PDF de programación - Arquitectura de Computadoras

Introducci´on

Componentes B´asicos

Concurrencia y Paralelismo

Ejemplos

S´ıntesis

Lecturas Recomendadas

Arquitectura de Computadoras

Introducci´on

Componentes B´asicos

Concurrencia y Paralelismo

Ejemplos

S´ıntesis

Lecturas Recomendadas

Contenidos

1

Introducci´on

Computadora
Arquitectura
Partes de una arquitectura

2 Componentes B´asicos

CPU
Jerarqu´ıa de Memoria

3 Concurrencia y Paralelismo

Arquitecturas concurrentes
Arquitecturas Distribuidas
Memoria compartida y Memoria
distribuida

4 Ejemplos

Ejemplos de arquitecturas
Centralizadas
Ejemplos de Arquitecturas
Distribuidas

5 S´ıntesis

Definiciones
Componentes b´asicos
Concurrencia y paralelismo

6 Lecturas Recomendadas

Conceptos b´asicos
Temas avanzados

Introducci´on

Componentes B´asicos

Concurrencia y Paralelismo

Ejemplos

S´ıntesis

Lecturas Recomendadas

Computadora

Una computadora puede
definirse como una m´aquina de
estados que acepta entradas,
las procesa utilizando una
colecci´on finita y definida de
instrucciones y genera un
resultado seg´un las entradas
especificadas.

”Turing Machine”, Licencia de dominio p´ublico

Introducci´on

Componentes B´asicos

Concurrencia y Paralelismo

Ejemplos

S´ıntesis

Lecturas Recomendadas

Arquitectura

La arquitectura de una computadora es el modelo conceptual que describe las
caracter´ısticas de una computadora, las instrucciones que puede ejecutar y la forma en
que se ejecutan.
Existe una familia de arquitecturas denominada RISC (Reduced Instruction Set
Computer ) que define un est´andar en la forma en que se representan las instrucciones:

Tama˜no est´andar para todas las instrucciones

Almacenamiento y recuperaci´on de datos s´olo a trav´es de instrucciones dedicadas

Menos instrucciones m´as simples, operaciones m´as complejas se alcanzan por
composici´on

Introducci´on

Componentes B´asicos

Concurrencia y Paralelismo

Ejemplos

S´ıntesis

Lecturas Recomendadas

Partes de una arquitectura

En la actualidad toda computadora cuenta con dos componentes principales:

Unidad Central de Procesamiento o CPU

Jerarqu´ıa de Memoria

Adicionalmente puede tener componentes adicionales que se encarguen de tareas
especializadas, por ejemplo:

Procesamiento gr´afico

Gesti´on y sincronizaci´on de audio

Control de almacenamientos especializados

Comunicaci´on con dispositivos externos

Entre otros

Introducci´on

Componentes B´asicos

Concurrencia y Paralelismo

Ejemplos

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Lecturas Recomendadas

Componentes B´asicos.

Introducci´on

Componentes B´asicos

Concurrencia y Paralelismo

Ejemplos

S´ıntesis

Lecturas Recomendadas

CPU

La Unidad Central de Procesamiento tiene a su vez 3 componentes principales:

Control de Instrucciones (CI): Tiene programadas, por medio de circuitos digitales,
todas las instrucciones b´asicas que puede ejecutar la computadora.
Unidad Aritm´etico-L´ogica (ALU): Se encarga de ejecutar instrucciones especiales
aritm´eticas que son muy complejas para el conjunto de instrucciones del CI
Registros: El CI est´a conectado a una estructura de almacenamiento organizada en
Registros, cada registro puede almacenar una instrucci´on o un dato de m´aximo
(seg´un la tecnolog´ıa actual) 64 bits de tama˜no.

Introducci´on

Componentes B´asicos

Concurrencia y Paralelismo

Ejemplos

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Lecturas Recomendadas

CPU

Ciclo del CPU:

1 Fetch: Recuperar

instrucci´on

2 Decode: Identificar

instrucci´on

3 Execute: Coordinar la

ejecuci´on

4 Return: Regresar a (1)

Diagrama de ejecuci´on de

procesador MIPS.

Pipeline MIPS, Licencia de dominio p´ublico.

Introducci´on

Componentes B´asicos

Concurrencia y Paralelismo

Ejemplos

S´ıntesis

Lecturas Recomendadas

CPU

El CI puede ejecutar hasta cuatro* instrucciones a
la vez, cada una en etapas distintas del ciclo de
procesamiento.

El reloj interno del CI marca un ciclo cada vez que
se termina la etapa m´as lenta y permite al ciclo de
procesamiento avanzar.

Las instrucciones de ALU son m´as lentas y por lo
general requieren m´as de un ciclo para ejecutarse.

La velocidad de una CPU se mide en cantidad de
ciclos de reloj por segundo, esta frecuencia se
representa en Hertz (Hz, MHz, GHz).

Vista inferior del
Pentium IV por Eric
Gaba. c b a

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Componentes B´asicos

Concurrencia y Paralelismo

Ejemplos

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Lecturas Recomendadas

Jerarqu´ıa de memoria

Almacenamientos Primarios

1 Registros: Directo al CPU

2 Cach´e L1: Memoria de trabajo

3 Cach´e L2: Memoria de trabajo

4 RAM: Memoria Principal

Almacenamientos Secundarios

5

Medios Magn´eticos
Medios ´Opticos

Medios Semiconductores

CNCA c b a

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Concurrencia y Paralelismo

Ejemplos

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Lecturas Recomendadas

Concurrencia y Paralelismo.

Introducci´on

Componentes B´asicos

Concurrencia y Paralelismo

Ejemplos

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Lecturas Recomendadas

Concurrencia y Paralelismo

Un procesador con un ´unico CI puede recuperar (Fetch) solo una instrucci´on por
cada ciclo de reloj.

Si se define un proceso como un conjunto finito de instrucciones secuenciales, este
procesador puede correr s´olo un proceso a la vez.

Existen dos estrategias, no excluyentes entre s´ı, para que un procesador pueda
ejecutar m´ultiples procesos a la vez:

Arquitectura Multihilo
Un mismo CI puede correr
varios procesos alternando las
instrucciones que los
componen.

Arquitectura Multin´ucleo
Un mismo procesador puede
tener m´ultiples CI, cada uno
con sus propios ALU, Registros
y parte de la Cach´e.

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Componentes B´asicos

Concurrencia y Paralelismo

Ejemplos

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Lecturas Recomendadas

Arquitecturas Distribuidas

Las arquitecturas multin´ucleo y multihilo permiten ejecutar m´ultiples instrucciones
utilizando una misma jerarqu´ıa de memoria.

Al trabajar con un procesador multin´ucleo, la cantidad de procesos paralelos que
se pueden ejecutar est´a limitada por las especificaciones de la CPU.

En la actualidad la mayor´ıa de computadoras personales y servidores utilizan este
tipo de arquitectura.

Existen arquitecturas que permiten conectar m´ultiples CPUs, aumentando la
cantidad de procesos paralelos seg´un las necesidades del usuario.

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Concurrencia y Paralelismo

Ejemplos

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Lecturas Recomendadas

Multiprocesamiento Sim´etrico - SMP

Acceso Uniforme a Memoria
(UMA)

Acceso No Uniforme a
Memoria (NUMA)

Cach´e compartida

No requiere
sincronizaci´on.

Cach´e independiente

Escritura debe
sincronizarse

CNCA c b a

CNCA c b a

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Concurrencia y Paralelismo

Ejemplos

S´ıntesis

Lecturas Recomendadas

Multiprocesamiento Asim´etrico - AMP

Espacio de direcciones distribuido

Lectura de memoria remota requiere
comunicaci´on (e.j. red)

S´olo puede ser NUMA

Escalable

CNCA c b a

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Concurrencia y Paralelismo

Ejemplos

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Lecturas Recomendadas

Ejemplos de Arquitecturas.

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Concurrencia y Paralelismo

Ejemplos

S´ıntesis

Lecturas Recomendadas

Ejemplos de arquitecturas

En la actualidad existen varios ejemplos pr´acticos de casi todas las arquitecturas
expuestas.

A continuaci´on se enumeran algunos partiendo de los m´as b´asico hasta lo m´as
complejo.

Introducci´on

Componentes B´asicos

Concurrencia y Paralelismo

Ejemplos

S´ıntesis

Lecturas Recomendadas

Dispositivos M´oviles

Monon´ucleo-Monohilo.

La memoria principal y el almacenamiento secundario son compartidos.

Puede extenderse el almacenamiento secundario con unidades flash.

Rendimiento muy bajo.

Requieren espacio m´ınimo, de bolsillo.

Muy bajo costo.

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Concurrencia y Paralelismo

Ejemplos

S´ıntesis

Lecturas Recomendadas

Dispositivos M´oviles

Smartphones por Phillip Wilson c b d

Im´agenes en dispositivos m´oviles - Tablets por
RaHuL Rodriguez c b a

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Componentes B´asicos

Concurrencia y Paralelismo

Ejemplos

S´ıntesis

Lecturas Recomendadas

Computadoras Port´atiles (NetBooks)

Monon´ucleo-Multihilo.

La memoria principal es escalable.

El almacenamiento secundario es disco duro.

Rendimiento bajo.

Requieren muy poco espacio.

Muy bajo costo.

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Componentes B´asicos

Concurrencia y Paralelismo

Ejemplos

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Lecturas Recomendadas

Computadoras Port´atiles (NetBooks)

HP 2133 Mini-Note PC (side) por VIA Gallery c b

Introducci´on

Componentes B´asicos

Concurrencia y Paralelismo

Ejemplos

S´ıntesis

Lecturas Recomendadas

Computadoras de escritorio / Estaciones de Trabajo

Multin´ucleo-Multihilo.

SMP.

La memoria principal y el almacenamiento secundario son escalables.

Tienen rendimiento medio.

Requieren m´as espacio para albergar los componentes, intercambian escalabilidad
por portabilidad.

Dada la escalabilidad, pueden ser de bajo a mediano costo.

Introducci´on

Componentes B´asicos

Concurrencia y Paralelismo

Ejemplos

S´ıntesis

Lecturas Recomendadas

Estaciones de Trabajo

Laptop - An´onimo z

Desktop por EroticDesktops c b a

Introducci´on

Componentes B´asicos

Concurrencia y Paralelismo

Ejemplos

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Lecturas Recomendadas

Servidor

Multin´ucleo-Multihilo

SMP y AMP

Equipos de procesamiento intensivo, atienden m´ultiples solicitudes al mismo
tiempo.

Requieren mucha memoria principal y mucho almacenamiento secundario para
procesar todas las tareas requeridas.

Mediano consumo de energ´ıa, y soporte de corriente ininterrumpido.

Tienen rendimiento medio, similar a las estaciones de trabajo, pero con mayores
capacidades de red.

Mediano costo.

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Componentes B´asicos

Concurrencia y Paralelismo

Ejemplos

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Lecturas Recomendadas

Servidor

Dell Power Edge Servers - An´onimo p

Server - An´onimo z

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Componentes B´asicos

Concurrencia y Paralelismo

Ejemplos

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Lecturas Recomendadas

Cluster

Equipos distribuidos de procesamiento intensivo. Compuesto de varios servidores
que trabajan en conjunto para resolver una tarea.

Sistemas h´ıbridos AMP-SMP

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