Arquitectura Clasica y Moderna

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



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.



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 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.



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.



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.



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



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.



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.

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