Palabra (arquitectura de computadoras)

En informática , una palabra es un dato de tamaño fijo que el conjunto de instrucciones o el hardware de un procesador maneja como la unidad de datos natural o histórica . El número de bits o dígitos ^{[ a ]} en una palabra (el tamaño de palabra , el ancho de palabra o la longitud de palabra ) es una característica importante de cualquier diseño de procesador o arquitectura de computadora específica .

El tamaño de una palabra se refleja en muchos aspectos de la estructura y el funcionamiento de un ordenador; la mayoría de los registros de un procesador suelen tener el tamaño de una palabra, y el dato más grande que se puede transferir desde y hacia la memoria de trabajo en una sola operación es una palabra en muchas arquitecturas (aunque no en todas). El tamaño de dirección más grande posible , utilizado para designar una ubicación en la memoria, suele ser una palabra de hardware (en este contexto, "palabra de hardware" se refiere a la palabra natural de tamaño completo del procesador, en contraposición a cualquier otra definición utilizada).

Varias de las primeras computadoras (y algunas modernas también) utilizan el sistema binario decimal codificado en lugar del binario simple , con un tamaño de palabra típico de 10 o 12 dígitos decimales , y algunas de las primeras computadoras decimales no tienen una longitud de palabra fija. Los primeros sistemas binarios tendían a usar longitudes de palabra que eran múltiplos de 6 bits, siendo la palabra de 36 bits especialmente común en las computadoras centrales . La introducción de ASCII condujo al cambio a sistemas con longitudes de palabra que eran múltiplos de 8 bits, siendo las máquinas de 16 bits populares en la década de 1970 antes del paso a los procesadores modernos de 32 o 64 bits. ^{[ 1 ]} Los diseños de propósito especial, como los procesadores de señales digitales , pueden tener cualquier longitud de palabra de 4 a 80 bits. ^{[ 1 ]}

El tamaño de una palabra puede diferir en ocasiones del esperado debido a la compatibilidad con versiones anteriores de ordenadores. Si varias variantes compatibles o una familia de procesadores comparten una arquitectura y un conjunto de instrucciones comunes, pero difieren en el tamaño de sus palabras, su documentación y software pueden volverse complejos en cuanto a notación para adaptarse a esta diferencia (véase Familias de tamaño más abajo).

Usos de las palabras

Dependiendo de cómo esté organizada una computadora, las unidades de tamaño de palabra pueden usarse para:

Números de punto fijo: Los contenedores para valores numéricos de punto fijo , generalmente enteros , pueden estar disponibles en uno o varios tamaños diferentes, pero uno de ellos casi siempre será de tamaño palabra. Los demás tamaños, si los hay, probablemente serán múltiplos o fracciones del tamaño palabra. Los tamaños más pequeños se utilizan normalmente solo para optimizar el uso de la memoria; al cargarse en el procesador, sus valores suelen almacenarse en un contenedor de mayor tamaño, al menos del tamaño palabra.
Números de punto flotante: Los contenedores para valores numéricos de punto flotante suelen ser una palabra o un múltiplo de una palabra.
Direcciones: Los contenedores de direcciones de memoria deben tener un tamaño capaz de expresar el rango de valores necesario, pero sin ser excesivamente grandes; por lo tanto, a menudo se utiliza el tamaño de la palabra, aunque también puede ser un múltiplo o una fracción del tamaño de la palabra.
Registros: Los registros del procesador están diseñados con un tamaño adecuado para el tipo de datos que almacenan, por ejemplo, números enteros, números de coma flotante o direcciones. Muchas arquitecturas informáticas utilizan registros de propósito general capaces de almacenar datos en múltiples representaciones.
Transferencia de memoria a procesador: Cuando el procesador lee del subsistema de memoria a un registro o escribe el valor de un registro en la memoria, la cantidad de datos transferidos suele ser una palabra. Históricamente, esta cantidad de bits que se podían transferir en un ciclo también se denominaba catena en algunos entornos (como el Bull Gamma 60 ). ^{[ 2 ]}^{[ 3 ]} En subsistemas de memoria simples, la palabra se transfiere a través del bus de datos de memoria , que normalmente tiene un ancho de una palabra o media palabra. En subsistemas de memoria que utilizan cachés , la transferencia del tamaño de una palabra es la que se produce entre el procesador y el primer nivel de caché; en niveles inferiores de la jerarquía de memoria se suelen utilizar transferencias más grandes (que son un múltiplo del tamaño de la palabra).
Unidad de resolución de direcciones: En una arquitectura dada, los valores de dirección sucesivos casi ^{siempre designan unidades de memoria sucesivas ; esta unidad es la unidad de resolución de direcciones. En la mayoría de las computadoras, la unidad es un carácter (por ejemplo ,} un byte) o una palabra. (Algunas computadoras han utilizado resolución de bits). Si la unidad es una palabra, se puede acceder a una mayor cantidad de memoria utilizando una dirección de un tamaño determinado, a costa de una mayor complejidad para acceder a caracteres individuales. Por otro lado, si la unidad es un byte, se pueden direccionar caracteres individuales (es decir, seleccionarlos durante la operación de memoria).
Instrucciones: Las instrucciones de máquina suelen tener el tamaño de la palabra de la arquitectura o una fracción de ella, como en las arquitecturas RISC , o un múltiplo del tamaño del carácter que es una fracción de este. Esta es una elección lógica, ya que las instrucciones y los datos generalmente comparten el mismo subsistema de memoria. En las arquitecturas Harvard, los tamaños de palabra de las instrucciones y los datos no tienen por qué estar relacionados, puesto que se almacenan en memorias diferentes; por ejemplo, el procesador del conmutador telefónico electrónico 1ESS tiene instrucciones de 37 bits y palabras de datos de 23 bits.

elección de tamaño de palabra

Al diseñar una arquitectura informática, la elección del tamaño de palabra es de suma importancia. Existen consideraciones de diseño que favorecen el uso de grupos de bits específicos para determinados fines (por ejemplo, para direcciones), y estas consideraciones apuntan a diferentes tamaños para distintos usos. Sin embargo, las consideraciones de economía en el diseño impulsan fuertemente el uso de un único tamaño, o de muy pocos tamaños relacionados mediante múltiplos o fracciones (submúltiplos) de un tamaño principal. Ese tamaño preferido se convierte en el tamaño de palabra de la arquitectura.

En el pasado (antes de la codificación de caracteres de tamaño variable), el tamaño de los caracteres influía en la resolución de la unidad de dirección y en la elección del tamaño de la palabra. Antes de mediados de la década de 1960, los caracteres se almacenaban con mayor frecuencia en seis bits; esto permitía un máximo de 64 caracteres, por lo que el alfabeto se limitaba a mayúsculas. Dado que resulta eficiente en términos de tiempo y espacio que el tamaño de la palabra sea un múltiplo del tamaño del carácter, en este período los tamaños de palabra solían ser múltiplos de 6 bits (en máquinas binarias). Una opción común entonces era la palabra de 36 bits , que también resulta un tamaño adecuado para las propiedades numéricas de un formato de punto flotante.

Tras la introducción del diseño IBM System/360 , que utiliza caracteres de ocho bits y admite letras minúsculas, el tamaño estándar de un carácter (o, más precisamente, de un byte ) se sitúa en ocho bits. A partir de entonces, el tamaño de las palabras es naturalmente múltiplo de ocho bits, siendo comunes los tamaños de 16, 32 y 64 bits.

Arquitecturas de palabras variables

Los primeros diseños de máquinas incluían algunos que utilizaban lo que a menudo se denomina longitud de palabra variable . En este tipo de organización, un operando no tiene una longitud fija. Dependiendo de la máquina y la instrucción, la longitud puede indicarse mediante un campo de conteo, un carácter delimitador o un bit adicional llamado, por ejemplo, indicador o marca de palabra . Estas máquinas suelen utilizar decimales codificados en binario en dígitos de 4 bits o en caracteres de 6 bits para los números. Esta clase de máquinas incluye las IBM 702 , IBM 705 , IBM 7080 , IBM 7010 , la serie IBM 1400 , IBM 1620 , RCA 301, RCA 3301 y UNIVAC 1050 .

La mayoría de estas máquinas trabajan con una unidad de memoria a la vez y, dado que cada instrucción o dato ocupa varias unidades, cada instrucción requiere varios ciclos solo para acceder a la memoria. Por ello, estas máquinas suelen ser bastante lentas. Por ejemplo, la búsqueda de instrucciones en un IBM 1620 Modelo I requiere 8 ciclos (160 μs) solo para leer los 12 dígitos de la instrucción (el Modelo II redujo este tiempo a 6 ciclos, o 4 ciclos si la instrucción no necesitaba ambos campos de dirección). La ejecución de instrucciones requiere un número variable de ciclos, dependiendo del tamaño de los operandos.

Direccionamiento de palabras, bits y bytes

El modelo de memoria de una arquitectura está fuertemente influenciado por el tamaño de palabra. En particular, la resolución de una dirección de memoria, es decir, la unidad más pequeña que puede designarse mediante una dirección, suele ser la palabra. En este enfoque, denominado máquina direccionable por palabras , los valores de dirección que difieren en uno designan palabras de memoria adyacentes. Esto es natural en máquinas que casi siempre trabajan con unidades de palabra (o varias palabras), y tiene la ventaja de permitir que las instrucciones utilicen campos de tamaño mínimo para contener direcciones, lo que puede posibilitar un tamaño de instrucción menor o una mayor variedad de instrucciones.

Cuando el procesamiento de bytes representa una parte significativa de la carga de trabajo, suele ser más ventajoso utilizar el byte , en lugar de la palabra, como unidad de resolución de direcciones. Los valores de dirección que difieren en uno designan bytes adyacentes en la memoria. Esto permite direccionar directamente cualquier carácter dentro de una cadena de caracteres. Si bien también se puede direccionar una palabra, la dirección que se utilizará requiere algunos bits más que la alternativa de resolución de palabras. El tamaño de la palabra debe ser un múltiplo entero del tamaño del carácter en esta organización. Este método de direccionamiento se utilizó en el IBM 360 y ha sido el más común en las máquinas diseñadas desde entonces.

Cuando la carga de trabajo implica procesar campos de diferentes tamaños, puede ser ventajoso direccionar a nivel de bit. Las máquinas con direccionamiento de bits pueden tener algunas instrucciones que utilizan un tamaño de byte definido por el programador y otras que operan con tamaños de datos fijos. Por ejemplo, en el IBM 7030 ^{[ 4 ]} ("Stretch"), una instrucción de punto flotante solo puede direccionar palabras, mientras que una instrucción aritmética de enteros puede especificar una longitud de campo de 1 a 64 bits, un tamaño de byte de 1 a 8 bits y un desplazamiento del acumulador de 0 a 127 bits.

En una máquina direccionable por bytes con instrucciones de almacenamiento a almacenamiento (SS), normalmente existen instrucciones de movimiento para copiar uno o varios bytes de una ubicación arbitraria a otra. En una máquina orientada a bytes ( direccionable por bytes ) sin instrucciones SS, mover un solo byte de una ubicación arbitraria a otra suele ser:

CARGAR el byte fuente
Almacenar el resultado de nuevo en el byte de destino.

En una máquina orientada a palabras, se puede acceder a bytes individuales de dos maneras. Los bytes se pueden manipular mediante una combinación de operaciones de desplazamiento y máscara en los registros. Mover un solo byte de una ubicación arbitraria a otra puede requerir el equivalente a lo siguiente:

CARGAR la palabra que contiene el byte de origen
DESPLAZAR la palabra de origen para alinear el byte deseado con la posición correcta en la palabra de destino.
Y la palabra fuente con una máscara para poner a cero todos los bits excepto los deseados.
CARGAR la palabra que contiene el byte de destino
Y la palabra objetivo con una máscara para poner a cero el byte objetivo.
O los registros que contienen las palabras de origen y destino para insertar el byte de origen.
GUARDE el resultado de nuevo en la ubicación de destino.

Como alternativa, muchas máquinas orientadas a palabras implementan operaciones con bytes mediante instrucciones que utilizan punteros de byte especiales en registros o memoria. Por ejemplo, el puntero de byte del PDP-10 contenía el tamaño del byte en bits (lo que permitía acceder a bytes de diferentes tamaños), la posición del byte dentro de la palabra y la dirección de palabra de los datos. Las instrucciones podían ajustar automáticamente el puntero al siguiente byte en operaciones como la de carga y almacenamiento.

Potencias de dos

Se utilizan distintas cantidades de memoria para almacenar datos con diferentes grados de precisión. Los tamaños más comunes suelen ser múltiplos de dos de la unidad de resolución de direcciones (byte o palabra). Convertir el índice de un elemento en una matriz a su desplazamiento de dirección de memoria requiere entonces solo una operación de desplazamiento , en lugar de una multiplicación. En algunos casos, esta relación también permite evitar el uso de operaciones de división. Por consiguiente, la mayoría de los diseños informáticos modernos utilizan tamaños de palabra (y otros tamaños de operando) que son múltiplos de dos del tamaño de un byte.

La documentación de ordenadores antiguos con tamaño de palabra fijo suele indicar el tamaño de la memoria en palabras en lugar de bytes o caracteres. A veces, la documentación utiliza prefijos métricos correctamente, a veces con redondeo, por ejemplo, 65 kilopalabras (kW) significa 65536 palabras, y a veces los utiliza incorrectamente, donde kilopalabras (kW) significa 1024 palabras (2 ¹⁰ ) y megapalabras (MW) significa 1.048.576 palabras (2 ²⁰ ). Con la estandarización de bytes de 8 bits y direccionamiento por bytes, indicar el tamaño de la memoria en bytes, kilobytes y megabytes con potencias de 1024 en lugar de 1000 se ha convertido en la norma, aunque todavía se utilizan los prefijos binarios IEC .

Tamaño de las familias

A medida que los diseños de computadoras se han vuelto más complejos, la importancia de un tamaño de palabra único para una arquitectura ha disminuido. Si bien el hardware más potente puede usar una mayor variedad de tamaños de datos, las fuerzas del mercado presionan para mantener la retrocompatibilidad al tiempo que se amplía la capacidad del procesador. Como resultado, lo que podría haber sido el tamaño de palabra central en un diseño nuevo debe coexistir como un tamaño alternativo al tamaño de palabra original en un diseño retrocompatible. El tamaño de palabra original permanece disponible en diseños futuros, formando la base de una familia de tamaños.

A mediados de la década de 1970, DEC diseñó el VAX como sucesor de 32 bits del PDP-11 de 16 bits . Utilizaron el término "word" para referirse a una cantidad de 16 bits, mientras que "longword" se refería a una cantidad de 32 bits; esta terminología es la misma que la utilizada para el PDP-11. Esto contrastaba con las máquinas anteriores, donde la unidad natural de direccionamiento de memoria se denominaba " word" , mientras que una cantidad equivalente a media palabra se denominaba "halfword" . De acuerdo con este esquema, una "quadword" del VAX es de 64 bits. Continuaron con esta terminología de "word" de 16 bits, "longword" de 32 bits y "quadword" de 64 bits en el Alpha de 64 bits .

Otro ejemplo es la familia x86 , de la cual se han lanzado procesadores con tres longitudes de palabra diferentes (16 bits, posteriormente 32 y 64 bits), mientras que "word" continúa designando una cantidad de 16 bits. A medida que el software se porta rutinariamente de una longitud de palabra a otra, algunas API y documentación definen o hacen referencia a una longitud de palabra anterior (y por lo tanto más corta) que la longitud de palabra completa en la CPU para la que se puede compilar el software. Además, de forma similar a como se usan los bytes para números pequeños en muchos programas, se puede usar una palabra más corta (16 o 32 bits) en contextos donde no se necesita el rango de una palabra más amplia (especialmente cuando esto puede ahorrar un espacio considerable en la pila o en la memoria caché). Por ejemplo, la API de Windows de Microsoft mantiene la definición del lenguaje de programación WORD como 16 bits, a pesar de que la API se puede usar en un procesador x86 de 32 o 64 bits, donde el tamaño de palabra estándar sería de 32 o 64 bits, respectivamente. Las estructuras de datos que contienen palabras de tamaños diferentes se refieren a ellas como:

PALABRA (16 bits/2 bytes)
DWORD (32 bits/4 bytes)
QWORD (64 bits/8 bytes)

Un fenómeno similar se ha desarrollado en el lenguaje ensamblador x86 de Intel : debido a la compatibilidad con varios tamaños (y retrocompatibilidad) en el conjunto de instrucciones, algunos mnemónicos de instrucciones llevan identificadores "d" o "q" que denotan "doble-", "cuádruple-" o "doble-cuádruple-", que se refieren al tamaño de palabra original de 16 bits de la arquitectura.

Un ejemplo con un tamaño de palabra diferente es la familia IBM System/360 . En las arquitecturas System/360 , System/370 y System/390 , existen bytes de 8 bits, medias palabras de 16 bits , palabras de 32 bits y dobles palabras de 64 bits . La arquitectura z/Architecture , que es el miembro de 64 bits de esa familia de arquitecturas, continúa haciendo referencia a medias palabras de 16 bits, palabras de 32 bits y dobles palabras de 64 bits, y además incluye cuádruples palabras de 128 bits .

En general, los nuevos procesadores deben usar las mismas longitudes de palabra de datos y anchos de dirección virtual que un procesador antiguo para tener compatibilidad binaria con ese procesador antiguo.

A menudo, el código fuente cuidadosamente escrito , teniendo en cuenta la compatibilidad del código fuente y la portabilidad del software , puede recompilarse para ejecutarse en una variedad de procesadores, incluso en aquellos con diferentes longitudes de palabra de datos o diferentes anchos de dirección, o ambas cosas.

Tabla de tamaños de palabras

Véase también

Sílaba : tamaño de datos específico de la plataforma utilizado para algunos dispositivos de hardware digital históricos.

Notas

↑ Muchas de las primeras computadoras eran decimales , y algunas eran ternarias.
↑ El UNIVAC 1005 direcciona el núcleo utilizando códigos Gray de 5 bitspara filas y columnas.
↑ El equivalente de bits se calcula tomando la cantidad de entropía de información proporcionada por el trit, que es $\log _{2}(3)$ Esto da un equivalente de aproximadamente 9.51 bits para 6 trits.
↑ Señal de tres estados
↑ IMP-16 admite instrucciones de dos palabras solo si está instalado el conjunto de instrucciones extendido CROM II.
↑ Los bytes no son compatibles con el conjunto de instrucciones básicas IMP-16. Los bytes solo son compatibles si está instalado el conjunto de instrucciones extendidas CROM II. Incluso con CROM II, no se admiten las escrituras de memoria de tamaño de byte.
↑ Aunque z/Architecture es una arquitectura inherentemente de 64 bits, el término palabra todavía se refiere a una cantidad de 32 bits. Sin embargo, en esta tabla los tamaños se tratan como si una palabra fuera64 bits .

Referencias

1 2 Beebe, Nelson HF (22 de agosto de 2017). «Capítulo I. Aritmética de enteros». The Mathematical-Function Computation Handbook - Programming Using the MathCW Portable Software Library (1.ª ed.). Salt Lake City, UT, EE. UU.: Springer International Publishing AG . p. 970. doi : 10.1007/978-3-319-64110-2 . ISBN 978-3-319-64109-6. LCCN 2017947446 . S2CID 30244721 .
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[1] Muchas de las primeras computadoras eran decimales , y algunas eran ternarias.

[5] El UNIVAC 1005 direcciona el núcleo utilizando códigos Gray de 5 bitspara filas y columnas.

[11] El equivalente de bits se calcula tomando la cantidad de entropía de información proporcionada por el trit, que es $\log _{2}(3)$ Esto da un equivalente de aproximadamente 9.51 bits para 6 trits.

[12] Señal de tres estados

[13] IMP-16 admite instrucciones de dos palabras solo si está instalado el conjunto de instrucciones extendido CROM II.

[14] Los bytes no son compatibles con el conjunto de instrucciones básicas IMP-16. Los bytes solo son compatibles si está instalado el conjunto de instrucciones extendidas CROM II. Incluso con CROM II, no se admiten las escrituras de memoria de tamaño de byte.

[15] Aunque z/Architecture es una arquitectura inherentemente de 64 bits, el término palabra todavía se refiere a una cantidad de 32 bits. Sin embargo, en esta tabla los tamaños se tratan como si una palabra fuera64 bits .

[Beebe_2017-2] 1 2 Beebe, Nelson HF (22 de agosto de 2017). «Capítulo I. Aritmética de enteros». The Mathematical-Function Computation Handbook - Programming Using the MathCW Portable Software Library (1.ª ed.). Salt Lake City, UT, EE. UU.: Springer International Publishing AG . p. 970. doi : 10.1007/978-3-319-64110-2 . ISBN 978-3-319-64109-6. LCCN 2017947446 . S2CID 30244721 .

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[6] "Formato" (PDF) . Manual de referencia del sistema de procesamiento de datos 7030 (PDF) . IBM. Agosto de 1961. págs. 50–57 . Consultado el 15 de diciembre de 2021 .

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siempre designan unidades de memoria sucesivas ; esta unidad es la unidad de resolución de direcciones. En la mayoría de las computadoras, la unidad es un carácter (por ejemplo ,

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