Un microprocesador puede ejecutar miles de millones de instrucciones por segundo, pero si los datos no están disponibles a tiempo, el rendimiento cae. Por eso, en los sistemas modernos existe una jerarquía de memoria, que equilibra rapidez, tamaño y costo.

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5.1 Tipos de memoria en la jerarquía

1. Registros

   • Los más rápidos y pequeños (pocos bytes).
   • Integrados en el microprocesador.
   • Acceso en 1 ciclo de reloj.

2. Memoria Caché (L1, L2, L3)

   • Memoria ultrarrápida cercana al procesador.

   • Almacena instrucciones y datos usados con frecuencia.

   • Niveles:

     • L1: más rápida, pequeña (32-128 KB por núcleo).
     • L2: intermedia, tamaño medio (512 KB – 2 MB).
     • L3: compartida por todos los núcleos, mayor tamaño (8-64 MB).

   • Si el procesador necesita un dato y está en caché, decimos que hay un cache hit (éxito); si no, cache miss (fallo), y debe ir a buscarlo a la RAM.

3. Memoria principal (RAM – Random Access Memory)

   • Mayor capacidad (GBs).
   • Velocidad menor que la caché.
   • Volátil (se borra al apagar el equipo).
   • Ejemplo: DDR4, DDR5.

4. Memoria secundaria (almacenamiento persistente)

   • Discos duros (HDD), SSD, NVMe.
   • Mucho más lenta que la RAM, pero no volátil.
   • Capacidad enorme (TBs).

5. Memoria virtual

   • Técnica del sistema operativo que usa parte del disco como si fuera RAM.
   • Mucho más lenta que la RAM real, pero permite ejecutar programas que requieren más memoria de la disponible.

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5.2 Principio de localidad

El diseño de las memorias se basa en que los programas tienden a usar:

• Localidad temporal: los mismos datos o instrucciones se usan varias veces en poco tiempo.
• Localidad espacial: si se accede a una posición de memoria, probablemente se acceda a las siguientes.

👉 Gracias a esto, la caché es muy efectiva.

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5.3 Latencias y tiempos de acceso (orden aproximado)

• Registros: < 1 ns (nanosegundo).
• Caché L1: ~1 ns.
• Caché L2: 3–5 ns.
• Caché L3: 10–20 ns.
• RAM: 50–100 ns.
• SSD NVMe: 50–100 μs (microsegundos).
• HDD: milisegundos.

👉 Diferencia brutal: acceder a disco duro puede ser un millón de veces más lento que a un registro.

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5.4 Relación procesador–memoria

Cuando un programa se ejecuta:

1. El procesador busca instrucciones en la caché.
2. Si no están, las pide a la RAM.
3. Si la RAM no tiene lo necesario, se buscan en el almacenamiento (disco).

Por eso, los fabricantes optimizan mucho la jerarquía de memorias para que el procesador no se quede “esperando” datos.

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5.5 Ejemplo práctico

Imagina que tu procesador está multiplicando miles de números almacenados en memoria:

• Si están en los registros, el cálculo será instantáneo.
• Si están en la RAM, el procesador tendrá que esperar decenas de nanosegundos en cada acceso.
• Si están en el disco duro, el cálculo sería millones de veces más lento.

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✅ Resumen clave del punto 5:

• La memoria está organizada en capas jerárquicas: registros → caché → RAM → almacenamiento.
• Cuanto más cerca del procesador, más rápida y pequeña es la memoria.
• El principio de localidad explica por qué la caché funciona tan bien.
• La diferencia de velocidad entre registros y disco puede ser de millones de veces.