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Jerarquía de memorias
El objetivo en el diseño del sistema de memoria de un computador es que tenga una gran capacidad y un tiempo de acceso reducido con el precio más bajo posible. Como no hay ninguna tecnología que cumpla simultáneamente estos requisitos, la memoria del computador se estructura en varios niveles con el objetivo de conseguir unas prestaciones mejores, y forma lo que denominamos jerarquía de memorias. En una jerarquía de memorias se utilizan varios tipos de memoria con distintas características de capacidad, velocidad y coste, que dividiremos en niveles diferentes: memoria del procesador, memoria interna y memoria externa. Cada nivel de la jerarquía se caracteriza también por la distancia a la que se encuentra del procesador. Los niveles más próximos al procesador son los primeros que se utilizan; eso es así porque también son los niveles con una velocidad más elevada. La jerarquía de memoria es la organización piramidal de la memoria en niveles que tienen las computadoras. Los niveles que componen la jerarquía de memoria habitualmente son: Nivel 0: Registros del microprocesador o CPU Nivel 1: Memoria caché Nivel 2: Memoria primaria (RAM) Nivel 3: Disco duro (con el mecanismo de memoria virtual) Nivel 4: Cintas magnéticas (consideradas las más lentas, con mayor capacidad, de acceso secuencial) Nivel 5: Redes (actualmente se considera un nivel más de la jerarquía de memorias) Los puntos básicos relacionados con la memoria pueden resumirse en: Capacidad Velocidad Coste por bit El objetivo es conseguir el rendimiento de una memoria de gran velocidad al coste de una memoria de baja velocidad, basándose en el principio de cercanía de referencias. Gracias a un principio llamado cercanía de referencias, es factible utilizar una mezcla de los distintos tipos y lograr un rendimiento cercano al de la memoria más rápida.
Desde un punto de vista genérico, la memoria es la parte del ordenador que se encarga de almacenar los datos que intervienen en el proceso. Sin embargo, dentro del sistema informático existen diferentes tipos de memoria, que vamos a ir desglosando: Registros: Los registros son pequeñas porciones de memoria que se encuentran integradas en el procesador y que, por lo tanto, funcionan a la misma velocidad que éste. Caché: Su funcionamiento es similar al de la memoria principal, que comentaremos a continuación, pero su tamaño es mucho menor y su acceso mucho más rápido. La idea es que, cuando el procesador necesita acceder a un dato, se copia a la caché todo el bloque que lo contiene. Así, si se producen accesos sucesivos (para leer o escribir) al mismo dato o a sus datos circundantes, el tiempo de acceso se reduce drásticamente. Memoria principal: También se llama Memoria de acceso aleatorio o Memoria RAM (del inglés, Random-Access Memory) porque en los primeros ordenadores era la única memoria que permitía acceder a los datos sin seguir un orden previo. Este es el lugar donde deben encontrarse tanto las instrucciones como los datos para que el procesador pueda utilizarlos. Su contenido se organiza en posiciones de memoria que están identificadas de forma individual por una dirección única. Dispositivos de almacenamiento externo: Son dispositivos que permiten almacenar grandes volúmenes de información. Su principal característica es que no es volátil, es decir, no necesitan un suministro continuo de corriente eléctrica para mantener la información que contienen. Existen dispositivos construidos a partir de tecnologías muy diferentes, como las unidades magnéticas (HDD, del inglés Hard Disk Drive), las ópticas (CD/DVD, del inglés Compact Disc/Digital Versatile Disc) o las flash (SSD, del inglés Solid State Drive). Dispositivos de almacenamiento secundario o extraíble: Son dispositivos de gran capacidad, destinados fundamentalmente a la realización de copias de seguridad. Suelen ser dispositivos de acceso secuencial, como las cintas DAT (del inglés Digital Audio Tape).
Usando memoria caché entre el procesador y la memoria RAM Las técnicas de memoria virtual, que pretenden simular una mayor cantidad de memoria RAM de la que existe realmente, usando el disco como almacenamiento de apoyo La caché de disco, que utiliza parte de la memoria RAM para guardar temporalmente los datos que deben transferirse al disco, lo que permite que las escrituras se agrupen, ahorrar accesos cuando un dato se escribe varias veces o recuperarlo más rápidamente si lo volvemos a usar poco después de escribir. A modo de ejemplo, vamos a explicar con más detalle el funcionamiento de la memoria caché. Memoria caché Ya hemos comentado que la memoria principal funciona a una velocidad muy inferior a la del procesador. Sin embargo, éste debe acceder a la memoria para obtener cada una de las instrucciones que debe ejecutar (muchas veces, tendrá que volver para obtener los datos involucrados en la instrucción). Resulta evidente la carga que supone esta situación para el rendimiento del procesador. Para resolverlo, los diseñadores recurren al principio de cercanía. La idea consiste en colocar, entre el procesador y la memoria principal, una memoria de poco tamaño y gran velocidad, a la que llamamos memoria caché. La idea es que, cada vez que el procesador solicite un dato de la memoria principal, se busque primero en la memoria caché. Si no se encuentra, se lee de la memoria principal el bloque completo que contiene el dato solicitado y se guarda en la caché (lógicamente, también se envía al procesador el dato que solicitó). Según el principio de cercanía de referencias, es muy probable que, la próxima vez que el procesador solicite un nuevo dato, éste pertenezca al mismo bloque del dato anterior, con lo que se podrá devolver de forma casi inmediata.
Cuando se diseña un nuevo procesador, el equipo de diseño debe enfrentarse a varias preguntas que definirán los principios en los que estará basado el funcionamiento de la memoria caché. Estas son algunas de ellas: ¿Qué tamaño debe tener la memoria caché? En este sentido, debemos saber que no será necesaria una memoria caché muy grande para que su impacto sobre el rendimiento sea notable. ¿Qué tamaño debe tener cada bloque de memoria? Para responder a esta pregunta es muy importante otro concepto denominado tasa de aciertos. Es decir, el porcentaje de veces en el que se encontrará en memoria caché el dato que se está buscando. Es fácil deducir que, a medida que escojamos bloques de memoria más grandes el principio de cercanía de referencias hará que los datos más alejados del que produjo la lectura del bloque, tengan menos probabilidades de ser utilizados. Además, al ser bloques más grandes, cabrán menos bloques en la caché. Esto deriva en una memoria caché saturada con datos que tienen pocas posibilidades de ser utilizados y la tasa de aciertos descenderá. Por el contrario, si se eligen bloques demasiado pequeños, pueden quedar fuera del bloque algunos datos que, según el principio de cercanía de referencias, tengan una probabilidad elevada de ser referenciados. Esto también hará que descienda la tasa de aciertos. Por consiguiente, el tamaño óptimo del bloque será el que ofrezca una mayor tasa de aciertos.
-Una de las más utilizadas consiste en sustituir el usado menos recientemente (LRU, Least Recently Used). -También puede sustituirse el bloque que haya sufrido menos referencias, es decir, el usado menos a menudo (LFU, Least Frequently Used). -Otra opción, aunque menos eficaz, es sustituir el que lleva más tiempo en la caché, es decir, el primero en entrar es el primero en salir (FIFO, First In First Out). -Incluso, para simplificar el circuito empleado, puede elegirse el bloque a sustituir de forma aleatoria. ¿Cuando se escribe un bloque en la memoria principal? En este caso, pueden aplicarse dos planteamientos diferentes: -Escribir el bloque cada vez que se actualice -Escribir el bloque cuando va a ser reemplazado En el segundo caso, la memoria principal contendrá información desactualizada, pero se minimizan las operaciones de escritura en la memoria principal. Por supuesto, todos estos conceptos se comparten con el diseño de la memoria virtual y de la caché de disco que comentábamos antes
