Arquitectura

• Introducción

En este trabajo se explican en detalle las dos clasificaciones de computadores más conocidas en la actualidad.

La primera clasificación, es la clasificación clásica de Flynn en dónde se tienen en cuenta sistemas con uno o varios procesadores. La segunda clasificación es una clasificación moderna en la que sólo tienen en cuenta los sistemas con más de un procesador.

El objetivo de este trabajo es presentar de una forma clara los tipos de sistemas que existen en la actualidad desde el punto de vista de distintos autores, así como cuáles son las ventajas e inconvenientes que cada uno ostenta.

A lo largo del último medio siglo, las computadoras han ido duplicando su velocidad cada dos años, al tiempo que el tamaño de sus componentes se reducía a la mitad. Los circuitos actuales contienen transistores y líneas de conducción cuya anchura es sólo una centésima parte de la de un cabello humano. Las máquinas de nuestros días son millones de veces más potentes que sus rudimentarias antepasados a causa de tan explosivo progreso.

Figura 1.- Desde el principio hasta el presente: A la izquierda una máquina de engranajes, a la derecha un chip de la IBM de 0.25 micras. La versión producida por la IBM contiene 6 millones de transistores.

El incremento del poder de las computadoras se debe esencialmente a la miniaturización incesante del componente más elemental de la computadora, el transistor. Cuando los transistores se reducen de tamaño y se logran integrar en un solo microchip se incrementa el poder computacional. Sin embargo, las técnicas de integración de microcircuitos están empezando a tropezar con sus límites.

Mediante técnicas litográficas avanzadas podrían producirse elementos cien veces menores que los hoy disponibles. Pero a tal escala, en la que la materia se presenta como una muchedumbre de átomos disgregados, los circuitos integrados apenas consiguen funcionar. Al reducir la escala diez veces más, los átomos manifiestan ya su identidad individual, y basta un solo defecto para provocar una catástrofe. Por consiguiente, si se pretende que las computadoras del futuro reduzcan su tamaño, será preciso que la técnica de uso se reemplacé o complemente con otras nuevas.

La ciencia de la computación en busca de una alternativa más allá de la tecnología del transistor, ha iniciado el estudio de la mecánica cuántica y su aporte para la creación de nuevas computadoras. Es así como han surgido las disciplinas: Nano-Computación y Computación Mecánico-Cuántica.

ARQUITECTURA DEL COMPUTADOR AVANZADA Y COMERCIALES

El contenido principal que vamos a tratar nosotros son algunos conceptos básicos y los sistemas paralelos, es decir, multiprocesadores y multicomputadores.

Dependiendo de cómo se organicen las estructuras básicas (memorias, puertas lógicas, buses, circuitos integrados, procesadores, entre otros) tendremos diferentes arquitecturas que responderán a las especificaciones que de coste y rendimiento que se deseen obtener. PC, supercomputador, estación de trabajo, etc.

Multiprocesamiento simétrico

La arquitectura SMP (también llamada UMA, del inglés Uniform Memory Access, en español "acceso uniforme a memoria") se caracteriza por el hecho de que varias unidades de procesamiento comparten el acceso a la memoria, compitiendo en igualdad de condiciones por dicho acceso, de ahí la denominación "simétrico".

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.

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 único 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.

PROCESO PARALELO.

Es un tipo de proceso asimilable a los grandes sistemas. Consiste básicamente en procesar varias operaciones de modo simultáneo por distintas unidades centrales. En realidad, estamos en un ámbito de proceso cooperativo que implica una arquitectura de microprocesadores ligados entre sí y compartiendo tareas.

En la arquitectura paralela, todos estos sistemas están basados en la arquitectura Von Neumann con un procesador y memoria donde se guardan datos y programa, es decir, una máquina secuencial que procesa datos escalares. Esta arquitectura se ha ido perfeccionando incluyendo el paralelismo de las unidades de control, de cálculo, etc., pero sigue siendo una máquina de ejecución con un único flujo de instrucciones.

No hay una frontera definida entre la arquitectura monoprocesador y las masivamente paralelas. De hecho, las actuales arquitecturas monoprocesador son realmente máquinas paralelas a nivel de instrucción. La evolución de la arquitectura basada en monoprocesador ha venido ligada con la creación de más y mejores supercomputadores que tenían que librarse del concepto de monoprocesador para poder hacer frente a las demandas de computación.

El primer paso hacia la paralelización de las arquitecturas de los computadores, se da con la aparición de los procesadores o sistemas vectoriales. Los procesadores vectoriales extienden el concepto de paralelismo por segmentación al tratamiento de grandes cadenas de datos. El hecho de que los procesadores segmentados hayan venido asociados a los supercomputadores paralelos, los pone en la entrada a lo que son los sistemas paralelos, si bien siguen siendo una extensión del concepto de segmentación.

Clasificación de los sistemas paralelos.

Probablemente la clasificación más popular de computadores sea la clasificación de Flynn. Esta taxonomía de las arquitecturas está basada en la clasificación atendiendo al flujo de datos e instrucciones en un sistema. Un flujo de instrucciones es el conjunto de instrucciones secuenciales que son ejecutadas por un único procesador, y un flujo de datos es el flujo secuencial de datos requeridos por el flujo de instrucciones. Con estas consideraciones, Flynn clasifica los sistemas en cuatro categorías:

• SISD (Single Instruction stream, Single Data stream). Flujo único de instrucciones y flujo único de datos. Este el concepto de arquitectura serie de Von Neumann donde, en cualquier momento, sólo se está ejecutando una única instrucción. A menudo a los SISD se les conoce como computadores serie escalares.

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