Arquitectura de Computadoras - Cluster...

Introducción Componentes Básicos Concurrencia y Paralelismo Ejemplos Śıntesis Lecturas Recomendadas

Arquitectura de Computadoras


Contenidos

1 IntroducciónComputadoraArquitecturaPartes de una arquitectura

2 Componentes BásicosCPUJerarqúıa de Memoria

3 Concurrencia y ParalelismoArquitecturas concurrentesArquitecturas DistribuidasMemoria compartida y Memoriadistribuida

4 EjemplosEjemplos de arquitecturasCentralizadasEjemplos de ArquitecturasDistribuidas

5 ŚıntesisDefinicionesComponentes básicosConcurrencia y paralelismo

6 Lecturas RecomendadasConceptos básicosTemas avanzados


Computadora

Una computadora puededefinirse como una máquina deestados que acepta entradas,las procesa utilizando unacolección finita y definida deinstrucciones y genera unresultado según las entradasespecificadas. ”Turing Machine”, Licencia de dominio público


Arquitectura

La arquitectura de una computadora es el modelo conceptual que describe lascaracteŕısticas de una computadora, las instrucciones que puede ejecutar y la forma enque se ejecutan.Existe una familia de arquitecturas denominada RISC (Reduced Instruction SetComputer) que define un estándar en la forma en que se representan las instrucciones:

Tamaño estándar para todas las instrucciones

Almacenamiento y recuperación de datos sólo a través de instrucciones dedicadas

Menos instrucciones más simples, operaciones más complejas se alcanzan porcomposición


Partes de una arquitectura

En la actualidad toda computadora cuenta con dos componentes principales:

Unidad Central de Procesamiento o CPU

Jerarqúıa de Memoria

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

Procesamiento gráfico

Gestión y sincronización de audio

Control de almacenamientos especializados

Comunicación con dispositivos externos

Entre otros


Componentes Básicos.


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 básicas que puede ejecutar la computadora.Unidad Aritmético-Lógica (ALU): Se encarga de ejecutar instrucciones especialesaritméticas que son muy complejas para el conjunto de instrucciones del CIRegistros: El CI está conectado a una estructura de almacenamiento organizada enRegistros, cada registro puede almacenar una instrucción o un dato de máximo(según la tecnoloǵıa actual) 64 bits de tamaño.


CPU

Ciclo del CPU:1 Fetch: Recuperar

instrucción2 Decode: Identificar

instrucción3 Execute: Coordinar la

ejecución4 Return: Regresar a (1)

Diagrama de ejecución deprocesador MIPS.

Pipeline MIPS, Licencia de dominio público.


CPU

El CI puede ejecutar hasta cuatro* instrucciones ala vez, cada una en etapas distintas del ciclo deprocesamiento.

El reloj interno del CI marca un ciclo cada vez quese termina la etapa más lenta y permite al ciclo deprocesamiento avanzar.

Las instrucciones de ALU son más lentas y por logeneral requieren más de un ciclo para ejecutarse.

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

Vista inferior delPentium IV por EricGaba. cba


Jerarqúıa de memoria

Almacenamientos Primarios

1 Registros: Directo al CPU

2 Caché L1: Memoria de trabajo

3 Caché L2: Memoria de trabajo

4 RAM: Memoria Principal

Almacenamientos Secundarios

5 Medios Magnéticos

Medios Ópticos

Medios SemiconductoresCNCA cba


Concurrencia y Paralelismo.


Concurrencia y Paralelismo

Un procesador con un único CI puede recuperar (Fetch) solo una instrucción porcada ciclo de reloj.

Si se define un proceso como un conjunto finito de instrucciones secuenciales, esteprocesador puede correr sólo un proceso a la vez.

Existen dos estrategias, no excluyentes entre śı, para que un procesador puedaejecutar múltiples procesos a la vez:

Arquitectura Multihilo

Un mismo CI puede corrervarios procesos alternando lasinstrucciones que loscomponen.

Arquitectura Multinúcleo

Un mismo procesador puedetener múltiples CI, cada unocon sus propios ALU, Registrosy parte de la Caché.


Arquitecturas Distribuidas

Las arquitecturas multinúcleo y multihilo permiten ejecutar múltiples instruccionesutilizando una misma jerarqúıa de memoria.

Al trabajar con un procesador multinúcleo, la cantidad de procesos paralelos quese pueden ejecutar está limitada por las especificaciones de la CPU.

En la actualidad la mayoŕıa de computadoras personales y servidores utilizan estetipo de arquitectura.

Existen arquitecturas que permiten conectar múltiples CPUs, aumentando lacantidad de procesos paralelos según las necesidades del usuario.


Multiprocesamiento Simétrico - SMP

Acceso Uniforme a Memoria(UMA)

Caché compartida

No requieresincronización.

CNCA cba

Acceso No Uniforme aMemoria (NUMA)

Caché independiente

Escritura debesincronizarse

CNCA cba


Multiprocesamiento Asimétrico - AMP

Espacio de direcciones distribuido

Lectura de memoria remota requierecomunicación (e.j. red)

Sólo puede ser NUMA

Escalable

CNCA cba


Ejemplos de Arquitecturas.


Ejemplos de arquitecturas

En la actualidad existen varios ejemplos prácticos de casi todas las arquitecturasexpuestas.

A continuación se enumeran algunos partiendo de los más básico hasta lo máscomplejo.


Dispositivos Móviles

Mononúcleo-Monohilo.

La memoria principal y el almacenamiento secundario son compartidos.

Puede extenderse el almacenamiento secundario con unidades flash.

Rendimiento muy bajo.

Requieren espacio ḿınimo, de bolsillo.

Muy bajo costo.


Dispositivos Móviles

Smartphones por Phillip Wilson cbd

Imágenes en dispositivos móviles - Tablets porRaHuL Rodriguez cba


Computadoras Portátiles (NetBooks)

Mononúcleo-Multihilo.

La memoria principal es escalable.

El almacenamiento secundario es disco duro.

Rendimiento bajo.

Requieren muy poco espacio.

Muy bajo costo.


Computadoras Portátiles (NetBooks)

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


Computadoras de escritorio / Estaciones de Trabajo

Multinúcleo-Multihilo.

SMP.

La memoria principal y el almacenamiento secundario son escalables.

Tienen rendimiento medio.

Requieren más espacio para albergar los componentes, intercambian escalabilidadpor portabilidad.

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


Estaciones de Trabajo

Laptop - Anónimo zDesktop por EroticDesktops cba


Servidor

Multinúcleo-Multihilo

SMP y AMP

Equipos de procesamiento intensivo, atienden múltiples solicitudes al mismotiempo.

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

Mediano consumo de enerǵıa, y soporte de corriente ininterrumpido.

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

Mediano costo.


Servidor

Dell Power Edge Servers - Anónimo p

Server - Anónimo z


Cluster

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

Sistemas h́ıbridos AMP-SMP

Altamente escalables.

Su administración es compleja y requiere conocimientos técnicos avanzados.

Alto consumo de enerǵıa, son múltiples equipos con corriente ininterrumpida.

Alto costo.

Alto rendimiento.

Requieren mucho espacio.


Cluster

US NASA Columbia por Nuno Tavares p

Titan render - OakRidge p


Malla

Sistemas distribuidos de amplio propósito.

Se comportan como un cluster, pero su composición es más heterogénea.

Muy alto consumo de enerǵıa.

Alto costo.

Alto rendimiento.

Su administración es muy compleja ya que requiere mucha mediación y control decontingencias.

Requieren mucho espacio.

Por su naturaleza distribuida, en una malla t́ıpicamente se distribuyen los costos,el consumo de enerǵıa y el espacio requerido entre varias entidades.

Más que escalables, una malla suele ser dinámica, debe permitir agregar o separarnodos del sistema.


Malla

Sistema grid p


Enjambre

Sistemas distribuidos de bajo costo.

Utilizan múltiples equipos heterogéneos, no dedicados, de múltiples clientesvoluntarios.

Los equipos están comunicados por medio red.

El rendimiento depende de la disponibilidad de recursos de sus nodos, al no serequipos dedicados no pueden suministrar el total de la capacidad al sistema.

Su administración debe tolerar muchas contingencias y la calendarización detrabajos es más compleja que en los modelos anteriores.

Altamente dinámicos.

Ejemplo: SETI@HOME


Enjambre

Network por gr8effect z


Nube

Sistemas distribuidos de uso distribuido.

Los modelos anteriores ponen a disposición múltiples recursos para un sólo usuario,la nube conecta múltiples recursos a múltiples usuarios de forma transparente.

El usuario desconoce las caracteŕısticas del sistema, el sistema cuenta conplataformas de mediación que se encargan de brindar los recursos al usuario sinimportar las condiciones del equipo.

Son fáciles de escalar, requieren mucho mantenimiento.

Muy alto costo, consumo energético y espacio.

Ejemplos: Office 365, Dropbox, Google Drive.


Śıntesis.


Definiciones

Computadora:

Máquina de estados

Procesa datos a través de instrucciones

Instrucciones son finitas y predefinidas

Arquitectura:

Modelo conceptual

Define las instrucciones

Caracterización de las capacidades de una computadora


Componentes básicos

Unidad de Procesamiento Central:

CI: Ejecuta instrucciones básicas

ALU: Ejecuta operaciones aritméticas más complejas

Registros: Único acceso a datos desde el CI.

Jerarqúıa de Memoria:1 Almacenamiento Primario (Transiente):

1 Caché L1 y L2 (Memoria de trabajo)2 Memoria RAM

2 Almacenamiento secundario (Persistente):

Disco DuroCDsFlashetc...


Concurrencia y paralelismo

Multihilo: Varios procesos, un CI

Multinúcleo: Varios CI, una jerarqúıa de memoria

Distribuido: Varios CPU, varias jerarqúıas de memoria

UMA: Acceso coordinado a memoria, no requiere sincronización

NUMA: Acceso independiente a memoria, pueden ocurrir inconsistencias

SMP: CPUs idénticas, fácilmente intercambiables

AMP: CPUs asimétricas, es posible escalar


Lecturas Recomendadas.


Arquitectura de computadoras

Arquitectura decomputadoras por M.Morris Mano.

Arquitectura decomputadoras enWikipedia.

MIPS y RISC enWikipedia.

http://es.wikipedia.org/wiki/Arquitectura_de_computadorashttp://es.wikipedia.org/wiki/Arquitectura_de_computadorashttp://es.wikipedia.org/wiki/Arquitectura_de_computadorashttp://es.wikipedia.org/wiki/MIPS_(procesador)http://es.wikipedia.org/wiki/Reduced_instruction_set_computing


Enlaces a temas espećıficos en Wikipedia

SMP

AMP

UMA

NUMA

http://en.wikipedia.org/wiki/Symmetric_multiprocessinghttp://en.wikipedia.org/wiki/Asymmetric_multiprocessinghttp://en.wikipedia.org/wiki/Uniform_memory_accesshttp://en.wikipedia.org/wiki/Non-uniform_memory_access

IntroducciónComputadoraArquitecturaPartes de una arquitectura

Componentes BásicosCPUJerarquía de Memoria

Concurrencia y ParalelismoArquitecturas concurrentesArquitecturas DistribuidasMemoria compartida y Memoria distribuida

EjemplosEjemplos de arquitecturas CentralizadasEjemplos de Arquitecturas Distribuidas

SíntesisDefinicionesComponentes básicosConcurrencia y paralelismo

Lecturas RecomendadasConceptos básicosTemas avanzados

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