Arquitectura de Computadoras

Arquitectura de Computadoras1 ArquitecturasVon NeumannHarvardOtras (Multiprocesador, Sistemas distribuidos)

2Corresponde a la estructura, organizacin, e interconexin de las diversas partes de un computadorArquitectura de ComputadoresArquitectura del set de instruccionesCantidad de instruccionesTamao de las instruccionesManeras de acceder a memoria

Organizacin funcionalRegistrosInterconexin entre los componentesMecansmos de Entrada/Salida (I/O)Jerarquas de memoriaEstructura:EstructuranControlanFuncionan

Organizacin:AgrupanSincronizan (sncronos o asncronos)

Interconexin:ComunicanConectan (buses o lneas dedicadas)

Todo esto enfocado en que el computador haga lo que tiene que hacer (siguiente slide)3Que hace un computador.Almacenar Datos (leer - escribir).Almacenar Programas.Ejecutar operaciones sobre datos.Ejecutar algoritmos.Recibir nuevos datos.Entregar resultados.4John von Neumann (se pronuncia fon noiman)(28 de diciembre de 1903 - 8 de febrero de 1957)

Fue un matemtico hngaro-estadounidense, de ascendencia juda.

Fue pionero de la computadora digital moderna y de la aplicacin de la teora operadora a la mecnica cuntica.

Particip del Proyecto Manhattan

Teora de conjuntosTeora ergdigaTeora de juegosEconomaEstadsticaGeometraAnlisis numricoMecnica cunticaCiencia de la ComputacinContribuy en el desarrollo de los mtodos de MonteCarlo5Trabaj con Eckert y Mauchly en la Universidad de Pennsylvania, donde public un artculo acerca del almacenamiento de programas.

El concepto de programa almacenado permiti la lectura de un programa directamente desde la memoria del computador, as como la ejecucin de las instrucciones del mismo sin necesidad de un medio externo (cinta).

(Tomado de Wikipedia: John von Neumann)

ENVIAC y despus ENIACInstrucciones y datos en el mismo espacio de direccionamientoAntes del programa almacenado las instrucciones estaban en cintas6Arquitectura Von Neumann John von Neumann propuso una manera de estructurar un computador.

Almacenar Datos (leer - escribir).Almacenar Programas.Ejecutar operaciones sobre datos.Ejecutar algoritmos.Recibir nuevos datos.Entregar resultados.

CPUMemoriaInput/Output7Arquitectura Von Neumann

Arquitectura Von Neumann CPU, Memoria e I/O se comunican a travs de Buses

I/OMemoriaAddress BusControlCPUControlData BusExplicitar que datos e instrucciones estn almacenados en la misma memoriaExplicar:Qu es una CPUel cerebro del computadorquien procesa las instruccionesquien se encarga de orquestar, dirigir y controlar todo lo que pasa en un computadorQu es IOla forma como el computador interacta con el exteriorsimil a nuestro sistema sensorial y motrizQu son los busesel medio a travs del cual viaja la informacin entre componentes dentro de un computadorsistema nervioso9ARQUITECTURA VON NEUMANNComputadores digitales fue establecida en 1945 por Von Neumann.Este tipo de arquitectura consta de los siguientes bloques:Memoria principalUnidad aritmtico-lgicaUnidad de controlUnidad de entrada/salidaBusesMEMORIA PRINCIPALSe emplea para almacenar datos o instrucciones. Cada celda est compuesta de un nmero de bits que nos da el ancho de palabra de la memoria.

UNIDAD ARITMTICO-LGICAPermite realizar las operaciones elementales (AND, OR, NAND, NOR, suma, resta, etc.). Estas operaciones las realiza con datos procedentes normalmente de la memoria y los resultados parciales los almacena o no temporalmente en algunos registros que suele tener la propia unidad aritmtica. UNIDAD DE CONTROLEs la unidad que gobierna y gestiona el comportamiento de un computador.

UNIDAD DE ENTRADA/SALIDArealiza la transferencia de informacin con el exterior, con las unidades que se conocen con el nombre de perifricos.

BUSESBus de datos: circulan los datos de las operaciones que se van a efectuar. Bus de direcciones: circulan las direcciones de memoria donde se encuentra almacenado algn tipo de informacin a la que se desea acceder.Bus de control : circulan las seales de control generadas por la unidad de control para la ejecucin de las instrucciones.

Arquitectura HarvardUtiliza 2 memorias independientesDatosInstrucciones

El trmino proviene de la computadora Harvard Mark I, que almacenaba las instrucciones en cintas perforadas y los datos en interruptores. 16Explicar:Un programa tiene dos tipos de informacin: instrucciones y datos.Ejemplo en alto nivel:Datos variables de un programaInstrucciones operaciones y flujoAmbas deben se almacenadasCada uno de estos es almacenado en una memoria independienteEj. DSPs, PICs

Arquitectura HarvardVentajas de la arquitectura Harvard

Instrucciones y datos de distinto largo

Memorias de distinto tamaobits de direccionamiento distintos

Memorias con distinta tecnologa

Disminuyo el cuello de botella en el acceso a memoria

En controladores embebidos:RAM para los datosROM para las instrucciones 17Explicar:Los datos e instrucciones son manejados en base a palabras de un tamao dado (dibujar en pizarrn dos ejemplos)Qu es el cuello de botella y por qu ocurre en von NeumannArquitectura de Von NeumannVentajas de la arquitectura de von Neumann

Uso mas eficiente de la memoriaJerarqua de memoria no requiere estar dividida en 2

Ms simple arquitectnicamenteUn solo tipo de instrucciones para acceder a memoriaUn solo bus de datos y de direcciones Una misma forma de acceso a datos e instrucciones

Mayor flexibilidadtil para el sistema operativoPaginacin a discoCdigo automodificante

CPU con menos operaciones y mas flexible18Explicar:No requiero duplicar instrucciones (implementacin y codificacin)SO puede marcar pginas como de datos o instruccionesPuede mover los programas, tanto sus instrucciones como datos como bien le parezca por toda la memoria

Von Neumann vs. Harvard

ProcesadorMemoria local *ProcesadorMemoria localProcesadorMemoria localProcesadorMemoria localMemoria PrincipalI/O* Memoria Local: mantiene una copia local de una porcin de la memoria principalOtras: Multiprocesador20Ej. de uso de procesamiento paralelo:multiplicacin de matrices, clculo de FFT, etc.VentajasProcesamiento paraleloCercana entre CPUs permite altas tasas de transferencia de datos

DesventajasNo todo es paralelizable

Problemas de coherencia de memoria local con memoria principal Otras :Multiprocesador21Ej. de clculos no paralelisables:Fibonacci, factorialExplicar concepto de coherencia en la memoria:Qu pasa si un procesador modifica la memoriacmo sabe otro procesador que su memoria local est obsoleta?Cmo sabe a qu memoria ir a buscar los datos, su copia local o la principal?Otras: Sistemas DistribuidosRed de interconexinProcesadorMemoriaI/OProcesadorMemoriaI/OProcesadorMemoriaI/O22Red de interconexin

Cada nodo funciona como un computador independienteSe comunican por redDistintas topologas: estrella, anillo, etc.Otras: Sistemas Distribuidos23VentajasProcesamiento paraleloFacilidad de incorporar y quitar nodos del sistema

DesventajasNo todo es paralelizableOverhead en la transferencia de datos es considerablemente mayorProblemas de coherencia de memoriasOtras: Sistemas Distribuidos24