📚 ARQUITECTURA DE ORDENADORES — UCP Y MEMORIA VIRTUAL

Clase magistral para el examen TAI

🎓 Cómo usar este documento: Lee la explicación de cada bloque temático y responde las preguntas antes de pasar al siguiente. Las soluciones comentadas están al final.

BLOQUE 1 — UNIDAD CENTRAL DE PROCESO (UCP / CPU)

¿Qué es la CPU?

La Unidad Central de Proceso (UCP o CPU, Central Processing Unit), también denominada procesador, se encarga del control general, ejecución y envío de las operaciones que se efectúan dentro del ordenador con el fin de realizar el tratamiento automático de la información.

💡 Dato clave: El byte es una unidad demasiado pequeña para los cálculos de la ALU. Por eso se usa la palabra (word), formada por un número entero de bytes (1, 2, 4, 8, 16…).

Estructura interna de la CPU

CPU
├── Unidad de Control (UC)
│     ├── Registro de instrucción (RI)
│     ├── Registro contador de programas (CP)
│     ├── Registro de estado
│     ├── Reloj (generador de pulsos)
│     └── Circuito de Control (CC)
│           ├── Decodificador → identifica la instrucción en el IR
│           └── Secuenciador → genera las microórdenes necesarias
└── Unidad Aritmético-Lógica (ALU)
      ├── Circuito operacional (OPER) → realiza operaciones
      ├── Registros de entrada (RO1, RO2) → operandos
      ├── Registro acumulador (AC) → almacena resultados
      └── Registro de estado (biestables IR) → condiciones del resultado

Unidad de Control (UC)

La UC es responsable de recibir, interpretar y ejecutar las instrucciones. Su misión en tres pasos:

Registros principales de la UC

⚠️ Dato clave: Los campos del Registro de Instrucción (RI):
- CO → Código de la operación a realizar
- MD → Modo de direccionamiento de la memoria
- CDE → Campo de dirección efectiva de la información

Circuito de Control (CC)

El elemento fundamental de la UC. Genera todas las señales de control que gobiernan el ordenador.

Entradas del CC: instrucción en curso (IR) + registro de estado + reloj del sistema + señales externas de E/S (bus de control BC).

Reloj del sistema

f = 200 MHz = 200 × 10⁶ ciclos/seg
p = 1/f  →  período de ciclo

💡 Mnemotecnia: F = frecuencia (velocidad), P = período (duración de un ciclo). A mayor frecuencia, mayor velocidad.

Unidad Aritmético-Lógica (ALU)

Contiene los circuitos electrónicos para operaciones aritméticas (suma, resta…) y lógicas (AND, OR, NOT, XOR, comparaciones…).

Las 5 etapas de ejecución de una instrucción

Ciclo de instrucción (Fetch → Decode → Execute)

1. FETCH      → La CPU extrae de memoria la instrucción y la guarda en el RI.
                 La posición de memoria la tiene el CP (contador de programas).

2. ACTUALIZAR → Se actualiza el CP con la dirección de la siguiente instrucción.

3. DECODIFICAR → Se analiza el Código de Operación (CO) del RI.

4. DIRECCIONAR → Se determina a qué datos acceder y cómo (modo MD y campo CDE).

5. EJECUTAR   → Se extraen los datos de la posición indicada por CDE,
                 se cargan en los registros de la CPU y se procesan.

⚠️ Dato clave: El ancho de banda representa la cantidad de información transferida por segundo entre unidades. Ejemplo: ancho de banda memoria-CPU de 133 MB/s significa que en un segundo se pueden transferir 133 millones de bytes entre ellas.

Estados de un proceso — Diagrama de transición

El PDF 1_01_ contiene el diagrama completo de estados de un proceso:

                    ┌─────────────────────────────────┐
         Admitted   │                                 │  Admitted
   New ──────────► Ready ─────Dispatch────► Running ──┤
                     ▲                         │      └─► Terminated (exit)
                     │    Event/I-O Completion │
              Activate│                        │ I/O or Event wait
                     │                         ▼
              Suspend&Ready        ◄─Suspend── Blocked
                     │                         │
                 Event│            ──Activate──►│
                     │            │
                     └─Suspend&Block

🧪 TEST — BLOQUE 1: Unidad Central de Proceso

1. ¿Cuál es la función principal del Registro Contador de Programas (CP)?

• a) Contener la instrucción que se está ejecutando actualmente
• b) Contener la dirección de memoria de la siguiente instrucción a ejecutar
• c) Almacenar el resultado de la última operación aritmética
• d) Registrar el estado del sistema ante interrupciones

2. ¿Qué elemento del Circuito de Control (CC) identifica la instrucción almacenada en el IR y determina los pasos elementales en que se descompone?

• a) Secuenciador
• b) Registro de estado
• c) Decodificador
• d) Reloj

3. ¿Cuáles son los tres campos del Registro de Instrucción (RI)?

• a) CP, AC y BR
• b) CO, MD y CDE
• c) RO1, RO2 y AC
• d) UC, ALU y CC

4. La potencia de un computador está determinada principalmente por:

• a) El número de periféricos conectados y la memoria RAM
• b) El tiempo de ciclo, el ancho de banda y la capacidad de memoria
• c) La velocidad del disco duro y la tarjeta gráfica
• d) El sistema operativo instalado y la cantidad de procesos activos

5. En la ALU, ¿qué registro almacena los resultados de las operaciones y puede referenciarse explícitamente en programación?

• a) RO1
• b) BR (batería de registros)
• c) Registro de estado
• d) AC (acumulador)

6. ¿En qué orden se ejecutan las 5 etapas del ciclo de instrucción?

• a) Decodificar → Fetch → Actualizar CP → Direccionar → Ejecutar
• b) Fetch → Actualizar CP → Decodificar → Direccionar → Ejecutar
• c) Ejecutar → Fetch → Decodificar → Direccionar → Actualizar CP
• d) Fetch → Decodificar → Ejecutar → Actualizar CP → Direccionar

7. La frecuencia del reloj del sistema se expresa en MHz. ¿Qué determina principalmente?

• a) La cantidad de memoria RAM que puede direccionar el procesador
• b) El número máximo de periféricos conectables al sistema
• c) En parte, la velocidad de funcionamiento del computador
• d) El tamaño máximo de la palabra de datos

BLOQUE 2 — MEMORIA VIRTUAL

¿Qué es la memoria virtual y por qué existe?

💡 Principio clave — Localidad: La mayoría de los programas exhibe localidad: en cada momento, los accesos a código y datos se concentran sobre áreas pequeñas respecto a la memoria total del proceso. Esto es lo que hace funcionar la memoria virtual.

Técnicas históricas de carga parcial de programas

Técnicas para no tener todo el código en memoria principal
├── Ficheros para datos voluminosos
├── Recubrimientos (overlays)          → técnica primitiva
├── Intercambio (swapping)             → enviar al disco procesos completos bloqueados
├── Bibliotecas de carga dinámica (DLL) → cargar código compartido bajo demanda
└── MEMORIA VIRTUAL                    → la solución moderna y general

Arquitectura de la memoria virtual paginada

Fallo de página (Page Fault)

Cuando la CPU intenta acceder a una página marcada como no válida (bit de validez = 0), la MMU genera una excepción: el fallo de página.

Gestión de un fallo de página (4 pasos)

1. Buscar un marco físico libre para la página solicitada
2. Copiar del disco la página solicitada al marco elegido
3. Actualizar la tabla de páginas
   (marcar como válida + anotar el marco físico)
4. Entregar el control al proceso
   → se reintenta la instrucción que provocó el fallo

⚠️ Dato importante: Mientras el SO lee la página del disco (paso 2), se puede entregar la CPU a otros procesos que estén disponibles. También hay que invalidar la entrada de TLB correspondiente.

Paginación bajo demanda (Demand Paging)

La solución minimalista: no cargar ninguna página inicialmente. Las páginas se van cargando a medida que se necesitan, resolviendo los fallos de página uno a uno.

Algoritmos de reemplazo de páginas

Cuando hay un fallo de página y todos los marcos físicos están ocupados, hay que elegir una página víctima para sustituirla.

💡 Objetivo: Minimizar la frecuencia de fallos de página eligiendo como víctima la página que menos se vaya a usar en el futuro.

Bit de modificación

La MMU pone a 1 el bit de modificación cada vez que se hace una escritura sobre la página.

Algoritmo general de reemplazo

1. Ocurre un fallo de página
2. Se observa que no hay marcos libres
3. Se elige una página víctima
4. Si la víctima ha sido modificada (bit modificación=1) → guardarla en disco
5. Leer la nueva página del disco
6. Marcar la página víctima como inválida en la tabla de páginas
7. Actualizar la entrada de la nueva página (bit de validez + marco físico)

Tabla comparativa de algoritmos de reemplazo

💡 Mnemotecnia: Los más importantes en negrita: FIFO, OPT, LRU, LFU (canónicos) y 2ª oportunidad/CLOCK, Aging, WSClock (adaptados).

Algoritmo FIFO

• El primero en llegar es el primero en salir.
• Fácil de implementar pero no óptimo.
• Anomalía de Belady: añadir más marcos puede aumentar los fallos de página (comportamiento contraintuitivo).

Algoritmo OPT/MIN

• Reemplaza la página que no se usará durante más tiempo en el futuro.
• Es el algoritmo óptimo → mínimos fallos de página posibles.
• Es imposible de implementar en la práctica (requiere conocer el futuro).
• Se usa como referencia teórica para evaluar otros algoritmos.

Algoritmo LRU (Least Recently Used)

• Reemplaza la página que hace más tiempo que no se ha usado.
• Buena aproximación al OPT.
• Implementación en hardware costosa (requiere registrar el tiempo de último uso de cada página).
• Alternativas software: Aging y NFU.

Algoritmo de 2ª Oportunidad / CLOCK

FIFO + bit de referencia (REF)
Usado en primeros Mac OS X y Windows XP

Cuando hay fallo de página, recorremos marcos en orden de llegada:
├── Si REF=0  → la elegimos como víctima ✓
├── Si REF=1  → le damos una 2ª oportunidad: ponemos REF=0 y seguimos
└── Si llegamos al final, volvemos al principio (estructura circular = reloj)

Caso extremo: si REF=1 en todas las páginas → equivale a FIFO

Algoritmo Aging (histórico de bits de referencia)

• El SO muestrea el bit de referencia a intervalos regulares y lo pone a 0.
• Para cada página se guarda un histórico de K valores → forma un número binario.
• Se elige como víctima la página con el histórico más pequeño (menos accedida recientemente).

Ejemplo K=8:
  11000100  → accedida frecuentemente y recientemente
  01110111  → accedida hace tiempo (valor más pequeño → candidata a víctima)

Teoría del conjunto de trabajo (Working Set)

💡 Concepto clave (Peter Denning, 1968-1970): Cada proceso trabaja en cada momento con unas zonas de código y datos bien delimitadas: su localidad. La localidad cambia a medida que el proceso se ejecuta.

Hiperpaginación (Thrashing)

Ocurre cuando el grado de multiprogramación es excesivo: ningún proceso tiene suficientes páginas en memoria principal y se generan fallos de página continuamente.

Reacción en cadena del Thrashing:
Proceso A falla → se elige víctima una página de B
→ B falla → se elige víctima una página de A
→ Todo el sistema está paginando continuamente
→ Rendimiento cae drásticamente

Soluciones a la hiperpaginación

Consideraciones sobre el tamaño de página y estructura del código

⚠️ Impacto de la estructura del código en los fallos de página:

// Acceso por FILAS → óptimo (accede a páginas contiguas)
for (i=0; i<M; i++)
    for (j=0; j<N; j++)
        A[i][j] = f(i,j);

// Acceso por COLUMNAS → genera muchos más fallos de página
for (j=0; j<N; j++)
    for (i=0; i<M; i++)
        A[i][j] = f(i,j);

Limpieza anticipada de páginas (Precleaning)

Cuando el sistema está ocioso, el SO va guardando en disco las páginas modificadas (sucias) y pone a 0 su bit de modificación. Esto reduce el retardo al gestionar fallos de página futuros, ya que no habrá que escribir en disco en ese momento.

Consideraciones actuales

🧪 TEST — BLOQUE 2: Memoria Virtual

8. ¿Cuál es el principio fundamental que hace que la memoria virtual sea eficiente?

• a) Que los procesadores modernos son muy rápidos y compensan la lentitud del disco
• b) La localidad: en cada momento los accesos se concentran en áreas pequeñas del espacio total del proceso
• c) Que el disco duro tiene mayor capacidad que la RAM
• d) Que el sistema operativo puede predecir exactamente qué páginas se van a usar

9. ¿Qué ocurre cuando la CPU intenta acceder a una página con el bit de validez a 0?

• a) El sistema operativo termina el proceso con un error fatal
• b) Se genera una excepción llamada fallo de página (page fault)
• c) La MMU carga automáticamente la página sin intervención del SO
• d) La CPU espera hasta que la página esté disponible en memoria

10. ¿Cuál de los siguientes algoritmos de reemplazo es teóricamente óptimo pero imposible de implementar en la práctica?

• a) LRU
• b) FIFO
• c) OPT / MIN
• d) Algoritmo de 2ª oportunidad

11. En el algoritmo de la 2ª oportunidad (CLOCK), ¿qué ocurre cuando se encuentra una página con REF=1?

• a) Se elige inmediatamente como víctima
• b) Se pone REF=0 y se continúa buscando (se le da una segunda oportunidad)
• c) Se guarda en disco y se marca como inválida
• d) Se incrementa su contador de uso

12. ¿Qué es el bit de modificación en la tabla de páginas?

• a) Indica si la página ha sido accedida recientemente
• b) Indica si la página contiene código del sistema operativo
• c) Indica si la página ha sido modificada (escrita) desde que fue cargada
• d) Indica la prioridad de reemplazo de la página

13. ¿Qué es la hiperpaginación (thrashing)?

• a) Una técnica para acelerar el acceso a memoria usando múltiples páginas simultáneamente
• b) Una situación en la que el sistema genera fallos de página continuamente por falta de marcos disponibles
• c) El proceso de dividir la memoria en páginas de tamaño fijo
• d) Un algoritmo de reemplazo basado en el historial de accesos

14. El conjunto de trabajo WS(t, Δ) de un proceso se define como:

• a) El número total de páginas que tiene asignadas el proceso
• b) Las páginas accedidas por el proceso entre el instante t y t-Δ
• c) Las páginas del proceso que están actualmente en memoria principal
• d) El número de fallos de página generados en el intervalo Δ

15. ¿Por qué el acceso a una matriz por columnas genera más fallos de página que el acceso por filas?

• a) Porque las columnas tienen más elementos que las filas
• b) Porque los elementos de una columna están en páginas no contiguas, rompiendo la localidad espacial
• c) Porque el SO prioriza el acceso por filas en su gestión de memoria
• d) Porque las matrices deben declararse siempre por filas en C/C++

16. ¿Cuál de las siguientes afirmaciones sobre la paginación bajo demanda (demand paging) es CORRECTA?

• a) Precarga todas las páginas del proceso antes de comenzar su ejecución
• b) No carga ninguna página inicialmente; las va cargando según se necesiten
• c) Carga únicamente las primeras páginas de código del proceso
• d) Requiere que el proceso indique explícitamente qué páginas cargar

✅ SOLUCIONES COMENTADAS

1 → b) El Registro Contador de Programas (CP) contiene en todo momento la dirección de memoria de la siguiente instrucción a ejecutar. Su salida está conectada al Bus de Direcciones (BA). No hay que confundirlo con el Registro de Instrucción (RI), que contiene la instrucción que se está ejecutando.

2 → c) El decodificador identifica la instrucción almacenada en el IR y determina los pasos elementales en que se descompone. El secuenciador usa esa información para generar y distribuir las señales de control. Son los dos bloques internos del Circuito de Control (CC).

3 → b) El Registro de Instrucción (RI) tiene tres campos: CO (Código de la Operación), MD (Modo de Direccionamiento) y CDE (Campo de Dirección Efectiva). El CO indica qué operación realizar, el MD cómo acceder a los datos y el CDE dónde están los datos.

4 → b) La potencia de un computador está determinada principalmente por el tiempo de ciclo (velocidad del reloj), el ancho de banda (transferencia de datos por segundo) y la capacidad de memoria. Los periféricos o el SO no son factores principales de potencia del procesador.

5 → d) El registro acumulador (AC) almacena los resultados de las operaciones de la ALU y puede referenciarse explícitamente en programación. RO1 y RO2 son los registros de los operandos (transparentes al usuario). BR es la batería de registros de uso general accesibles al programador.

6 → b) El orden correcto del ciclo de instrucción es: Fetch (extraer instrucción de memoria al RI) → Actualizar CP (apuntar a la siguiente instrucción) → Decodificar (analizar el CO) → Direccionar (determinar a qué datos acceder mediante MD y CDE) → Ejecutar (cargar datos y procesarlos).

7 → c) La frecuencia del reloj determina en parte la velocidad de funcionamiento del computador. El período de ciclo es del orden de nanosegundos. A mayor frecuencia (más MHz/GHz), menor período de ciclo y potencialmente mayor velocidad, aunque también intervienen otros factores como la arquitectura del procesador.

8 → b) La localidad es el principio que hace funcionar la memoria virtual: en cada momento los accesos a código y datos se concentran sobre áreas pequeñas respecto a la memoria total del proceso. Si esas áreas están en memoria principal, el programa puede ejecutarse con pocos fallos de página.

9 → b) Cuando la CPU intenta acceder a una página con bit de validez = 0 (no está en memoria principal), la MMU genera una excepción llamada fallo de página (page fault). Esta excepción activa una rutina del SO que se encarga de cargar la página del disco a la memoria principal.

10 → c) El algoritmo OPT/MIN es teóricamente óptimo (minimiza los fallos de página) porque reemplaza siempre la página que no se usará durante más tiempo. Es imposible de implementar en la práctica porque requiere conocer el futuro. Se usa como referencia teórica para comparar otros algoritmos.

11 → b) En el algoritmo de 2ª oportunidad (CLOCK), cuando se encuentra una página con REF=1, se le da una segunda oportunidad: se pone REF=0 y se continúa buscando la víctima. Solo se elige como víctima una página con REF=0. Si todas tienen REF=1, el algoritmo equivale a FIFO.

12 → c) El bit de modificación indica si la página ha sido escrita (modificada) desde que fue cargada en memoria. Si es 0, la página es una copia fiel del disco y puede descartarse sin escribir. Si es 1 (página "sucia"), hay que guardarla en disco antes de descartarla para no perder los cambios.

13 → b) La hiperpaginación (thrashing) ocurre cuando el sistema tiene un grado de multiprogramación excesivo: ningún proceso tiene suficientes marcos y se generan fallos de página en cadena. El sistema se pasa más tiempo gestionando fallos de página que ejecutando código de los procesos, y el rendimiento cae drásticamente.

14 → b) El conjunto de trabajo WS(t, Δ) es el conjunto de páginas accedidas por el proceso entre el instante t y t-Δ (las páginas accedidas en el "pasado reciente" definido por la ventana Δ). Si Δ tiene el tamaño adecuado, es una aproximación fiel de la localidad actual del proceso.

15 → b) Los elementos de una columna en una matriz C/C++ están almacenados en posiciones de memoria no contiguas (separadas por el tamaño de una fila), lo que significa que se encuentran en páginas diferentes. Esto rompe la localidad espacial y genera muchos más fallos de página que el acceso por filas, donde los elementos son contiguos en memoria.

16 → b) La paginación bajo demanda es la solución minimalista: no se carga ninguna página inicialmente. Las páginas se van cargando en memoria principal a medida que se necesitan, resolviendo los fallos de página según se producen. Es el enfoque más común en los sistemas operativos modernos.

📊 TABLA FLASH FINAL — Datos clave UCP y Memoria Virtual