Cómo funcionan las computadoras

Una computadora recibe entradas, sigue instrucciones para procesarlas, almacena datos y produce salidas. Estas funciones se aplican tanto a una computadora portátil como a un controlador oculto dentro de una lavadora. La diferencia está en la tarea y en los equipos conectados.

Componentes físicos y programas

El hardware es el equipo físico. El software está formado por programas y los datos con los que trabajan. La CPU es el chip del procesador, no toda la caja de la computadora. Una placa base la conecta con la RAM, el almacenamiento, una GPU, la alimentación y los puertos de dispositivos. La GPU se encarga de generar imágenes y de otras tareas que aplican operaciones similares a muchos valores. Un teléfono combina muchas de estas funciones en un sistema en un chip (SoC).

La RAM contiene las instrucciones y los datos que se están usando. Una unidad de almacenamiento conserva los programas y los archivos guardados sin alimentación. En una computadora descrita como equipada con 16 GB de memoria y un SSD de 512 GB, la primera capacidad describe la RAM y la segunda, el almacenamiento. Una unidad de mayor capacidad no proporciona más RAM de trabajo.

Un programa almacenado como datos

La arquitectura de von Neumann tiene una CPU, una memoria principal que contiene tanto instrucciones como datos, dispositivos de entrada/salida y buses que los conectan. John von Neumann describió este diseño en 1945 en el «Primer borrador de un informe sobre el EDVAC». Su idea central es el programa almacenado: las instrucciones son valores binarios en la memoria, listos para que la CPU los busque.

Las máquinas anteriores, como ENIAC, se configuraban para cada tarea mediante interruptores y cables. Cargar un programa nuevo permite que una máquina con programa almacenado cambie de tarea sin modificar el cableado. El Manchester Baby ejecutó un programa en memoria electrónica reescribible el 21 de junio de 1948.

La memoria no asigna un significado a cada patrón. El byte 01000001 puede representar el número 65, la letra «A» de ASCII o parte de una instrucción. Lo que la CPU o el programa hace con el patrón determina su significado. Durante la búsqueda de una instrucción, la CPU trata el patrón obtenido como una instrucción.

Por qué el procesador puede tener que esperar

Las instrucciones y los datos comparten la vía entre la CPU y la memoria principal. Además, la memoria los suministra más despacio de lo que la CPU puede usarlos. Esta restricción es el cuello de botella de von Neumann. Por eso, un procesador rápido puede pasar tiempo esperando el siguiente valor. Las cachés pequeñas y rápidas mantienen copias útiles cerca de la CPU y reducen muchas de estas esperas.

Los microcontroladores pequeños y los procesadores de señales suelen usar un diseño Harvard. Las CPU modernas de propósito general combinan ambas ideas: memoria principal compartida, pero cachés de nivel 1 separadas para instrucciones y datos.

Computadoras dentro de otros dispositivos

Un sistema embebido realiza una tarea específica dentro de un dispositivo mayor. Un termostato lee un sensor de temperatura, procesa la lectura y controla la calefacción. Su programa almacenado suele permanecer en memoria no volátil. Las funciones de procesador, memoria y entrada/salida siguen presentes, incluso sin teclado, pantalla o un sistema operativo completo de escritorio.

Un procesador necesita tres cosas para acceder a la memoria: una posición, el valor que se va a transferir y una orden que indique a la memoria qué hacer. Distinguir estas funciones facilita mucho el seguimiento de una transacción del bus.

Tres funciones en un bus del sistema clásico

Un bus es una vía de comunicación compartida. En un bus paralelo del sistema clásico, varios cables o pistas de una placa de circuitos transportan bits al mismo tiempo.

Una dirección identifica una posición; no es el valor almacenado allí. La dirección 200 puede contener 7 hoy y 9 más tarde sin cambiar de dirección. Una comparación útil es un buzón numerado: el número identifica el buzón, mientras que su contenido puede cambiar.

Sigue una lectura y una escritura

Para leer la dirección 200, la CPU coloca 200, en binario 11001000, en el bus de direcciones y envía una orden de lectura por el bus de control. La memoria devuelve el valor de esa posición, aquí 7, por el bus de datos. La CPU lo copia en un registro.

Para escribir 9 en la dirección 201, la CPU coloca 201 en el bus de direcciones, 9 en el bus de datos y una orden de escritura en el bus de control. La memoria sustituye el contenido de la posición 201. Enviar 201 por el bus de datos enviaría el valor equivocado; la dirección y el contenido tienen funciones diferentes.

El ancho de dirección limita el número de posiciones

Con $n$ bits de dirección hay $2^n$ direcciones diferentes. Si cada dirección identifica un byte, ese es también el número de bytes direccionables.

• 16 bits dan $2^{16}=65536$ direcciones, o 64 KiB.
• 32 bits dan $2^{32}=4294967296$ direcciones, o 4 GiB.
• Pasar de 20 a 21 bits duplica la capacidad de 1 MiB a 2 MiB.

Cada bit adicional duplica las combinaciones. Duplicar el número de bits de 16 a 32 multiplica el número de posiciones por $2^{16}$; no se limita a duplicarlo. Este cálculo da un límite de direccionamiento, no la cantidad de RAM realmente instalada.

El ancho de datos limita cada transferencia

Una vía de datos de 64 bits transporta 8 bytes en una transferencia. Una vía de 8 bits necesita cuatro transferencias para transportar un valor de 4 bytes. El ancho de banda mide cuántos datos pueden moverse por segundo:

A 1 millardo de transferencias por segundo, una vía de 8 bytes transporta 8 millardos de bytes por segundo, u 8 GB/s. El ancho de dirección controla cuántas posiciones pueden identificarse; el ancho de datos controla cuánto se mueve a la vez.

La palabra de máquina de una CPU es su tamaño natural de trabajo, habitualmente de 32 o 64 bits. Un procesador de 64 bits no exige que todas las conexiones tengan 64 cables. El rango de direcciones implementado también puede usar menos de 64 bits.

Los enlaces modernos mantienen las mismas funciones

Los canales de memoria, PCI Express y USB sustituyen un bus compartido por varios enlaces. PCI Express y USB son en serie: los bits viajan uno tras otro por pares de cables rápidos. Las direcciones, los valores y las órdenes se agrupan en mensajes. Siguen identificando un destino, transportando contenido y coordinando la transferencia.

Un dispositivo de entrada aporta datos; un dispositivo de salida presenta un resultado o actúa a partir de él. La clasificación describe la función del dispositivo en el sistema. No describe su complejidad interna.

Clasifica la acción

Los teclados, las cámaras, los micrófonos, los lectores de códigos de barras y los sensores proporcionan entradas. Las pantallas, las impresoras, los altavoces y los actuadores proporcionan salidas. Un actuador cambia algo físico, como abrir una válvula o hacer girar un motor.

Algunos dispositivos cumplen ambas funciones. Una pantalla táctil detecta toques y muestra imágenes. Unos auriculares con micrófono combinan un micrófono con altavoces. Un adaptador de red envía y recibe datos. Las unidades de almacenamiento también realizan lecturas y escrituras mediante controladores de E/S, pero su finalidad principal es conservar datos, por lo que forman la categoría aparte de almacenamiento secundario.

Una impresora puede contener un procesador que convierte una página en puntos imprimibles. Sigue siendo un dispositivo de salida por lo que hace para la computadora. Un ratón inalámbrico proporciona entradas igual que uno con cable.

Convierte señales continuas en números

El sonido y la temperatura varían de forma continua: son señales analógicas. Un convertidor analógico-digital (ADC) mide una señal a intervalos regulares y codifica las muestras como números. Un convertidor digital-analógico (DAC) convierte valores digitales en una salida analógica, como la señal que acciona un altavoz.

Para un canal de audio muestreado 44 100 veces por segundo con 16 bits por muestra:

Esta es la tasa de datos de las muestras sin procesar. Cada segundo contiene 44 100 mediciones, y cada medición necesita 16 bits. El muestreo y la codificación permiten que una computadora almacene y procese la grabación.

Controlador de hardware y controlador de software

Los dispositivos se conectan mediante puertos o enlaces inalámbricos como USB, HDMI, Bluetooth o Wi-Fi. Un controlador de dispositivo de hardware es un circuito que gestiona la comunicación de bajo nivel y ofrece registros que la CPU puede leer o escribir. Un controlador de dispositivo de software traduce las solicitudes del SO a órdenes para el dispositivo. El primero es hardware; el segundo es software.

Deja que los dispositivos soliciten atención

Con el sondeo, el procesador comprueba repetidamente un registro de estado. Es sencillo, pero un dispositivo que suele estar inactivo puede provocar muchas comprobaciones sin ningún resultado útil.

Con una interrupción, el controlador de hardware avisa cuando se necesita atención. En el modelo sencillo de ciclo de instrucción, la CPU termina la instrucción actual, guarda el estado interrumpido y ejecuta una rutina de servicio de interrupción. Después restaura el estado guardado y continúa. Pulsar una tecla o terminar una lectura de disco puede activar esta secuencia.

Las personas y muchos dispositivos actúan mucho más despacio que una CPU. Una persona escribe solo unos pocos caracteres por segundo, mientras que un procesador puede ejecutar miles de millones de instrucciones por segundo. Las interrupciones permiten que la CPU trabaje entre eventos.

Para una transferencia grande, el acceso directo a memoria (DMA) permite que un dispositivo o un controlador DMA mueva un bloque directamente hacia la RAM o desde ella. La CPU configura la operación y trabaja en otra cosa. Una interrupción de finalización le indica cuándo está listo el bloque. El DMA evita que la CPU tenga que copiar cada byte; esta sigue participando en la preparación y la finalización de la transferencia.

Las operaciones más pequeñas de una computadora proceden de circuitos que alternan entre dos niveles de señal. Una tensión alta representa 1 y una tensión baja representa 0. Estos niveles representan bits; un chip no reconoce el significado de una foto o una oración.

Las puertas convierten bits de entrada en una salida

Un transistor actúa como un interruptor controlado electrónicamente. Pequeños grupos forman puertas lógicas, cada una con una regla fija de entrada/salida. Una tabla de verdad enumera todas las combinaciones de entradas y sus salidas. Con dos entradas hay cuatro combinaciones; en general, $n$ entradas necesitan $2^n$ filas.

NOT invierte su única entrada. Las puertas de dos entradas se comportan así:

AND necesita que ambas entradas sean 1. OR necesita al menos una, incluidas ambas. XOR necesita entradas diferentes. NAND invierte AND; NOR invierte OR. Interpretar OR como «una, pero no ambas» es confundirla con XOR.

Para evaluar (A AND B) OR (NOT C) con A = 1, B = 0, C = 0, avanza desde las entradas hacia la salida. A AND B da 0. NOT C da 1. Por último, 0 OR 1 da 1. Anota las salidas intermedias para que la última puerta reciba las entradas correctas.

Las puertas suman dígitos binarios

Un semisumador recibe dos bits. Su salida de suma es XOR y su salida de acarreo es AND. Para dos entradas de valor 1, el bit de suma es 0 y el bit de acarreo es 1: el resultado de dos bits es 10, que significa 2.

Un sumador completo también acepta un acarreo de la columna anterior. Encadenar estos circuitos permite a una ALU sumar números más largos. Sigue la suma de 0110 y 0011 desde la derecha:

1. La columna de la derecha da 1, sin acarreo.
2. La siguiente columna tiene dos valores 1: escribe 0 y lleva 1.
3. La siguiente tiene 1, 0 y un acarreo de 1: escribe 0 y lleva 1.
4. La de la izquierda tiene 0, 0 y un acarreo de 1: escribe 1.

El resultado es 1001, o 9. Un acarreo corresponde a la siguiente columna; omitirlo cambia el valor.

Las puertas pueden conservar un bit

La retroalimentación consiste en devolver la salida de un circuito a su entrada. Las puertas NAND o NOR con acoplamiento cruzado forman un biestable sensible al nivel que conserva un bit mientras haya alimentación. Un biestable disparado por flanco captura un bit nuevo en un flanco de reloj y mantiene las actualizaciones sincronizadas con el reloj del procesador. Los registros usan circuitos de almacenamiento sincronizados por reloj. Las celdas de caché SRAM usan circuitos de tipo biestable sensible al nivel; la DRAM almacena carga en condensadores.

NAND y NOR son, cada una, universales: cualquiera de los dos tipos de puerta por sí solo permite construir cualquier función lógica. Conectar ambas entradas de NAND a A da A NAND A, que actúa como NOT A.

Estas son capas de abstracción. Los transistores forman puertas; las puertas forman sumadores, registros y circuitos de control; estos forman un procesador que ejecuta instrucciones. Quien programa puede usar la capa de instrucciones sin diseñar los interruptores que hay debajo.

La CPU, o procesador, ejecuta las instrucciones de un programa. Su unidad de control dirige el trabajo, su unidad aritmético-lógica realiza operaciones y sus registros guardan los valores que se necesitan de inmediato. Un reloj coordina los cambios en estos circuitos.

Dirigir el trabajo y realizarlo

La unidad de control busca una instrucción, la decodifica y emite señales de control. Puede indicar a la memoria que devuelva un valor, seleccionar dos entradas para la ALU y habilitar un registro para guardar el resultado. Coordina la operación; la ALU realiza la aritmética o la lógica.

Las operaciones de la ALU incluyen sumas, restas, comparaciones, desplazamientos de bits y puertas como AND y XOR. Los resultados también actualizan los indicadores de estado. Un indicador de cero señala un resultado de cero; un indicador de negativo registra un resultado negativo. Un salto puede comprobar un indicador para elegir la siguiente instrucción.

Los registros conservan el estado de trabajo inmediato

Los registros son posiciones de almacenamiento muy pequeñas y rápidas dentro del procesador. Un registro de propósito general suele contener una palabra. Por ejemplo, x86-64 ofrece 16 registros de propósito general para enteros, y ARM de 64 bits ofrece 31. Los programas los usan para mantener los valores cerca de la ALU.

El procesador del modelo didáctico permite ver las siguientes funciones:

El MDR también se llama registro búfer de memoria (MBR). El CIR también se llama registro de instrucciones (IR). Los chips reales organizan estas tareas de formas más complejas, pero el modelo te permite seguir el movimiento de una instrucción y sus datos.

El PC contiene una dirección, no un total de instrucciones completadas. Un salto puede hacerlo retroceder para repetir un bucle. El MAR y el MDR también son distintos: una dirección como 10 se coloca en el MAR; el valor almacenado en la dirección 10 se coloca en el MDR.

Un ciclo de reloj es un paso de sincronización

La frecuencia de reloj cuenta los pulsos por segundo y se mide en hercios (Hz). Un reloj de 3 GHz produce 3 mil millones de ciclos por segundo. La duración de un ciclo es:

Un pulso permite avanzar a partes de un circuito. Algunas instrucciones necesitan varios pasos de sincronización, y los procesadores modernos solapan el trabajo de varias instrucciones.

Más de un núcleo de procesamiento

Un núcleo tiene los recursos de control, aritmética, registros y caché necesarios para ejecutar un flujo de instrucciones. Cuatro núcleos pueden ejecutar cuatro flujos a la vez. Un programa se beneficia cuando su trabajo puede repartirse entre ellos; tener cuatro núcleos no divide automáticamente todas las tareas.

Una GPU tiene muchas unidades de procesamiento más pequeñas, adecuadas para realizar operaciones similares sobre muchos datos. Dibujar píxeles, procesar vídeo y algunos cálculos de aprendizaje automático tienen esta forma. Una CPU se adapta a una combinación más amplia de instrucciones y decisiones.

Piensa en una cocina: la unidad de control asigna acciones, la ALU las realiza, los registros guardan los ingredientes a mano y la memoria aporta más. La CPU sigue patrones de bits de forma mecánica; el significado útil procede del programa.

El ciclo de búsqueda, decodificación y ejecución conecta los componentes del procesador para ejecutar un programa. Cada ciclo recibe una instrucción, determina su operación y la realiza. Un seguimiento registra los cambios en los registros y la memoria para que cada resultado tenga una causa visible.

Buscar la instrucción

En el procesador sencillo, la búsqueda sigue esta secuencia:

1. Copiar el PC en el MAR.
2. Colocar la dirección en el bus de direcciones y enviar una señal de lectura de memoria.
3. Recibir la instrucción por el bus de datos en el MDR.
4. Copiarla en el CIR.
5. Avanzar el PC a la siguiente instrucción.

En la máquina didáctica, cada instrucción ocupa una posición, por lo que el PC aumenta en 1. Un procesador con direccionamiento por bytes avanza según la longitud de la instrucción en bytes. Durante la ejecución, el PC ya apunta más allá de la instrucción que se ha buscado.

Decodificar y después ejecutar

La unidad de control separa el código de operación, que especifica la operación, del operando, que aporta un valor, un registro o una dirección. Después envía las señales necesarias para ejecutar la instrucción. Una carga lee datos, una suma usa la ALU, un almacenamiento escribe datos y un salto cambia el PC. Algunas descripciones consideran la escritura del resultado una etapa independiente de escritura del resultado.

Seguir un programa completo

La máquina didáctica tiene un acumulador. Aquí, LOAD, ADD y STORE usan direcciones de memoria como operandos.

Address  Instruction      Data address  Value
0        LOAD 10          10            7
1        ADD 11           11            5
2        STORE 12         12            0
3        HALT

Empieza con el PC en 0. Buscar LOAD 10 lleva el PC a 1. La ejecución coloca la dirección 10 en el MAR, lee 7 a través del MDR y establece el ACC en 7. El operando 10 identifica una posición; no es el valor que se carga.

Después se busca ADD 11 y el PC pasa a 2. La posición de memoria 11 aporta 5. La ALU suma 7 y 5 y deja el ACC en 12. Buscar STORE 12 hace avanzar el PC a 3. La ejecución coloca la dirección 12 en el MAR y el valor 12 en el MDR, y después escribe 12 en esa posición. El ACC permanece en 12. Por último, buscar HALT hace avanzar el PC a 4 y la ejecución detiene la máquina didáctica. Se han ejecutado cuatro instrucciones.

Los saltos sustituyen la siguiente dirección

JUMP 0 coloca 0 en el PC durante la ejecución, independientemente de su valor anterior. JUMPZ 6 salta solo cuando el ACC es cero. Si esa instrucción se buscó en la dirección 4, la búsqueda primero establece el PC en 5. Después, la ejecución establece el PC en 6 cuando el ACC es cero; en caso contrario, el PC permanece en 5. Así puede una secuencia elegir un camino o repetir un bucle.

Interrupciones y procesadores reales

En este modelo, la CPU comprueba si hay interrupciones entre instrucciones. Para atender una, guarda el PC y otros registros de trabajo, ejecuta la rutina de servicio y después restaura el estado guardado. El programa interrumpido se reanuda con sus propios valores y su siguiente dirección.

Una CPU no busca todo un programa fuente de una vez. Ejecuta instrucciones de máquina, a menudo varias por cada sentencia del código fuente. Las CPU modernas solapan y reordenan el trabajo interno manteniendo los resultados que exige el programa.

El rendimiento del procesador depende del trabajo que necesita un programa y de la rapidez con que la computadora lo completa. Importan la frecuencia de reloj, el trabajo útil por ciclo, el tiempo de espera y las oportunidades de trabajo en paralelo.

Frecuencia de reloj y número fijo de ciclos

Para una tarea que requiere un número conocido de ciclos de reloj:

Una tarea que necesita 6 mil millones de ciclos tarda 2 segundos a 3 GHz y 1,5 segundos a 4 GHz. La comparación mantiene fijo el número de ciclos. Entre diseños de procesador distintos, un programa puede necesitar cantidades diferentes de ciclos. Por eso, un chip de 3,5 GHz puede superar a uno de 4 GHz si completa más instrucciones útiles por ciclo.

Las frecuencias de reloj más altas también consumen más energía y producen calor. La reducción de frecuencia por temperatura baja la frecuencia cuando un procesador se calienta demasiado. Esto ayuda a explicar por qué las mejoras de rendimiento han procedido de algo más que aumentar los gigahercios.

Los núcleos solo dividen la parte paralela

Supón que una tarea tarda 10 segundos en un núcleo. Dos segundos deben realizarse en secuencia; ocho segundos pueden repartirse por igual entre cuatro núcleos. Si se ignora la sobrecarga de coordinación:

Dividir los 10 segundos completos entre cuatro da 2,5 segundos, pero divide incorrectamente el trabajo secuencial. Ni siquiera un número ilimitado de núcleos puede eliminar esos dos segundos. Varios núcleos también ayudan a ejecutar programas distintos al mismo tiempo, aunque cada programa use solo un núcleo.

La segmentación solapa etapas

En una segmentación de tres etapas, una instrucción se ejecuta mientras la siguiente se decodifica y otra se busca. Cada instrucción sigue pasando por las tres etapas. La mejora consiste en completar más instrucciones durante un período de tiempo.

Si cada etapa tarda un ciclo, diez instrucciones independientes tardan 30 ciclos sin solapamiento. Una segmentación ideal necesita tres ciclos para terminar la primera instrucción y uno más por cada instrucción restante:

Un salto puede volver inútiles las instrucciones ya buscadas. Descartar ese trabajo consume ciclos, por lo que los procesadores predicen los saltos. Las dependencias reales y las esperas de memoria también impiden que la segmentación alcance siempre su ritmo ideal.

Mantener abastecido el procesador

Una caché guarda copias cercanas de instrucciones y datos. Una mayor capacidad útil de caché puede reducir los accesos a la RAM, especialmente cuando un programa usa repetidamente un conjunto de trabajo que antes no cabía. Si ese conjunto ya cabe, la capacidad adicional puede ayudar poco.

El ancho de banda de memoria limita la rapidez con la que pueden llegar muchos valores. La velocidad del almacenamiento importa al abrir archivos o iniciar aplicaciones: pasar de un disco duro a un SSD puede reducir la demora aunque la CPU no cambie. El tamaño de palabra y las instrucciones que admite un procesador también influyen en las cargas de trabajo adecuadas para él.

Más transistores, distintos usos

La ley de Moore describe la observación de Gordon Moore, formulada por primera vez en 1965 y revisada en 1975, de que el número de transistores se duplicaba aproximadamente cada dos años. Esta tendencia histórica no es una regla según la cual los programas se vuelven el doble de rápidos a intervalos fijos. A medida que se ha ralentizado la reducción de tamaño, los diseñadores de chips han destinado transistores adicionales a núcleos, cachés, GPU y aceleradores especializados. Una comparación útil pregunta cuánto tarda la misma tarea en las mismas condiciones.

El código máquina consiste en instrucciones binarias para un tipo concreto de procesador. El lenguaje ensamblador escribe esas instrucciones con nombres legibles. Ambos describen operaciones mucho más cercanas al hardware que un lenguaje de alto nivel como Python o C.

Operaciones y operandos

Una instrucción contiene un código de operación que especifica qué hacer y normalmente uno o más operandos que especifican qué usar. Un operando puede identificar un registro o una dirección de memoria, o aportar un valor directamente. Su significado procede del formato definido de la instrucción.

Considera una codificación didáctica de 8 bits. Los primeros cuatro bits contienen un código de operación; los últimos cuatro contienen una dirección. Si LOAD es 0001, entonces LOAD 10 se convierte en 0001 1010, porque el decimal 10 es el binario 1010. Cuatro bits de código de operación permiten $2^4=16$ códigos de operación. Cuatro bits de dirección identifican las posiciones de 0 a 15. Esta codificación ilustra un formato limitado; los otros seguimientos de la máquina didáctica usan instrucciones escritas con direcciones mayores.

Una arquitectura del conjunto de instrucciones (ISA) define las instrucciones, codificaciones y registros que ofrece un procesador. x86-64, ARM y RISC-V son ejemplos. Las instrucciones A64 de ARM tienen 32 bits de longitud; las instrucciones x86-64 van de 1 a 15 bytes. El tamaño de palabra de un procesador de 64 bits no determina la longitud de todas sus instrucciones.

Un bucle legible

Un ensamblador convierte los mnemónicos y las etiquetas del lenguaje ensamblador en código máquina para una ISA. Entre los grupos útiles de instrucciones están la transferencia de datos, la aritmética y la lógica, el flujo de control y las operaciones de sistema o E/S.

Este programa con acumulador cuenta hacia atrás desde 3. SUB 21 resta el contenido de la dirección 21. JUMPZ salta si el ACC es cero.

0  LOAD 20
1  SUB 21
2  STORE 20
3  JUMPZ 5
4  JUMP 0
5  HALT

20 holds 3; 21 holds 1.

En la primera pasada, LOAD lee 3, SUB deja 2 y STORE guarda 2. La comprobación de cero no se cumple, por lo que JUMP 0 inicia otra pasada. La segunda pasada guarda 1 y vuelve al inicio. La tercera guarda 0, por lo que JUMPZ 5 va a HALT.

Las dos primeras pasadas usan cinco instrucciones cada una. La última usa cuatro antes de HALT, que también cuenta como instrucción: $5+5+4+1=15$. Contar solo las seis líneas escritas omite las ejecuciones repetidas.

Una sentencia fuente, varias instrucciones

Una sentencia de alto nivel como total = price + tax puede convertirse en operaciones para cargar un valor, sumar otro y guardar el resultado. Los lenguajes de alto nivel expresan variables, decisiones, bucles y funciones sin nombrar cada registro. El ensamblador suele corresponder cada instrucción escrita con una instrucción de máquina y depende estrechamente de su ISA.

El código máquina de x86-64 no puede ejecutarse de forma nativa como código ARM. El código fuente puede recompilarse para ARM, o una capa de traducción o emulación puede resolver la incompatibilidad.

RISC y CISC

Los diseños RISC, como ARM y RISC-V, favorecen las instrucciones sencillas y regulares. Muchos usan instrucciones de longitud fija, pero RISC-V puede mezclar formas comprimidas de 16 bits con instrucciones estándar de 32 bits. Los diseños CISC, como x86, ofrecen instrucciones más complejas y de longitud variable. Los procesadores x86 modernos dividen las instrucciones en operaciones internas más sencillas. Estas etiquetas describen enfoques de diseño, no garantizan que una máquina sea más rápida.

El código fuente es el texto legible de un programa. Un procesador ejecuta instrucciones de máquina, por lo que una herramienta debe conectar ambos. La compilación y la interpretación describen formas de hacerlo; muchas implementaciones reales las combinan.

Las herramientas de traducción

La mayoría de los compiladores trabajan antes de que se inicie un programa. Un compilador en tiempo de ejecución (JIT) trabaja durante la ejecución. Un intérprete es a su vez un programa en código máquina: la CPU ejecuta el intérprete, que realiza las operaciones del programa fuente.

Sigue la construcción de un programa en C

La orden clang hello.c -o hello construye un ejecutable llamado hello a partir de hello.c. Una herramienta de construcción como make puede organizar las órdenes del compilador para quien programa. Las etapas principales son:

1. Preprocesamiento: procesar directivas como #include <stdio.h>, incorporando al código fuente las declaraciones de las cabeceras.
2. Compilación: traducir el código C a operaciones de nivel ensamblador.
3. Ensamblado: codificar esas operaciones como código máquina en archivos objeto.
4. Enlace: conectar el código objeto y las referencias a bibliotecas para producir un ejecutable.

Las cabeceras describen las interfaces de las bibliotecas; incluir una cabecera no copia por sí solo la implementación compilada de la biblioteca en el programa. El enlace proporciona la conexión con ese código. El enlace estático copia el código de biblioteca necesario en el ejecutable. El enlace dinámico registra dependencias de bibliotecas compartidas que se cargan y conectan cuando se necesitan.

El ejecutable está destinado a una ISA y a un formato de sistema operativo. Por eso, construirlo para un Mac con ARM y una computadora con Windows y x86-64 requiere construcciones nativas separadas. Modificar el código fuente también exige volver a construir un ejecutable compilado antes de que el cambio surta efecto.

Los errores ocurren en distintas etapas

Un compilador puede informar de errores de sintaxis, como la falta de un punto y coma en C, y de errores de tipo cuando el lenguaje comprueba los tipos. Una compilación correcta no demuestra que el programa resuelva el problema adecuado. Un error lógico produce un resultado incorrecto. Un error de ejecución ocurre mientras se ejecuta el programa, como dividir entre un valor de entrada que resulta ser cero.

Un intérprete sencillo puede llegar a un error solo después de haber ejecutado sentencias anteriores. Python comprueba primero la sintaxis de todo un archivo, pero un nombre no definido puede provocar un fallo solo cuando la ejecución llega a él. El método de traducción por sí solo no indica cuándo se detecta cada tipo de error.

Código de bytes y máquinas virtuales

Java compila el código fuente a código de bytes, instrucciones para la máquina virtual de Java (JVM). Cada plataforma compatible proporciona su propia JVM. Esta puede interpretar el código de bytes y compilar mediante JIT las secciones de uso frecuente al código máquina de la CPU local. El código de bytes sigue siendo portable porque la JVM específica de cada plataforma gestiona las diferencias de hardware.

CPython también compila Python a código de bytes y lo ejecuta con una máquina virtual. PyPy usa un compilador JIT, y los motores de JavaScript de los navegadores también usan compilación JIT. «Compilado» e «interpretado» describen implementaciones, no propiedades permanentes de un lenguaje.

El código nativo compilado de forma anticipada suele evitar el trabajo repetido de interpretación. La interpretación facilita el ciclo de modificar y ejecutar, mientras que el código de bytes y JIT combinan portabilidad con optimización durante la ejecución. En todas las vías, la CPU acaba siguiendo instrucciones de máquina y el SO carga en la memoria el código ejecutable necesario.

La memoria principal contiene las instrucciones y los datos disponibles en ese momento para la CPU. Para una aplicación corriente almacenada en un SSD, el SO lleva primero el código y los datos necesarios a la RAM. Después, la CPU busca instrucciones a través de su sistema de memoria y caché.

RAM, DRAM y SRAM

RAM significa memoria de acceso aleatorio: se puede acceder a una posición sin pasar por todas las anteriores. La RAM de trabajo normal es volátil, por lo que su contenido se pierde sin alimentación. Guardar un documento copia sus datos a un almacenamiento no volátil.

La memoria principal usa DRAM, que almacena bits como carga en pequeños condensadores. La carga se pierde poco a poco, por lo que las celdas necesitan refresco, normalmente dentro de un intervalo de refresco de 64 ms. La SRAM usa circuitos de transistores de tipo biestable sensible al nivel que conservan su estado mientras reciben alimentación. No necesita refresco, pero ocupa más espacio y cuesta más por bit. Su velocidad resulta adecuada para las cachés del procesador.

La ROM, o memoria de solo lectura, es memoria no volátil asociada a instrucciones fijas, como el firmware. El firmware UEFI o BIOS moderno suele estar en memoria flash actualizable. La capacidad para archivos anunciada de un teléfono es almacenamiento flash, aunque una descripción la llame informalmente «ROM»; el teléfono escribe archivos allí de forma habitual.

Un byte tiene una dirección

En la memoria direccionable por bytes, cada dirección identifica un byte. Un entero de 4 bytes que empieza en la dirección decimal 1000 ocupa las posiciones 1000, 1001, 1002 y 1003. La siguiente posición libre es 1004. Las direcciones suelen escribirse en hexadecimal, como 0x7FFE0010, porque el hexadecimal representa los patrones de bits de forma compacta.

La dirección identifica dónde se encuentran los bytes. Leer el número escrito como dirección es distinto de leer el valor almacenado en esa dirección.

Las unidades de capacidad usan dos sistemas

Un byte contiene 8 bits. La b minúscula significa bits; la B mayúscula significa bytes.

Una unidad vendida como de 1 TB contiene ${10}^{12}$ bytes. En GiB, la cantidad es:

Algunas pantallas de sistemas operativos etiquetan esta cantidad binaria como «GB». La diferencia numérica procede del tamaño de la unidad; no demuestra que falte espacio.

La capacidad es distinta de la velocidad del procesador

Más RAM permite mantener listos más programas en ejecución y más datos a la vez. Cuando los datos de trabajo superan la RAM, el SO puede mover páginas al almacenamiento, lo que ralentiza el acceso. La RAM adicional ayuda a resolver esa escasez, pero no aumenta la frecuencia de reloj de la CPU. Eliminar archivos guardados libera almacenamiento. Cerrar programas o pestañas innecesarios puede liberar RAM de trabajo.

El almacenamiento secundario conserva programas y archivos sin alimentación. En comparación con la RAM, ofrece más capacidad a menor coste por byte, con un acceso más lento. Las distintas tecnologías de almacenamiento equilibran velocidad, coste, portabilidad y durabilidad.

Discos magnéticos y unidades de estado sólido

Una unidad de disco duro (HDD) almacena patrones magnéticos en platos giratorios. Un cabezal móvil busca la pista adecuada y después espera a que la parte deseada del plato gire hasta quedar debajo de él. Ambos movimientos añaden demora al acceso.

A 7200 revoluciones por minuto, una vuelta tarda:

La espera rotacional media es de media vuelta, unos 4,2 ms. Esta es solo la parte rotacional, no el tiempo completo de lectura; la búsqueda y la transferencia también llevan tiempo. Las partes móviles también hacen que un HDD en funcionamiento sea vulnerable a los golpes.

Un SSD almacena carga en celdas flash y no tiene partes móviles. Las lecturas aleatorias pequeñas tardan decenas de microsegundos en lugar de los milisegundos típicos del acceso a HDD. Los SSD son silenciosos, resisten golpes y resultan adecuados para computadoras portátiles. Los HDD suelen ofrecer un menor coste por terabyte para grandes colecciones.

Las celdas flash toleran un número limitado de ciclos de borrado y escritura. El controlador usa la nivelación del desgaste para repartir las escrituras entre las celdas. Las memorias USB, las tarjetas de memoria y el almacenamiento de los teléfonos también usan flash, aunque el controlador y la interfaz afectan a su rendimiento.

Discos ópticos y cinta

Las capacidades típicas son de unos 700 MB para un CD, 4,7 GB para un DVD de una capa y 25 GB para un disco Blu-ray de una capa. Los medios ópticos son portátiles, pero lentos en comparación con las unidades modernas.

La cinta ofrece un bajo coste para grandes archivos de conservación. Su acceso secuencial implica que la unidad debe desplazar la cinta para llegar a un archivo distante. Los discos y los SSD proporcionan acceso directo, llegando a una posición seleccionada sin recorrer todos los datos anteriores. Por eso, la cinta resulta más adecuada para copias de seguridad masivas programadas que para una aplicación que abre repetidamente archivos pequeños dispersos.

El almacenamiento en la nube es un servicio

El almacenamiento en la nube guarda archivos en equipos de los centros de datos de un proveedor. Los medios subyacentes siguen siendo SSD, HDD o cinta. Una conexión de red añade demoras de acceso y transferencia. El servicio ofrece uso compartido, acceso remoto y copias fuera de las instalaciones, con cuotas periódicas y dependencia de los controles de acceso y la fiabilidad del proveedor.

Ajusta la elección al factor limitante

El tiempo de acceso es la demora hasta que empiezan a llegar los datos. La tasa de transferencia mide la rapidez con la que fluyen después. Muchas lecturas de archivos pequeños pagan repetidamente la demora de acceso; un único archivo grande y continuo da más importancia a la tasa de transferencia.

Un SSD resulta adecuado para los programas activos de una computadora portátil. Los HDD resultan adecuados para un servidor que almacena 20 TB de vídeo de forma económica. La cinta o un archivo en la nube sirven para los registros de una empresa a largo plazo, mientras que una memoria USB es práctica para transportar archivos. Elige según la capacidad, el tiempo de acceso, la tasa de transferencia, el coste por byte, el consumo energético, la fiabilidad y la portabilidad. Estar hecho de chips no convierte un SSD en RAM de trabajo: sigue siendo almacenamiento no volátil al que se accede mediante un controlador de almacenamiento.

Una computadora combina varios tipos de almacenamiento porque ninguna tecnología reúne acceso rápido, gran capacidad y bajo coste. La jerarquía de memoria sitúa una pequeña cantidad de almacenamiento muy rápido cerca de la CPU y almacenes mayores y más lentos más lejos.

Los niveles de la jerarquía

Desde los más rápidos y pequeños hacia los más lentos y grandes, los niveles principales son registros, caché L1/L2/L3, RAM, SSD, HDD y almacenamiento de archivo. El coste por byte suele disminuir a medida que aumenta la capacidad.

Estos tiempos muestran la escala, no una especificación fija para todos los dispositivos. Si se usan 1 ns para L1, 100 ns para RAM y 10 ms para un disco, la RAM tarda unas 100 veces más que L1 y el disco unas 100 000 veces más que la RAM.

Aciertos, fallos y copias útiles

Una caché de CPU usa SRAM para guardar bloques copiados de la memoria principal. El hardware busca en los niveles de caché antes de acceder a la RAM. Un acierto encuentra el contenido solicitado en la caché. Un fallo exige buscarlo en un nivel más lento y puede traer una copia a la caché.

La tasa de aciertos es el número de aciertos dividido entre todos los accesos. Para 950 aciertos en 1000 accesos, es del 95 %. Un fallo no significa que falten datos o estén dañados; significa que la copia rápida no estaba disponible.

Por qué el acceso pasado predice el futuro

La localidad temporal significa que es probable que el contenido usado recientemente vuelva a usarse pronto. Un bucle lee repetidamente un contador y sus propias instrucciones. La localidad espacial significa que es probable que se usen pronto direcciones cercanas. Leer elementos consecutivos de una lista sigue este patrón.

Una caché trae una línea de caché completa, habitualmente de 64 bytes contiguos, aprovechando la localidad espacial. Varios niveles equilibran capacidad y tiempo de búsqueda: buscar en una única caché enorme llevaría más tiempo.

Calcula la demora media

Supón que una comprobación de caché tarda 1 ns y un acceso a RAM tarda 100 ns. Un fallo cuesta ambos tiempos, por lo que tarda 101 ns. Con una tasa de aciertos del 95 %:

Con una tasa de aciertos del 80 %:

La segunda media es $21÷6=\mathrm{3,5}$ veces mayor. Pondera el coste completo del acierto y el coste completo del fallo según la frecuencia con la que ocurre cada uno. Olvidar la comprobación de caché en un fallo cambiaría la respuesta de este modelo.

Cachés más allá del procesador

El SO guarda en caché contenido de archivos en la RAM. Un navegador guarda en caché archivos web descargados en el almacenamiento, y las redes de distribución de contenidos mantienen copias cerca de los usuarios. Todos reutilizan copias cercanas para evitar recuperaciones lentas repetidas. Borrar la caché de un navegador elimina archivos del navegador; no vacía los circuitos de caché de la CPU. Las cachés de CPU guardan pequeños bloques de memoria, no una biblioteca organizada de documentos completos.

Un sistema operativo (SO) gestiona el hardware y proporciona servicios a las aplicaciones. Windows, macOS y Linux se usan en computadoras personales y servidores; Android e iOS, en dispositivos móviles. El escritorio visible es solo una parte de este trabajo.

Gestionar recursos y ocultar detalles del hardware

Como gestor de recursos, el SO asigna tiempo del procesador, memoria de trabajo, archivos y dispositivos a programas y usuarios. Como abstracción, proporciona operaciones más sencillas que ocultan los detalles del hardware. Un editor de texto puede solicitar «abrir el archivo report.txt» sin elegir pistas de disco ni órdenes de dispositivo.

La interfaz de usuario permite a las personas solicitar este trabajo. Una interfaz gráfica de usuario (GUI) usa ventanas, iconos, menús e interacción táctil o un puntero. Una interfaz de línea de comandos (CLI) acepta órdenes escritas. Órdenes como ls en Linux y macOS o dir en Windows enumeran archivos; los programas de órdenes pueden combinar instrucciones para tareas repetitivas.

El núcleo controla las operaciones privilegiadas

El núcleo es la parte central del SO responsable del control del hardware y de los recursos protegidos. Las aplicaciones se ejecutan en modo usuario con privilegios restringidos. El código del núcleo se ejecuta en modo núcleo con mayores privilegios. Una aplicación solicita un servicio protegido mediante una llamada al sistema, como pedir al SO que lea un archivo.

El núcleo comprueba los permisos y realiza la acción autorizada. Una aplicación defectuosa no puede simplemente usar una instrucción normal de modo usuario para tomar el control de todos los dispositivos o leer la memoria protegida de otro proceso.

Repartir el tiempo del procesador

El planificador decide qué programa listo para ejecutarse recibe tiempo del procesador. Los turnos breves en un único flujo de procesamiento hacen que la reproducción de música y la edición de documentos parezcan simultáneas. Varios núcleos también permiten ejecutar trabajo en el mismo instante. Algunas CPU admiten multihilo por hardware dentro de un núcleo, pero compartir el tiempo sigue siendo necesario cuando hay más trabajo listo del que el hardware puede ejecutar a la vez.

Dar nombres a los archivos y controladores de software a los dispositivos

Un sistema de archivos registra el contenido de los archivos y metadatos como el tamaño, las fechas y los permisos. Las carpetas forman una jerarquía; una ruta identifica un archivo, por ejemplo /home/sam/notes.txt en Linux. NTFS, APFS y ext4 son ejemplos de sistemas de archivos.

Eliminar un archivo suele borrar su entrada de directorio y liberar su espacio para reutilizarlo. Eso es distinto de sobrescribir deliberadamente cada byte. A veces se pueden recuperar los datos antiguos, especialmente en HDD; una eliminación normal no garantiza un borrado seguro.

Un controlador de software traduce las solicitudes generales de dispositivos a órdenes que entiende un controlador de hardware. Los controladores estándar gestionan muchos teclados y memorias USB, mientras que algunos dispositivos requieren un controlador específico.

Clasificar el software según su función

El SO, los controladores y las utilidades, como las herramientas de copia de seguridad, son software de sistema. Los navegadores, editores, juegos y hojas de cálculo son software de aplicación. Los sistemas móviles dan prioridad a la duración de la batería, la interacción táctil y la separación entre aplicaciones; los servidores admiten servicios de red. Un SO de tiempo real cumple plazos de respuesta especificados para tareas de control. Los dispositivos embebidos muy sencillos pueden ejecutar un programa sin un SO completo.

Iniciar una computadora e iniciar una aplicación implican etapas distintas. El arranque entrega el control al sistema operativo. Después, la carga de la aplicación crea un proceso en ejecución que usa el procesador, la memoria y los servicios del SO.

Empezar con instrucciones persistentes

Al encender, la RAM de trabajo no contiene ningún programa utilizable en ejecución. La CPU comienza con el firmware almacenado en memoria no volátil. En una PC moderna, el firmware UEFI prepara el hardware y realiza comprobaciones de arranque, a menudo llamadas autoprueba de encendido (POST). Selecciona un dispositivo de arranque e inicia un cargador de arranque. El cargador carga el núcleo del SO en la RAM y le transfiere el control. El núcleo prepara la gestión de memoria, los controladores de software y los servicios antes de que aparezca la pantalla de inicio de sesión o la pantalla de inicio.

Convertir un archivo de programa en un proceso

Un programa son instrucciones almacenadas. Un proceso es una instancia en ejecución, con memoria, estado de registros y recursos. Las instancias separadas de un mismo editor pueden mantener documentos distintos aunque hayan partido del mismo archivo de programa.

Para iniciar una aplicación, el SO comprueba el ejecutable y el permiso para ejecutarlo, crea un espacio de direcciones, carga el código y los datos necesarios al principio, prepara una pila y establece la dirección de la instrucción inicial. Pueden cargarse más páginas cuando se usen. El planificador da al proceso tiempo en la CPU, que ejecuta sus instrucciones de máquina.

Distintas regiones contienen distintos elementos

Llamar a una función añade información a la pila; regresar libera la parte de esa llamada. Las llamadas repetidas sin un punto de parada pueden agotar la pila y causar un desbordamiento de pila. Una fuga de memoria ocurre cuando un programa conserva memoria que ya no necesita, lo que hace crecer la memoria reservada que retiene. Usar mucha memoria no basta por sí solo para diagnosticar una fuga.

Separar las direcciones de las posiciones físicas

La memoria virtual da a cada proceso su propio espacio de direcciones. El SO y la unidad de gestión de memoria (MMU) de la CPU asignan direcciones virtuales a posiciones de RAM física en páginas, a menudo de 4 KiB. Dos procesos pueden usar 0x1000 para posiciones físicas distintas. Los permisos de acceso impiden lecturas o escrituras no autorizadas; el SO también puede permitir explícitamente páginas compartidas.

Un acceso prohibido provoca un fallo, que puede terminar el proceso. En Linux o macOS, un programa en C puede informar de un «fallo de segmentación». Una dirección virtual identifica una posición en el mapa de ese proceso, no necesariamente un byte de RAM con el mismo número.

Cuando la demanda de memoria es alta, el SO puede mover páginas inactivas a un archivo de intercambio o de paginación en el almacenamiento. Recuperar una página de ejemplo en 100 µs tarda unas 1000 veces más que un acceso a RAM de 100 ns. El movimiento repetido de páginas, llamado hiperpaginación, puede dominar el tiempo de ejecución. Reducir la demanda de memoria activa o añadir RAM puede ayudar.

Sigue una pulsación de tecla a través de las capas

Un controlador de hardware del teclado señala una interrupción. La rutina de servicio y el controlador de software del SO obtienen el evento y lo entregan al proceso del editor. El editor actualiza el documento en su memoria y pide a los servicios gráficos del SO que actualicen la pantalla. Guardar solicita al sistema de archivos que escriba el documento en el almacenamiento. Cuando termina el proceso, el SO recupera su memoria y sus recursos. Los datos guardados permanecen; los cambios mantenidos solo en la memoria del proceso desaparecen.