Modelos de -arquitectura de Computo 2.pptx
- 1. 1.1 Modelos de arquitecturas de cómputo. 1.1.1 Clásicas. 1.1.2 Segmentadas. 1.1.3 De multiprocesamiento INTEGRANTES SANTOS AMORES JUAN MANUEL - 21321206 SALDAÑ SALMERÓN BRAYAN ALEXIS – 21321192 Vélez Bello Omar – 21321254 Castañeda Molina Fernando – 21320962 Dillanes Cuevas Uciel Antonio - 21320992
- 2. 1.1.1 Clásicas. Estas arquitecturas se desarrollaron en las primeras computadoras electromecánicas y de tubos de vacío. Aun son usadas en procesadores empotrados de gama baja y son la base de la mayoría de las arquitecturas modernas. Existen dos modelos que sobresalen en este tipo de arquitecturas: • Von Newman • Harvard
- 3. Arquitectura Von Newman Esta describe una arquitectura de diseño para un computador digital electrónico con partes que constan de una unidad de procesamiento que contiene una unidad aritmético lógica y registros del procesador, una unidad de control que contiene un registro de instrucciones y un contador de programa, una memoria para almacenar tanto datos como instrucciones, almacenamiento masivo externo, y mecanismos de entrada y salida. Ejemplos del modelo de Von Newman
- 4. Esta arquitectura se basa en dos conceptos básicos: 1) Utilizan sistemas binarios: Simplifica la electrónica y da mayor inmunidad al ruido. 2) Almacena la secuencia de programa en memoria: Da mayor velocidad para procesar información. La principal desventaja de esta arquitectura, es que el bus de datos y direcciones único se convierte en un cuello de botella por el cual debe pasar toda la información que se lee de o se escribe a la memoria, obligando a que todos los accesos a esta sean secuenciales. Esto limita el grado de paralelismo (acciones que se pueden realizar al mismo tiempo) y por lo tanto, el desempeño de la computadora. Este efecto se conoce como el cuello de botella de Von Newman.
- 5. En esta figura se puede observar claramente la afirmación anterior, ya que tiene un único bus, surge el famoso cuello de botella.
- 6. Mas a detalle, el procesador se subdivide en una unidad de control (C.U.), una unidad lógica aritmética (A.L.U.) y una serie de registros. Los registros sirven para almacenar internamente datos y estado del procesador. La unidad aritmética lógica proporciona la capacidad de realizar operaciones aritméticas y lógicas. La unidad de control genera las señales de control para leer el código de las instrucciones, decodificarlas y hacer que la ALU las ejecute. Y también se implemento una mejora en los buses ya que se subdividieron en tres categorías diferentes; - Bus de control: Líneas desde donde y hacia donde va dirigida la información y la secuencia de transferencia. - Bus de datos: Líneas por donde fluye información entre distintas partes de la computadora y es bidireccional. - Bus de direcciones: Líneas que permiten seleccionar la localidad de memoria y dirección a los puertos de E/S.
- 7. Aquí esta ejemplificado, como fueron re-definidos los buses para solucionar el problema de saturación de datos.
- 8. Características • Usa una única memoria para datos e instrucciones. • Las instrucciones y los datos viajan por el mismo bus de comunicación. • Procesamiento secuencial, ejecutando una instrucción a la vez. • Fácil de programar y económica en hardware. • Presenta el cuello de botella de Von Neumann, ya que el procesador debe esperar para acceder a datos e instrucciones. • Riesgo de sobrescritura de código al tratar datos e instrucciones en la misma memoria.
- 9. Ventajas: Diseño más simple y económico → Al utilizar una única memoria para datos e instrucciones, el hardware es más fácil de diseñar y construir. Flexibilidad en la programación → Permite modificar los programas almacenados en memoria sin cambios en el hardware. Uso eficiente de la memoria → Como todo está en un solo espacio de memoria, no hay desperdicio de almacenamiento entre datos e instrucciones. Desventajas: Cuello de botella de Von Neumann → El procesador debe acceder a la memoria para obtener tanto instrucciones como datos, lo que ralentiza el sistema. Riesgo de sobrescribir código → Como los datos y las instrucciones están en la misma memoria, un error en el código podría modificar accidentalmente las instrucciones del programa. Menor velocidad en comparación con Harvard → Debido a la competencia entre instrucciones y datos por el mismo bus de memoria. Ventajas y Desventajas
- 10. Arquitectura Harvard Esta arquitectura surgió en la universidad del mismo nombre, poco después de que la arquitectura Von Newman apareciera en la universidad de Princeton. Al igual que en la arquitectura Von Newman, el programa se almacena como un código numérico en la memoria, pero no en el mismo espacio de memoria ni en el mismo formato que los datos. Por ejemplo, se pueden almacenar las instrucciones en doce bits en la memoria de programa, mientras los datos de almacenan en 8 bits en una memoria aparte. Este es el diagrama de bloques de la Arquitectura Harvard.
- 11. El hecho de tener un bus separado para el programa y otro para los datos permite que se lea el código de operación de una instrucción, al mismo tiempo se lee de la memoria de datos los operados de la instrucción previa. Así se evita el problema del cuello de botella de Von Newman y se obtiene un mejor desempeño. En la actualidad la mayoría de los procesadores modernos se conectan al exterior de manera similar a a la arquitectura Von Newman, con un banco de memoria masivo único, pero internamente incluyen varios niveles de memoria cache con bancos separados en cache de programa y cache de datos, buscando un mejor desempeño sin perder la versatilidad.
- 12. Caracteristicas • Usa memorias separadas para datos e instrucciones. • Permite el acceso simultáneo a datos e instrucciones, mejorando el rendimiento. • Mayor seguridad, evitando que los datos sobrescriban el código del programa. • Usada en microcontroladores, DSP (Procesadores de Señal Digital) y sistemas embebidos. • Mayor complejidad en el diseño y mayor costo. • Puede haber desperdicio de memoria, ya que las áreas para datos e instrucciones no se pueden compartir.
- 13. Ventajas: Mayor velocidad de procesamiento → Se pueden acceder a instrucciones y datos al mismo tiempo gracias a memorias separadas, evitando el cuello de botella. Mayor seguridad y estabilidad → Al separar las instrucciones de los datos, se reduce el riesgo de que un error en la memoria modifique el código del programa. Optimización en el uso de caché → Se pueden tener cachés independientes para datos e instrucciones, mejorando el rendimiento. Desventajas: Mayor complejidad y costo → Requiere dos conjuntos de buses y memorias separadas, lo que aumenta la dificultad en el diseño y el consumo de recursos. Menos flexibilidad en la gestión de memoria → No permite reutilizar la memoria destinada a instrucciones para almacenar datos, lo que puede generar desperdicio. Mayor consumo de energía → Al requerir más hardware para la separación de memorias y buses, el consumo energético es mayor. Ventajas y Desventajas
- 14. 1.1.2 Arquitectura Segmentadas Las arquitecturas segmentadas o con segmentación del cauce buscan mejorar el desempeño realizando paralelamente varias etapas del ciclo de instrucción al mismo tiempo. El procesador se divide en varias unidades funcionales independientes y se dividen entre ellas el procesamiento de las instrucciones. Para comprender mejor esto, supongamos que un procesador simple tiene un ciclo de instrucción sencillo consistente solamente en una etapa de búsqueda del código de instrucción y en otra etapa de ejecución de la instrucción. En un procesador sin segmentación del cauce, las dos etapas se realizarían de manera secuencial para cada una de la instrucciones. Búsqueda y ejecución en secuencia de tres instrucciones en un procesador sin segmentación del cause.
- 15. En un procesador con segmentación del cause, cada una de estas etapas se asigna a una unidad funcional diferente, la búsqueda a la unidad de búsqueda y la ejecución a la unidad de ejecución. Estas unidades pueden trabajar en forma paralela en instrucciones diferentes. Estas unidades se comunican por medio de una cola de instrucciones en la que la unidad de búsqueda coloca los códigos de instrucción que leyó para que la unidad de ejecución los tome de la cola y los ejecute. Esta cola se parece a un tubo donde las instrucciones entran por un extremo y salen por el otro. De esta analogía proviene el nombre en ingles: Pipelining o entubamiento.
- 16. Completando el ejemplo anterior, en un procesador con segmentación, la unidad de búsqueda comenzaría buscando el código de la primera instrucción en el primer ciclo de reloj. Durante el segundo ciclo de reloj, la unidad de búsqueda obtendría el código de la instrucción 2, mientras que la unidad de ejecución ejecuta la instrucción 1 y así sucesivamente. Búsqueda y ejecución en secuencia de tres instrucciones en un procesador con segmentación del cause.
- 17. Caracteristicas Divide el procesamiento en múltiples etapas, permitiendo que varias instrucciones se ejecuten al mismo tiempo. Usa una estructura en la que cada etapa realiza una parte del procesamiento y luego pasa la tarea a la siguiente. Permite un mayor aprovechamiento del procesador al evitar tiempos muertos entre instrucciones. Reduce el tiempo de ejecución promedio de las instrucciones. Puede presentar problemas de dependencia de datos, lo que requiere mecanismos de resolución como adelantamiento de datos o predicción de saltos. Se usa en la mayoría de los procesadores modernos para mejorar la velocidad de ejecución.
- 18. Ventajas y Desventajas Mayor rendimiento → Se pueden ejecutar varias instrucciones simultáneamente, aumentando la velocidad de procesamiento. Mejor aprovechamiento de los recursos → Cada unidad del procesador trabaja en una etapa específica sin estar inactiva. Ejecución más rápida sin aumentar la frecuencia del reloj → Reduce la necesidad de mejorar la velocidad del procesador, lo que ahorra energía. Uso eficiente en procesadores modernos → Es la base del funcionamiento de los procesadores RISC y los núcleos modernos de CPU. Ideal para ejecución en paralelo → Se puede combinar con otras técnicas como la ejecución superescalar para aumentar aún más el rendimiento.
- 19. Desventajas Dependencias entre instrucciones → Algunas instrucciones pueden necesitar datos que aún no han sido calculados, causando retrasos. Problemas con saltos y bifurcaciones → Si una instrucción de salto cambia el flujo del programa, las etapas en proceso pueden volverse inválidas y deben ser descartadas. Mayor complejidad en el diseño del hardware → Se requieren mecanismos de control adicionales para evitar conflictos y optimizar el flujo de ejecución. Dificultad en la depuración y programación → Los errores pueden ser más difíciles de detectar debido a la ejecución simultánea de instrucciones. No todas las tareas se benefician del pipelining → En algunos programas con muchas dependencias de datos o saltos frecuentes, la segmentación puede no ser eficiente.
- 20. 1.1.3 Arquitectura de Multiprocesamiento Cuando se desea incrementar el desempeño más aya de lo que permite la técnica de segmentación del cauce (limite teórico de una instrucción por ciclo de reloj), se requiere utilizar más de un procesador para la ejecución del programa de aplicación. Las CPU de multiprocesamiento se clasifican de la siguiente manera: ● SISO – (Single Instruction, Single Operand ) computadoras independientes ● SIMO – (Single Instruction, Multiple Operand ) procesadores vectoriales ● MISO – (Multiple Instruction, Single Operand ) No implementado ● MIMO – (Multiple Instruction, Multiple Operand ) sistemas SMP, Clusters Procesadores vectoriales – Son computadoras pensadas para aplicar un mismo algoritmo numérico a una serie de datos matriciales, en especial en la simulación de sistemas físicos complejos.
- 21. Caracteristicas Permite la ejecución simultánea de múltiples tareas o procesos. Usa varios procesadores que comparten memoria y recursos. Puede ser simétrico (SMP) o asimétrico (AMP), dependiendo de cómo se distribuyen las tareas. Mejora la eficiencia en sistemas que requieren alto rendimiento, como servidores y bases de datos . Puede reducir el tiempo de procesamiento en comparación con sistemas monoprocesador. Requiere técnicas avanzadas de sincronización y administración de tareas para evitar conflictos.
- 22. Ventajas y Desventajas Mayor rendimiento → Al tener varios procesadores trabajando en paralelo, se pueden ejecutar más tareas en menos tiempo. Mayor eficiencia en sistemas multitarea → Es ideal para entornos donde múltiples procesos deben ejecutarse al mismo tiempo, como servidores y bases de datos. Reducción del tiempo de respuesta → Permite que las aplicaciones respondan más rápido, especialmente en sistemas con alta demanda. Mejor tolerancia a fallos → Si un procesador falla, los demás pueden continuar operando, aumentando la confiabilidad del sistema. Aprovechamiento óptimo de recursos → Puede distribuir mejor la carga de trabajo entre los procesadores disponibles.
- 23. Desventajas Mayor complejidad en la programación → Es más difícil programar sistemas multiprocesador debido a la necesidad de sincronización y comunicación entre procesadores. Mayor consumo de energía → Al utilizar múltiples procesadores, el consumo de energía y la generación de calor aumentan. Costo más elevado → Requiere hardware más avanzado y sistemas operativos capaces de gestionar múltiples procesadores. Problemas de escalabilidad → No todos los programas pueden dividirse eficientemente entre múltiples procesadores, lo que limita la mejora en el rendimiento. Posibles cuellos de botella → Si la memoria o los buses de datos no son lo suficientemente rápidos, pueden convertirse en un punto de congestión.