Taxonomia De Las Arquitecturas

Taxonomía de las arquitecturas

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.

Clasificación de Flynn

Clasificación clásica de arquitectura de computadores que hace alusión a sistemas con uno o varios procesadores. Flynn la publicó por primera vez en 1966 y por segunda vez en 1970.

Esta taxonomía se basa en el flujo que siguen los datos dentro de la máquina y de las instrucciones sobre esos datos.

Se define como flujo de instrucciones al conjunto de instrucciones secuenciales que son ejecutadas por un único procesador y como flujo de datos al 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)

Los sistemas de este tipo se caracterizan por tener un único flujo de instrucciones sobre un único flujo de datos, es decir, se ejecuta una instrucción detrás de otra. Este es el concepto de arquitectura serie de Von Neumann donde, en cualquier momento, sólo se ejecuta una única instrucción.

Un ejemplo de estos sistemas son las máquinas secuenciales convencionales.

SIMD (Single Instruction stream, Multiple Data stream)

Estos sistemas tienen un único flujo de instrucciones que operan sobre múltiples flujos de datos. Ejemplos de estos sistemas los tenemos en las máquinas vectoriales con hardware escalar y vectorial.

El procesamiento es síncrono, la ejecución de las instrucciones sigue siendo secuencial como en el caso anterior, todos los elementos realizan una misma instrucción pero sobre una gran cantidad de datos. Por este motivo existirá concurrencia de operación, es decir, esta clasificación es el origen de la máquina paralela.

El funcionamiento de este tipo de sistemas es el siguiente. La Unidad de Control manda una misma instrucción a todas las unidades de proceso (ALUs). Las unidades de proceso operan sobre datos diferentes pero con la misma instrucción recibida.

Existen dos alternativas distintas que aparecen después de realizarse esta clasificación:

Arquitectura Vectorial con segmentación:

Una CPU única particionada en unidades funcionales independientes trabajando sobre flujos de datos concretos

Arquitectura Matricial (matriz de procesadores):

Varias ALUs idénticas a las que el procesador de instrucciones asigna una única instrucción pero trabajando sobre diferentes partes del programa.

SIMD CON CPU PARTICIONADA

En este tipo de sistemas, la CPU se diseña como un conjunto de unidades funcionales independientes que ejecutan simultáneamente varias operaciones aritmético/lógicas.

La CPU contiene un único procesador con instrucciones que procesa un único flujo de estas liberando cada instante una. Debido a que las unidades funcionales operan independientemente, es posible liberar nuevas instrucciones antes de que finalice la ejecución de las instrucciones previas.

Ejemplos de este tipo de sistemas los encontramos en los computadores CRAY monoprocesador, CYBER 205, FUJITSU, HITACHE, NEC SUPERCOMPUTERS, IBM 390 VF, IBM 9000 VF, ALLIANT FX/1 Y CONVEX C-1.

SIMD CON MULTIPLES ALUS

Estos sistemas trabajan en modo lock step, ejecutando o ignorando una misma instrucción para todas las ALUs. Existe un único procesador que maneja el flujo de instrucciones del programa y que transfiere todas las instrucciones a las diferentes unidades aritmético/lógicas.

Cada ALU opera sobre un segmento diferente de datos del programa.

Ejemplo de funcionamiento del sistema con el siguiente bucle:

DO 2000 I=1,N

A(I) = B(I) + C(I)

2000 CONTINUE

El procesador asigna a cada ALU la operación de suma de B(I) con C(I) y siendo el almacenamiento del resultado en A(I) pero pasando a cada ALU un valor diferente de I.

En el caso de que haya menos ALUs que iteraciones del bucle, el procesador ordenará la ejecución hasta que estén procesados todos los valores de I.

En el caso de que haya más ALUs que iteraciones, existirá un número de estas que no estén operativas durante la ejecución de las instrucciones del bucle. Una ALU inactiva o en OFF significa que:

La ALU recibe instrucciones pero las ignora

La ALU ejecuta cálculos pero no almacena ningún resultado.

MISD (Multiple Instruction stream, Single Data stream)

Sistemas con múltiples instrucciones que operan sobre un único flujo de datos. Este tipo de sistemas no ha tenido implementación hasta hace poco tiempo.

Los sistemas MISD se contemplan de dos maneras distintas:

Varias instrucciones operando simultáneamente sobre un único dato.

Varias instrucciones operando sobre un dato que se va convirtiendo en un resultado que será la entrada para la siguiente etapa. Se trabaja de forma segmentada, todas las unidades de proceso pueden trabajar de forma concurrente.

Ejemplos de estos tipos de sistemas son los arrays sistólicos o arrays de procesadores. También podemos encontrar aplicaciones de redes neuronales en máquinas masivamente paralelas.

MIMD (Multiple Instruction stream, Multiple Data stream)

Sistemas con un flujo de múltiples instrucciones que operan sobre múltiples datos. Estos sistemas empezaron a utilizarse a principios de los 80.

Son sistemas con memoria compartida que permiten ejecutar varios procesos simultáneamente (sistema multiprocesador).

Cuando las unidades de proceso reciben datos de una memoria no compartida estos sistemas reciben el nombre de MULTIPLE SISD (MSISD).

En arquitecturas con varias unidades de control (MISD Y MIMD), existe otro nivel superior con una unidad de control que se encarga de controlar todas las unidades de control del sistema.

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