta mucho más cercana al procesador, en ocasiones incluso forma parte del mismo procesador.
 Otro factor que tradicionalmente ha justificado que exista una memoria caché es que el precio de las memorias de alta velocidad es mucho más caro que el de la memoria RAM convencional. Incluyendo una pequeña memoria caché puede lograrse un notable aumento de rendimiento con un pequeño incremento del precio, y se puede aprovechar la memoria RAM convencional más lenta y barata.

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 Esta característica de la caché puede usarse para optimizar métodos numéricos. Si tradicionalmente la cantidad de operaciones había sido el factor principal para comparar la velocidad de ejecución de un método numérico, cuando el cuello de botella es el bus y existe una memoria caché, '''el orden en el que se realizan las operaciones es más importante que la cantidad de operaciones'''. Si un método numérico es capaz de forzar al procesador a reutilizar continuamente los resultados de las operaciones que acaba de realizar, los datos que necesita estarán siempre disponibles en la caché, y el tiempo de ejecución será menor. Esto es lo que ocurre por ejemplo con la [[Factorización_de_Doolittle#Ventajas_del_m.C3.A9todo_de_Doolittle|factorización de Doolittle]], comparada con el método de Gauss para resolver sistemas lineales. Aunque la cantidad de operaciones es muy similar tanto con Doolittle como con Gauss, el método de Doolittle se ejecuta de manera más rápida en ordenadores modernos que disponen de una memoria caché.
 En algunas ocasiones, puede haber más de un nivel de caché. Es bastante habitual encontrar ordenadores con dos niveles de caché, de manera que existe una jerarquía con tres niveles de memoria, donde cada nivel es más lento que el anterior:
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 # Caché de nivel 2
 # Memoria principal
 === ¿Por qué no se fabrica la memoria principal con las mismas características que la caché? ===
 En realidad, la memoria caché y la memoria principal pueden ser exactamente de los mismos materiales. El problema de comunicación entre la memoria y el procesador se debe a que son componentes aislados dentro de la placa base del ordenador. Ambos están conectados a la placa, y están físicamente a algunos centímetros de distancia. Aunque el tiempo que tardan las señales eléctricas en llegar desde uno a otro es muy pequeño, con la velocidad de ejecución de los procesadores actuales, ese tiempo de comunicación, denominado ''latencia'', puede ser del orden del que tarda el procesador en realizar una operación. Para solucionar este problema de comunicación, la memoria caché es mucho más pequeña y se monta mucho más cercana al procesador, en ocasiones incluso forma parte del mismo procesador.

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 Para solucionar este inconveniente, las arquitecturas modernas se desvían del modelo de von Neumann, y presentan más de una memoria. Estas memorias están organizadas jerárquicamente. Hay una memoria más cercana al procesador, mucho más rápida que la memoria principal, y con un bus más ancho, que es capaz de transportar más datos que el bus normal. Esta nueva memoria recibe el nombre de ''caché''. En Informática, el concepto de caché es muy habitual y puede encontrarse en diferentes sitios. Hace referencia a un almacén temporal, que contiene datos que se van a reutilizar con frecuencia. Por ejemplo, los navegadores web suelen guardar las fotos y las imágenes en una caché, para que cuando volvamos a una página web no sea necesario descargar de nuevo esos imágenes. En el caso de un procesador, la memoria caché guarda todos los datos que se han utilizado recientemente en cualquier operación, y también los resultados de esa operación. Como la caché es pequeña, suele estar siempre llena. Cuando el procesador necesita guardar un dato nuevo en la caché, los datos más antiguos se descartan.
-En muchas operaciones, el procesador reutiliza continuamente resultados de operaciones anteriores. Esto ocurre sobre todo en las aplicaciones de escritorio, que pintan ventanas. En estas aplicaciones, la caché acelera la ejecución de los programas, ya que no es necesario que muchos de los datos viajen a través del bus entre la memoria y el procesador. Estos datos están en la caché y el procesador los puede reutilizar mucho más rápidamente.
+En muchas operaciones, el procesador reutiliza continuamente resultados de operaciones anteriores. Esto ocurre sobre todo en las aplicaciones de escritorio, que pintan ventanas. En estas aplicaciones, la caché acelera la ejecución de los programas, ya que no es necesario que muchos de los datos viajen a través del bus entre la memoria y el procesador. Estos datos están en la caché y el procesador los puede reutilizar mucho más rápidamente, porque el bus que conecta con la caché es más rápido y ancho.
 {{ Referencias }}
 [[Categoría:Informática]]

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 == Arquitectura de los ordenadores modernos ==
 [[Archivo:Vonneumann.png|320px|miniaturadeimagen|derecha|Arquitectura de von Neumann]]
-El esquema que hemos descrito en la sección anterior puede representarse por la imagen de la derecha. Es el modelo de arquitectura de von Neumann<ref name="von" />. Esta arquitectura tiene una gran influencia en el rendimiento de nuestros programas, sobre todo en la implementación de métodos numéricos. Normalmente, a la hora de implementar un método numérico, la cantidad de operaciones que se realizan era el factor principal que determinaba el tiempo de ejecución de nuestro programa. Si un programa tiene que realizar más operaciones que otro, era más lento. Este concepto se conoce como ''complejidad algorítmica'': a grandes rasgos, un programa más complejo es el que realiza más operaciones, y un programa más complejo se ejecuta más lentamente.
+El esquema que hemos descrito en la sección anterior puede representarse por la imagen de la derecha. Es el modelo de arquitectura de von Neumann<ref name="von" />, donde la memoria y el procesador se comunican por medio de un bus. Esta arquitectura tiene una gran influencia en el rendimiento de nuestros programas, sobre todo en la implementación de métodos numéricos. Normalmente, a la hora de implementar un método numérico, la cantidad de operaciones que se realizan era el factor principal que determinaba el tiempo de ejecución de nuestro programa. Si un programa tiene que realizar más operaciones que otro, era más lento. Este concepto se conoce como ''complejidad algorítmica'': a grandes rasgos, un programa más complejo es el que realiza más operaciones, y un programa más complejo se ejecuta más lentamente.
 Sin embargo, en los últimos años, según predecía la ley de Moore<ref>[http://es.wikipedia.org/wiki/Ley_de_moore Ley de Moore] (Wikipedia ES)</ref>, se ha incrementado espectacularmente la capacidad de los procesadores. La cantidad de operaciones por segundo que puede realizar un procesador se conoce como ''frecuencia''. A finales de los años 90 del siglo pasado, un procesador doméstico podía tener una frecuencia de 400 ó 500 MHz en el mejor de los casos. Eso implica que era capaz de hacer entre 400 y 500 millones de operaciones por segundo. En la actualidad, es fácil encontrar procesadores domésticos de 3 GHz, es decir, que son capaces de hacer 3000 millones de operaciones por segundo. Además, los ordenadores modernos suelen incorporar más de un procesador, trabajando todos los procesadores a la vez.
 En estos procesadores modernos, que trabajan de manera tan rápida, en muchas ocasiones el procesador no recibe los datos que necesita al mismo ritmo que es capaz de realizar las operaciones. Es decir, tradicionalmente el cuello de botella que determinaba el tiempo de ejecución de un programa era el procesador. Sin embargo, en los ordenadores modernos la transferencia de información entre la memoria y el procesador es la clave. Esto ha forzado la investigación de memorias RAM y buses cada vez más rápidos, pero se ha llegado a unos límites donde no es posible suministrar los datos a un procesador al mismo ritmo que el procesador es capaz de operar con ellos.
+En muchas operaciones, el procesador reutiliza continuamente resultados de operaciones anteriores. Esto ocurre sobre todo en las aplicaciones de escritorio, que pintan ventanas. En estas aplicaciones, la caché acelera la ejecución de los programas, ya que no es necesario que muchos de los datos viajen a través del bus entre la memoria y el procesador. Estos datos están en la caché y el procesador los puede reutilizar mucho más rápidamente.
-[[Archivo:Cache.png|320px|miniaturadeimagen|derecha|Arquitectura de von Neumann con jerarquía de memorias (caché y memoria principal, aliviando el cuello de botella)]]
-Para solucionar este inconveniente, las arquitecturas modernas se desvían del modelo de von Neumann, y presentan más de una memoria. Estas memorias están organizadas jerárquicamente. Hay una memoria más cercana al procesador, mucho más rápida que la memoria principal, y con un bus más ancho, que es capaz de transportar más datos que el bus normal. Esta nueva memoria recibe el nombre de ''caché''. En Informática, una caché guarda in
 {{ Referencias }}
 [[Categoría:Informática]]