Arquitectura Clasica y Moderna
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Arquitectura del Computador
Bachiller Industrial Y Perito en Computación 1
Instituto Tecnológico Spencer W. Kimball
Huehuetenango, Huehuetenango.
Nombre: Miqueas Israel Sales
Catedrático: Álvaro Martínez
Tema: Arquitectura del computador
Curso:
Carrera: Perito en computación
Fecha de entrega: 13junio 2013
Arquitectura del Computador
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INTRODUCCIÓN
Las computadoras no han nacido hace poco, en realidad el hombre siempre buscó
tenerdispositivos que le ayudaran a efectuar cálculos precisos y rápidos; una breve
reseña histórica nospermitirá, comprender cómo llegamos a las computadoras actuales.
Arquitectura del Computador
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Contenido
Arquitectura de computadoras.......................................................................................................... 4
ARQUITECTURA CLASICA: ......................................................................................................... 4
ARQUITECTURA SEGMENTADAS ............................................................................................. 6
ARQUITECTURA MULTIPROCESAMIENTO (Arquitectura moderna) .................................. 6
Taxonomías o clasificación de computadoras según su arquitectura .............................................. 7
Taxonomía de Flynn ...................................................................................................................... 7
Computadores SISD ....................................................................................................................... 8
Computadores MISD ..................................................................................................................... 8
Computadores SIMD ..................................................................................................................... 8
Computadores MIMD .................................................................................................................... 9
Computadores MTMD ................................................................................................................... 9
Computadores MTMD ................................................................................................................... 9
Otras taxonomías ........................................................................................................................... 9
Arquitectura del Computador
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Arquitectura de computadoras
La arquitectura de computadoras es el diseño conceptual y la estructura operacional
fundamental de un sistema de computadora. Es decir, es un modelo y una descripción
funcional de los requerimientos y las implementaciones de diseño para varias partes de
una computadora, con especial interés en la forma en que la unidad central de proceso
(CPU) trabaja internamente y accede a las direcciones de memoria.
También suele definirse como la forma de seleccionar e interconectar componentes de
hardware para crear computadoras según los requerimientos de funcionalidad,
rendimiento y costo.
Existen tres modelos de arquitectura:
La clásica, la segmentada y la de multiprocesamiento (moderna).
ARQUITECTURA CLASICA:
El modelo clásico de arquitectura de computadoras fue diseñado por Jhon Von Newman
que consta de los siguientes elementos:
Dispositivos de entrada, de proceso, de almacenamiento y de salida
DISPOSITIVOS DE ENTRADA
Un dispositivo de entrada le permite comunicarse con una computadora .puede
utilizarlo para ingresar información y emitir comandos .el teclado, el mouse y el joystick
son ejemplos.
DISPOSITIVO SALIDA
Un dispositivo de salida le permite a una computadora comunicarse con usted. Estos
dispositivos muestran la información en una pantalla, crean copias impresas o generan
sonidos. Algunos ejemplos son el monitor, la impresora y los parlantes.
PROCESADOR
La unidad central de proceso (cpu) el chip principal de unacomputadora. Esta procesa
instrucciones, realiza cálculos y administra el flujo de informacióna través de un
sistema de computación .También se comunica con los dispositivos de entrada y salida y
almacenamiento para realizar diferentes tareas.
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ALMACENAMIENTO
El dispositivo de almacenamiento se utiliza para colocar información en medios
dealmacenamiento .La computadora emplea la información almacenada en esos medios
para realizar tareas. Algunos ejemplos de estos dispositivo son las unidades de disco
duro, disquetes, CD-ROMgrabable, cintas y dvd-rom.
MODELO DE VON NEUMANN
Las computadoras digitales actuales se ajustan al modelo propuesto por el matemático
John Von Neumann. De acuerdo con él, una característica importante de este modelo es
que tanto los datos como los programas, se almacenan en la memoria antes de ser
utilizados.
Neumann, John von (1903-1957).
Matemático húngaro nacionalizado estadounidense nacido el 3 de diciembre de 1903 en
Budapest y fallecido el 8 de febrero de 1957 en Washington, D. C.
Su verdadero nombre era Johann Von Neumann, y estudió química en la Universidad
de Berlín, y obtuvo el doctorado en Ingeniería química en la Escuela de Tecnología de
Zürich en 1926. Ese mismo año obtuvo un doctorado en Matemáticas por la Universidad
de Budapest con un trabajo sobre teoría de grupos, siguiendo un método axiomático y
en el que se da la definición de número ordinal que se acepta en la actualidad. Fue lector
en la Universidad de Berlín entre los años 1926 y 1929 y en la Universidad de
Hamburgo en 1930, época en la que centró su interés en el tratamiento de operadores
inherente a la mecánica cuántica. Durante la segunda mitad de la década de los treinta
estableció el ahora conocido como álgebra de Von Neumann, herramienta basada en los
anillos de operadores que considera las propiedades de un espacio determinado como las
resultantes de las propiedades de las distintas rotaciones que permite el grupo de
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operadores que definen dicho espacio, y que es una de las más poderosas herramientas
de análisis en teoría cuántica.
Von Neumann frente a una de las primeras computadoras.
Interesado en la década de los cincuenta en el desarrollo de las computadoras, investigó
el llamado diseño local, que se refiere a cómo obtener respuestas fiables y precisas de una
máquina que no lo es, y desarrolló métodos para obtener respuestas aleatorias de la
memoria de un ordenador. Suya es la división de un ordenador en cuatro componentes -
memoria, unidad lógica y aritmética, unidad de control y dispositivos periféricos- que
tienen todos los ordenadores en la actualidad y que se conoce como arquitectura de Von
Neumann. Fue nombrado miembro de la comisión de Energía Atómica de su país en
1955, y un año más tarde se le concedió el premio Enrico Fermi en reconocimiento a su
labor en el diseño de computadoras.
ARQUITECTURA SEGMENTADAS
Consiste en la segmentación del procesador (pipe-line), descomponiéndolo en etapas para
poder procesar una instrucción diferente en cada una de ellas y trabajar con varias a la
vez. La arquitectura en pipeline (basada en filtros) consiste en ir transformando un flujo
de datos en un proceso comprendido por varias fases secuenciales, siendo la entrada de
cada una la salida.
ARQUITECTURA MULTIPROCESAMIENTO (Arquitectura moderna)
SMP es el acrónimo de SymmetricMulti-Processing, multiproceso simétrico. Se trata de
un tipo de arquitectura de ordenadores en que dos o más procesadores comparten una
única memoria central.
Los sistemas SMP permiten que cualquier procesador trabaje en cualquier tarea sin
importar su localización en memoria; con un propicio soporte del sistema operativo,
estos sistemas pueden mover fácilmente tareas entre los procesadores para garantizar
eficientemente el trabajo.
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Una computadora SMP se compone de microprocesadores independientes que se
comunican con la memoria a través de un bus compartido. Dicho bus es un recurso de
uso común. Por tanto, debe ser arbitrado para que solamente un microprocesador lo use
en cada instante de tiempo. Si las computadoras con un solo microprocesador tienden a
gastar considerable tiempo esperando a que lleguen los datos desde la memoria, SMP
empeora esta situación, ya que hay varios parados en espera de datos.
Propone modificaciones en la arquitectura del equipo físico y mejoras y nuevas
prestaciones enel tiempo lógico. Un ejemplo en el primer aspecto es la arquitectura
Harvard, que estáespecialmente diseñada para atacar las debilidades de la arquitectura
Von Neumann, la solución, conceptualmente, es harto sencilla, se construye un
procesador que está unido a dos tipos de memoria diferentes por medio de dos buses
independientes.
La memoria de datos y la memoria de instrucciones son independientes, almacenándose
en ellas los datos y el programa, respectivamente.
Para un procesador de tipo RISC “Computador de Juego de InstruccionesReducido”, el
conjunto de instrucciones y el bus de la memoria de programa pueden diseñarse
demanera tal que todas las instrucciones tengan la misma longitud que la posición de la
memoria y lomismo con los datos. Además, como los buses de ambas memorias son
independientes, la CPUpuede estar accediendo a los datos para completar la ejecución
de una instrucción, y al mismotiempo estar leyendo la próxima instrucción a
ejecutar.Una forma de potenciar el aislamiento entre las instrucciones y los datos es la
incorporación dememorias caché ultrarápidas, que como sucede en los últimos modelos
Pentium, una se encarga deguardar los datos que va a precisar la CPU y otra las
instrucciones.
Taxonomías o clasificación de computadoras según su arquitectura
Según las diferentes arquitecturas desarrolladas pueden clasificarse los computadores de
diferentes puntos de vista. Una de las clasificaciones más extendida es la denominada
taxonomía de Flynn (1966), que se detalla a continuación.
Taxonomía de Flynn
Esta taxonomía se basa en el número de flujos de instrucciones y flujos de datos que
posee cada sistema computador. El proceso computacional consiste en la ejecución de
una secuencia de instrucciones sobreun conjunto de datos. Flujo de instrucciones es la
secuencia sobre la que opera un procesador, y el flujo de datos comprende la secuencia
de datos de entrada y los resultados parciales y totales.
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Las arquitecturas de computadores se caracterizan por el hardware que destinan a
atender a los flujos de instrucciones y datos.
Flynn propuso 4 categorias:
SISD: Simple flujo de instrucciones, simple flujo de datos.
MISD: Múltiple flujo de instrucciones, simple flujo de datos.
SIMD: Simple flujo de instrucciones, múltiple flujo de datos.
MIMD: Múltiple flujo de instrucciones, múltiple flujo de datos.
Después introdujo una quinta clasificación separada un poco de las cuatro anteriores:
MTMD: Múltiple tareas, múltiple flujo de datos.
Computadores SISD
Responden a los monoprocesadores convencionales (tipo Von Neumann) que más se
usan. Al disponer de una única Unidad de Proceso (Camino de Datos) sólo existe un
Flujo de Instrucciones y un Flujo de Datos.
Computadores MISD
Existen n Unidades de Proceso, cada una con su propia Unidad de Control y sus propias
instrucciones, pero operando sobre el mismo flujo de datos, de forma que la salida de un
procesador pasa a ser la entrada (operandos) del siguiente en el macrocauce de los datos.
Se hacen diferentes operaciones con los mismos datos. ninguna materialización real de
este tipo.
Computadores SIMD
Flujo único de instrucciones y Flujo múltiple de Datos. Sólo hay una Unidad de Control
que controla las diferentes Unidades de Proceso. Todas la Unidades de Proceso reciben
la misma instrucción, pero operan sobre los diferentes datos procedentes de la memoria
compartida. La mayoría de los computadores SIMD necesitan que exista
intercomunicación entre las Unidades de Proceso, para compartir datos y resultados
intermedios. Hay dos formas de lograrlo:
1. Memoria Compartida: Todas las Unidades de Proceso utilizan una memoria común y
cuando una quiere enviar un dato a otra, primero lo escribe en una posición que la otra
conoce y luego ésta lee dicha posición. Es como un tablón de anuncios que puede usar
todo el mundo.
2. Red de Interconexión: Las M posiciones de la memoria se reparten entre los N
procesadores a razón de M/N posiciones de memoria local para cada uno, además cada
procesador se une con los demás mediante una línea Full-Duplex de forma que en un
momento determinado un procesador puede recibir datos de otro y al mismo tiempo
mandar otros datos a un tercer procesador.
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Computadores MIMD
Este tipo de computadora se basa en el paralelismo como las SIMD, la diferencia es que
la arquitectura MIMD es asíncrona. No tiene un reloj central. Cada procesador en un
sistema MIMD puede ejecutar su propia secuencia de instrucciones y tener sus propios
datos. Esta característica es la más general y poderosa de esta clasificación.
Es una agrupación de monoprocesadores convencionales, cada uno con su Unidad de
Control, su Unidad de Proceso y su memoria local. Cada uno dispone de su Flujo de
Instrucciones y de su Flujo de Datos, trabajan en paralelo y de forma asíncrona y están
comunicados entre ellos igual que los SIMD. Usan la memoria compartida o bien la red
de interconexión.
Computadores MTMD
Estos computadores surgen como una extensión a la clasificación de Flynn, algo
restringida al contemplar la ejecución sólo a nivel de instrucciones. Múltiples Tareas con
Múltiples Flujos de Datos. Son como los computadores MIMD, la única diferencia es la
tarea que se aplica a cada Unidad
de Proceso. Estos computadores son capaces de ejecutar concurrentemente un número
determinado de tareas, cada una con su propio conjunto de datos.
Computadores MTMD
Estos computadores surgen como una extensión a la clasificación de Flynn, algo
restringida al contemplar la ejecución sólo a nivel de instrucciones. Múltiples Tareas con
Múltiples Flujos de Datos.
Son como los computadores MIMD, la única diferencia es la tarea que se aplica a cada
Unidad de Proceso. Estos computadores son capaces de ejecutar concurrentemente un
número determinado de tareas, cada una con su propio conjunto de datos.
Otras taxonomías
Existen otras taxonomías que no son tan populares como la de Flynn entre las que
destaca lataxonomía de Shore que al igual que la de Flynn, clasifica los computadores
en función del número de elementos; pero mientras que la taxonomía de Flynn pretende
clasificarlos por la organización del software (Instrucciones y Datos), la clasificación de
Shore lo hace por la estructura del hardware (Unidad de Control, Unidad de Proceso y
Memoria de Datos e Instrucciones).Por lo tanto la aparición de paralelismo dentro de
cada uno de estos componentes no se valora.
La arquitectura Shore se representa seis tipos:
1. Tipo 1: Formada por una UC (Unidad de Control) conectada a una UP (Unidad de
Proceso) y a una Memoria de Instrucciones.
2. Tipo 2: Similar a la anterior, con la salvedad de que las lecturas de memoria se
realizan de forma paralela, es decir, un bit de cada palabra por cada acceso. Así la
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unidad de proceso está preparada para realizar operaciones con los datos leídos de esta
forma.
3. Tipo 3: Es una combinación de las arquitecturas anteriores; está formada por una
memoria bidimensional a la que acceden dos UP que operan en consecuencia a la lectura
que realizan, horizontal o vertical. La UC supervisa las dos UP.
4. Tipo 4: Existen múltiples UP conectadas a una sola UC, que recibe órdenes de una
Memoria de Instrucciones. Cada UP trabaja con una Memoria local de Datos. No existe
ninguna comunicación entre ellas.
5. Tipo 5: Es similar a la anterior, pero las UP se encuentran interconectadas entre ellas,
pudiendo así la misma UP acceder a varios módulos de memoria.
6. Tipo 6: En esta arquitectura se integran la UP y la Memoria local en un solo
componente, que lógicamente estará conectado a una UC. Esta clasificación es bastante
incompleta, y queda poco determinado el tipo de paralelismo que se puede encontrar en
un sistema. Además, tampoco diferencia, por ejemplo, sistemas que implementen la
segmentación dentro de la Unidad de Proceso y/o Unidad de Control, de los que no las
utilicen.
Otra taxonomía es la “Estructural” que no se basan sólo en el paralelismo para clasificar
los computadores, sino que estudian también el modo de tratar los datos, la existencia
de segmentación y su tipo. Es una aproximación a la clasificación global y en la que
intervienen varios criterios, incluyendo la aplicación o no de técnicas de paralelismo en
distintos niveles.
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Conclusiones
Actualmente el uso de computadoras esta muy extendido en nuestras actividades
cotidianas, nos proporcionan mayor rapidez en nuestras tareas así como la posibilidad
de manejar gran cantidad de datos. Así podemos percibir como de un tiempo a esta
parte las computadoras ganan terreno en las actividades humanas, su capacidad de
cálculo, de procesar datos, generar información e incluso simular procesos las convierten
en herramientas indispensables únicamente limitadas por su propia capacidad.