Se conoce como jerarquía de memoria a la organización piramidal de la memoria en niveles, que tienen los ordenadores. Su 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.
Los puntos básicos relacionados con la memoria pueden resumirse en:
Cantidad y Velocidad
La Cantidad: cuanta más memoria haya disponible, más podrá utilizarse.
La Velocidad: Es la que el procesador puede trabajar, de modo que no haya tiempos de espera entre cálculo y cálculo, utilizados para traer operandos o guardar resultados.
En suma, el costo de la memoria no debe ser excesivo, para que sea factible construir un equipo accesible.
Como puede esperarse los tres factores compiten entre sí, por lo que hay que encontrar un equilibrio. Las siguientes afirmaciones son válidas:
A menor tiempo de acceso mayor coste
A mayor capacidad mayor coste
A mayor capacidad menor velocidad.
Se busca entonces contar con capacidad suficiente de memoria, con una velocidad que sirva para satisfacer la demanda de rendimiento y con un coste que no sea excesivo. 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.
Los niveles que componen la jerarquía de memoria habitualmente son:
Nivel 0: Registros
Nivel 1: Memoria caché
Nivel 2: Memoria principal
Nivel 3: Disco duro (con el mecanismo de memoria virtual)
Nivel 4: Redes(Actualmente se considera un nivel más de la jerarquía de memorias)
Registros de procesador: Estos registros interaccionan continuamente con la CPU (porque forman parte de ella). Los registros tienen un tiempo de acceso muy pequeño y una capacidad mínima, normalmente igual a la palabra del procesador (1 a 8 bytes).
Registros intermedios: Constituyen un paso intermedio entre el procesador y la memoria, tienen un tiempo de acceso muy breve y muy poca capacidad.
Memorias caché: Son memorias de pequeña capacidad. Normalmente una pequeña fracción de la memoria principal. y pequeño tiempo de acceso. Este nivel de memoria se coloca entre la CPU y la memoria central. Hace algunos años este nivel era exclusivo de los ordenadores grandes pero actualmente todos los ordenadores lo incorporan. Dentro de la memoria caché puede haber, a su vez, dos niveles denominados caché on chip, memoria caché dentro del circuito integrado, y caché on board, memoria caché en la placa de circuito impreso pero fuera del circuito integrado, evidentemente, por razones físicas, la primera es mucho más rápida que la segunda. Existe también una técnica, denominada Arquitectura Harvard, en cierto modo contrapuesta a la idea de Von Newmann, que utiliza memorias caché separadas para código y datos. Esto tiene algunas ventajas como se verá en este capítulo.
Memoria central o principal: En este nivel residen los programas y los datos. La CPU lee y escribe datos en él aunque con menos frecuencia que en los niveles anteriores. Tiene un tiempo de acceso relativamente rápido y gran capacidad.
Extensiones de memoria central: Son memorias de la misma naturaleza que la memoria central que amplían su capacidad de forma modular. El tiempo de similar, a lo sumo un poco mayor, al de la memoria central y su capacidad puede ser algunas veces mayor.
Memorias de masas o auxiliares: Son memorias que residen en dispositivos externos al ordenador, en ellas se archivan programas y datos para su uso posterior. También se usan estas memorias para apoyo de la memoria central en caso de que ésta sea insuficiente (memoria virtual). Estas memorias suelen tener gran capacidad pero pueden llegar a tener un tiempo de acceso muy lento. Dentro de ellas también se pueden establecer varios niveles de jerarquía.
Registros intermedios: Constituyen un paso intermedio entre el procesador y la memoria, tienen un tiempo de acceso muy breve y muy poca capacidad.
Memorias caché: Son memorias de pequeña capacidad. Normalmente una pequeña fracción de la memoria principal. y pequeño tiempo de acceso. Este nivel de memoria se coloca entre la CPU y la memoria central. Hace algunos años este nivel era exclusivo de los ordenadores grandes pero actualmente todos los ordenadores lo incorporan. Dentro de la memoria caché puede haber, a su vez, dos niveles denominados caché on chip, memoria caché dentro del circuito integrado, y caché on board, memoria caché en la placa de circuito impreso pero fuera del circuito integrado, evidentemente, por razones físicas, la primera es mucho más rápida que la segunda. Existe también una técnica, denominada Arquitectura Harvard, en cierto modo contrapuesta a la idea de Von Newmann, que utiliza memorias caché separadas para código y datos. Esto tiene algunas ventajas como se verá en este capítulo.
Memoria central o principal: En este nivel residen los programas y los datos. La CPU lee y escribe datos en él aunque con menos frecuencia que en los niveles anteriores. Tiene un tiempo de acceso relativamente rápido y gran capacidad.
Extensiones de memoria central: Son memorias de la misma naturaleza que la memoria central que amplían su capacidad de forma modular. El tiempo de similar, a lo sumo un poco mayor, al de la memoria central y su capacidad puede ser algunas veces mayor.
Memorias de masas o auxiliares: Son memorias que residen en dispositivos externos al ordenador, en ellas se archivan programas y datos para su uso posterior. También se usan estas memorias para apoyo de la memoria central en caso de que ésta sea insuficiente (memoria virtual). Estas memorias suelen tener gran capacidad pero pueden llegar a tener un tiempo de acceso muy lento. Dentro de ellas también se pueden establecer varios niveles de jerarquía.
Gestión de Memoria:
Los lenguajes de programación actuales generalmente asumen la existencia de únicamente dos niveles de memoria, memoria principal y almacenamiento secundario (normalmente en disco). Aunque en lenguaje ensamblador, ensamblador en línea y lenguajes como C y C++ podemos direccionar datos directamente a los registros del procesador.
Para aprovechar de forma óptima las ventajas de la jerarquía de memoria es necesario cooperación entre programadores, compiladores y fabricantes de hardware:
Programadores: deben ser responsables del movimiento entre memoria principal y disco mediante el uso de ficheros.
Hardware: el movimiento de datos entre la memoria principal y los niveles de caché es realizado por algoritmos hardware.
Compiladores: son responsables de optimizar el código de modo que el uso de los registros y la caché sea eficiente.
