Arquitectura de Computadores diseño de computadoras de alto rendimiento PDF

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resumen de computadoras de alto rendimiento en cuanto memoria y demás componentes se refiere...

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Arquitectura de Computadores Unidad Central de Proceso.

Realiza las operaciones aritméticas y lógicas, continuamente realiza un control de la memoria. Memoria. Es la capacidad de un computador para retener información. Periféricos. Dispositivos de entrada/salida conectados mediante cables a la unidad proceso, y se utiliza para enviar o recibir información. Usuarios. Persona que utiliza la información generada por el computador. Las diversas formas en que se utilizan los computadores muestran lo poderosas que pueden ser estas máquinas dependiendo del tamaño y la forma. Todos los equipos computacionales tienen los siguientes componentes: 1. Procesador. 2. Memoria. 3. Dispositivos de entrada y salida. 4. Discos de almacenamiento. 5. Programas. Los primeros cuatro componentes son los elementos físicos de la máquina comúnmente conocidos como hardware, el quinto elemento el del software, lo podemos definir como un conjunto de instrucciones escritas por programadores, que le indican al hardware que es lo que debe hacer. Aunque el hardware es capaz de realizar tareas importantes y no podría hacer ninguna de ellas sin el soporte del software. Procesador. La compleja tarea de transformar datos de entrada en información de salida, se llama procesamiento para llevar a cabo esta transformación el computador utiliza dos componentes: el procesador y la memoria. El procesador es el cerebro de la computadora es la parte que interpreta y ejecuta las instrucciones. Físicamente está formado por múltiples circuitos integrados llamados chips, los mismos que están insertados en tarjetas de circuitos que a su vez se unen a otros chips y a otra tarjeta de circuito. En los computadores personales este único chip que lo conforma se llama microprocesador, tiene la característica de ocupar espacios sumamente pequeños. En las minicomputadoras podemos encontrar varios procesadores.

Memoria. Es utilizada por el CPU para guardar información mientras trabaja con ella como una especie de hoja electrónica para realizar cálculos, estas piezas de información se representan electrónicamente en los circuitos de los chips de memoria y mientras permanezcan en memoria la computadora puede tener acceso a ellas en forma directa. Dispositivos de Entrada/Salida. Comprende todas las maneras en que una computadora se comunica con el usuario y con otras máquinas o dispositivos, sin dispositivos de entrada salida la computadora estaría aislada, el más común entre los dispositivos de entrada es el teclado que acepta letras números comandos de usuario. Se tiene adicionalmente el mouse, que permite entre otros aspectos dibujar, ejecutar comandos al oprimir uno de sus botones, otro dispositivo de entrada puede de ser el lápiz óptico digitalizadores, escáner etc. En la función de salida es presentada la información o datos procesados al usuario y los más comunes es, el monitor, la impresora, plotter. Almacenamiento. Son lugares donde se guardan los datos, que en ese momento no se está procesando, El medio más común de almacenamiento es el disco magnético, con una gran capacidad de almacenamiento. Programas. A un grupo específico de instrucciones lo llamamos programa y es lo que posibilita que una computadora realice una tarea determinada, debido a que los programas le dicen a los componentes física de una máquina lo que debe hacer Un computador sin software, no podría real ninguna tarea. Tipos de software De base (sistemas operativos. Utilitario (Office). Aplicaciones (sistema de recursos humanos, contabilidad, etc.). EL DILEMA DE LA CLASIFICACIÓN Muchas de las microcomputadoras (PC) de hoy son hasta 50 veces más poderosas que son contrapartes de luce una década Los mismos saltos tecnológicos que han hecho a las computadoras más potentes han insertado esa potencia en paquetes más y más pequeños. A continuación presentamos una forma de clasificación por su tamaño, recalcando que aqui y en cualquier otro lado es, en cierto grado, arbitraria. 1. Computadora personal. 2. Estación de trabajo (Workstation) 3. Minicomputadora. 4. Macro computadora (mainframe) 5. Supercomputadora.

1. Computadoras Personales. Los términos computadoras personales y microcomputadoras, generalmente se refiere a pequeñas computadoras que se encuentran comúnmente en oficinas, salones de clase y hogares. Vienen en todas formas y tamaños. Aunque la mayoría de los modelos se colocan en escritorios, otras se paran en el piso y algunas hasta son portátiles. Modelos de Escritorio. Es el estilo de PC más común y también el que se introdujo primero, la mayoría son lo suficientemente pequeñas para caber sobre un escritorio, pero son demasiado grandes para llevarlas consigo. Algunos, como el diseño de Macintosh son muy compactos con el monitor, el CPU, la memoria y las unidades de disco, todo en una unidad. El diseño más común es separar el monitor. Actualmente, muchos de estos modelos están siendo reemplazados por modelos de torre, que con frecuencia se colocan en el suelo para ahorrar espacio en el escritorio. Computadores Notebook. Como su nombre lo indica, se aproximan a la forma de una agenda de aproximadamente 21.59 x 27.94 cm y pueden caber fácilmente en un portafolios. Las laptop son las predecesoras de las computadoras Notebook y son ligeramente más grandes que estas, y tienen por lo común un teclado casi de tamaño normal. Tanto las Notebook y laptop por su funcionalidad, son utilizadas por personas que requieren el poder de una computadora completa donde quiera que vayan. Algunos modelos pueden conectarse a un "dock" (muelle) de una computadora de escritorio para aprovechar el monitor y el espacio de almacenamiento mayores de la máquina grande. 2. Estaciones de Trabajo. (WORK STATION). Entre las minicomputadoras las microcomputadoras (en términos de potencia de procesamiento) existe una clase de computadoras conocidas como estaciones de trabajo. Una estación de trabajo se ve como una computadora personal y generalmente es usada por una sola persona, al igual que una PC. Aunque son más poderosas que las PC promedio, la diferencia en sus capacidades es menor cada día. 3. Minicomputadoras. Es interesante notar que al principio solo había computadoras. Hasta que empezaron a salir nuevos tipos de computadoras surgió la necesidad de otros términos para poder distinguir entre los diferentes tipos. Cuando DECK (Digital Equipment Corporation) empezó a embarcar las computadoras de su serie PDP a principios de los 60, la prensa le puso el nombre de minicomputadoras, pues en comparación con otras computadoras eran más pequeñas La mejor manera de explicar las capacidades de una microcomputadora es diciendo que están en alguna parte entre las macro computadoras mainframe y las personales. Al igual que las macro computadoras pueden manejar una cantidad mucho mayor de entradas y salidas que una computadora personal. Aunque algunas minis están diseñadas para un solo usuario, muchas pueden manejar docenas e inclusive cientos de terminales Diremos que los terminales son una especie de computadora que no tienen su propio CPU a almacenamiento es decir, es solo un dispositivo de entrada salida que actúa como una ventana hacia otra computadora localizada en alguna parte.

Sus precios oscilan entre 2000 y 250.000 dólares y resultan ideales para muchas organizaciones y compañías que son relativamente baratas, pero conservan algunas de les características deseables de la mainframe. 4. Macro computadoras (mainframe). Son las computadoras de mayor tamaño en uso común están diseñadas para manejar grandes cantidades de entrada, salida y almacenamiento, atendiendo el acceso de una gran cantidad de usuarios que utilizan una terminal para ingresar y recibir información continua de grandes volúmenes (literalmente millones de registros de bases de datos) que sería imposible manejarlos en sistemas más pequeños. Los mainframe de hoy cuestan generalmente desde 200 000 hasta varios millones de dólares era usual que las computadoras mainframe ocuparan cuartos completos e incluso pisos enteros de edificios. Generalmente eran colocados dentro de edificios con vidrios sellados y aire acondicionado especial para mantenerlos a una temperatura más baja, y sobre pisos falsos para ocultar todos los cables necesarios para la conexión. 5. Supercomputadoras. Es la computadora más potente disponible en un momento dado. Están construidas para procesar enormes cantidades de información en forma muy rápida. Por ejemplo, los científicos construyen modelos de procesos complejos y simulan estos procesos en una supercomputadora (procesos de fusión nuclear). Están diseñadas especialmente para maximizar el número de FLOPS (operaciones de punto flotante por segundo). Cualquiera con desempeño por debajo del 1 gigallop's no puede considerarse una supercomputadora. Estas a fin de alcanzar tales velocidades tienen arquitecturas en paralelo y son eficientes tan solo para solucionar un rango reducido de problemas. Uno de los problemas de construir computadoras tan poderosas es la dispersión de la tremenda cantidad de calor generada por la máquina Gray uno de los principales fabricantes de supercomputadoras, resolvió este problemas usando enfriadores liquidas para sus máquinas también diseño algunas de estas con formas curvas para ayudar a las maquinas a disipar el calor generado por ciertos componentes. Clasificación de las computadoras por su funcionalidad De acuerdo a la forma en que procesan los datos se clasifican en:   

Digitales Analógicas Hibridas Analógicas

Las computadoras analógicas representan los números mediante una cantidad física es decir asignan valores numéricos por medio de la medición física de una propiedad real como la longitud de un objeto el ángulo entre dos líneas o la cantidad de voltaje que pasa a través de un punto en un circuito.

Digitales Las computadoras digitales representan los datos o unidades separadas la forma más simple de computadora digital es contar con los dedos cada dedo representa una unidad del artículo que se está contando a diferencia de la computadora analógica limitada por la precisión de las mediciones que pueden realizarse la computadora digital puede representar correctamente los datos como tantas posiciones y números que se requieran las fumadoras y las calculadoras de bolsillo son ejemplos comunes de dispositivos construidos según los principios de la computadora digital para obtener resultados las computadoras analógicas miden mientras que las computadoras digitales cuentan.

Hibridas Combinan las características más favorables de las computadoras digitales y analógicas en la velocidad de las analógicas y la precisión de las digitales generalmente se usan en problemas especiales en los que los datos que entran provienen de mediciones convertidas a dígitos y son procesados por una computadora por ejemplo las computadoras híbridas controlan el radar de la defensa de los EE.UU. y de los vuelos comerciales. Rendimiento de los computadores El rápido crecimiento en la tecnología de computadores es consecuencia de los avances de la tecnología utilizada en su construcción y de las innovaciones de los diseños en los mismos. Mientras que las mejoras tecnológicas han sido constantes en el progreso en la obtención de mejores arquitecturas no ha tenido el mismo ritmo, dos cambios significativos en el mercado de computadores han hecho más fácil el éxito comercial de las nuevas arquitecturas: En primer lugar la eliminación virtual de la programación en lenguaje ensamblador ha reducido drásticamente la necesidad de establecer la compatibilidad del código - objeto; En segundo lugar la creación de sistemas operativos estandarizados independientes de los vendedores como por ejemplo UNIX y últimamente LINUX han reducido el costo y riesgo de lanzar al mercado una nueva arquitectura. Definiciones de Rendimiento. ¿Cuándo se dice que un computador es más rápido que otro desde el punto de vista del usuario del computador? Cuando los datos procesados se realizan en menor tiempo. ¿Desde el punto de vista de un director de un centro de cómputo? Un computador es más rápido cuando completa más tareas en un período de tiempo es decir cuando existe un incremento de productividad. Tiempo de Respuesta. Es el tiempo transcurrido entre el comienzo y final de un evento; se lo llama también tiempo de ejecución o latencia

Productividad. La cantidad total de trabajo, realizada en un tiempo determinado se llama productividad, normalmente los términos tiempo de respuesta, tiempo de ejecución y productividad se utilizan cuando se está desarrollando una tarea de cálculo completa. Los términos latencia y ancho de banda (productividad) casi siempre se eligen cuando se habla de un sistema de memoria por lo general la disminución del tiempo de respuesta mejora la productividad. Al comparar alternativas de diseño con frecuencia queremos relacionar el rendimiento de 2 máquinas diferentes por ejemplo: la máquina x la máquina y: la frase x es más rápida que y s para indicar que el tiempo de respuesta o tiempo de ejecución es menor en x que en y, para una tarea dada en particular x es n porcentaje más rápida que y significa:

Te: Tiempo de ejecución Como el tiempo de ejecución es el inverso del rendimiento, incrementar el rendimiento hace de crecentar el tiempo de ejecución.

R: Rendimiento. La frase productividad de x es el 30% superior que la de y significa que el número de tareas completadas por unidad de tiempo en la máquina x es 13 veces el número de tareas completadas en la máquina y. para evitar confusiones entre los términos incrementar y decremento diremos que mejorar el rendimiento significa incremento de rendimiento y mejora el tiempo de ejecución permite decremento los tiempos de ejecución. El aumento de rendimiento que puede obtenerse al mejora alguna parte del computador puede calcularse utilizando esta ley que se basa en el siguiente principio: "La mejora obtenida en el rendimiento al utilizar algún modo de ejecución más rápida está limitada por la fracción de tiempo que puede utilizar ese modo más rápido".

O el equivalente.

La aceleración mejoradas nos indica la rapidez con que se realizará una tarea utilizando una maquina con la mejora, con respecto a la máquina original, por ejemplo aumentar memoria RAM. La ley de Amdhal, presenta una forma rápida de calcular la aceleración que depende de dos factores. 1ro. Fracción mejorada, corresponde a la fracción de tiempo de cálculo de la máquina original en que puede utilizarse para aprovechar la mejora, este valor siempre será menor o igual a 1. 2ro. Aceleración mejorada, representa la optimización lograda por el modo de ejecución mejorada es decir cuánto más rápido ejecutaría la tarea si solamente se utilizase aquel modo mejorado, este valor es el tiempo del modo original con respecto al tiempo del modo mejorado y es siempre mayor 1. El tiempo de ejecución utilizando la máquina original con el modo mejorado será el tiempo utilizando la parte no mejorada de la máquina más el tiempo utilizando la parte mejorada.

Localidad de referencia

Es la tendencia de los programas a reutilizar los datos e instrucciones que han utilizado recientemente, una regla empírica pero que se ajusta a la realidad es que un programa emplea un 90% en su tiempo de ejecución y sólo el 10% del código.

Una implicación de la localidad es que basándose en el pasado reciente del programa se puede predecir con una precisión razonable que instrucciones y datos utilizará un programa en el futuro próximo. La localidad de referencia se aplica también a los accesos a datos aunque no tan fuertemente como los accesos a código. Se han observado 2 tipos diferentes de localidad: Localidad Temporal Especifica: que los elementos accedidos recientemente serán accedidos probablemente en un futuro próximo. Localidad Temporal Espacial: establece que los elementos cuyas direcciones son próximas tienden a ser referenciados junto en el tiempo.

El trabajo del diseñador de computadoras

Un arquitecto de computadoras diseña máquinas para ejecutar programas, la tarea de diseño incluye:    

El diseño del conjunto de in La organización funcional, El diseño lógico y la implementación

La interpretación puede abarcar el diseño de circuitos integrados, el encapsulamiento, potencia y disipación térmica, por lo tanto habría que optimizar el diseño de la máquina en estos niveles para lo cual se debe estar familiarizado con un amplio rango de tecnología en el que estarían inmersos sistemas operativos, compiladores, técnicas para diseño lógico y encapsulamiento. El término arquitectura a nivel de lenguaje de máquina se refiere al conjunto de instrucciones concretas, invisibles por el programador y sirve como frontera entre el software y el hardware.

La implementación de una máquina tiene 2 componentes:  

organización y hardware.

El término organización, incluye los aspectos de alto nivel del diseño del computador tal como sistema de memoria, estructura del bus, diseño interno de la CPU.

El término hardware, se utiliza para referenciar las cosas específicas de la máquina, esto incluye el diseño lógico detallado y la tecnología de encapsulamiento de la máquina. Requerimientos Funcionales. Los arquitectos de computadores deben diseñar un computador que cumplan ciertos requerimientos funcionales con determinadas ligaduras de precio y rendimiento, el software de aplicaciones conduce con frecuencia a la elección de cierto requerimiento funcional al determinar cómo se utilizará la máquina, la presencia de un gran mercado para una clase particular de aplicaciones podría estimular a los diseñadores a incorporar requerimientos que hagan a la máquina más competitiva. Equilibrar Hardware y Software. Una vez establecido un conjunto de requerimientos funcionales el arquitecto debe intentar optimizar el diseño, esta optimización responde en gran parte a la siguiente pregunta. ¿Cómo implementar mejor una funcionalidad requerida? Las implementaciones hardware y software de una determinada característica tiene diferentes modalidades entre las principales tenemos el bajo costo de los errores el más fácil diseño y una actualización más simple; en cuanto a hardware ofrece el rendimiento como una única ventaja, aunque las implementaciones hardware no son siempre más rápidas, y en ocasiones un requerimiento especifico puede necesitar efectivamente la inclusión de soporte hardware, un equilibrio en este aspecto nos llevará

a la mejor máquina para las aplicaciones interés, al elegir entre dos diseños un factor a considerar es el de su complejidad, los diseños complejos necesitan más tiempo de realización prolongando el tiempo de aparición en el mercado, en este sentido un diseño que emplee más tiempo, necesariamente debe tener mayor rendimiento para que sea más competitivo, en general es más fácil tratar con la complejidad en software que en hardware sobre todo porque es más fácil de depurar y cambiar el software, por otra parte las decisiones en el diseño de la arquitectura a nivel de lenguaje de máquina y en la organización pueden afectar a la complejidad de la implementación, así como también a la complejidad de los compiladores del sistema operativo de la máquina.

Diseñar para perdurar a varias tendencias. Si una arquitectura ha de tener éxito debe ser diseñada para que sobrevivan a los cambios de la tecnología hardware, tecnología software y otras aplicaciones características. Hablar de Arquitectura java: capas de persistencia, modelo, dato, servicios, presentaciones (gwt. faces), elastic, Cumple 20 años de uso y funcionamiento. El diseñador debe ser consciente especialmente de las tendencias en la utilización del computador y de la tecnología de los computadores. Una arquitectura a nivel de lenguaje de máquina que tenga éxito debería durar decenas de años. El arquitecto debe planificar para que los cambios tecnológicos puedan incrementar con éxito la vida de una máquina considerando los rápidos cambios que experimentan las tecnologías de implementación, este tipo de cambios tecnológicos no necesariamente son contiguos, más bien con frecuencia se presentan en pasos discretos por ejemplo la capacidad de las memorias que ...