EVOLUCIÓN DE LOS PROCESADORES


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1 EVOLUCIÓN DE LOS PROCESADORES Lecturas recomendadas: * Tanembaum, A. Organización de computadoras. Cap. 1 * Stallings, W. Organización y arquitectura de computadores. Cap. 2

2 Arquitectura de una computadora Interface entre el software de bajo nivel y el hardware. Posibilita implementaciones de diverso coste/rendimiento para varios software Es definida por los atributos de la computadora visibles para el programador de lenguaje de máquina: Repertorio de instrucciones Formato de instrucciones Códigos de operación Modos de direccionamiento Registros y posiciones de memoria manipulables directamente Nº de bits (datos) Mecanismos de entrada/salida

3 Arquitectura de una computadora Ha posibilitado los últimos avances en rendimiento: Segmentación Paralelismo Computadoras RISC (Reduced Instruction Set Computer). RISC: 1. Instrucciones de tamaño fijo y presentadas en un reducido número de formatos. 2. Sólo las instrucciones de carga y almacenamiento acceden a la memoria por datos. Además estos procesadores suelen disponer de muchos registros de propósito general.el objetivo de diseñar máquinas con esta arquitectura es posibilitar la segmentación y el paralelismo en la ejecución de instrucciones y reducir los accesos a memoria.

4 Arquitectura de una computadora El objetivo es encontrar un lenguaje de máquina que: Facilite la construcción del hardware y de los compiladores Maximice el rendimiento Minimice el costo DEC Alpha AXP 21064, un microprocesador RISC

5 Estructura de una computadora Comprende las unidades operacionales Implementa las especificaciones de la arquitectura Comprende detalles del hardware transparentes para el programador: Señales de control Interfaces entre la computadora y los periféricos Tecnología de memoria utilizada Tipo de operadores aritméticos seleccionados Criterios de diseño de la estructura: Velocidad de ejecución Tamaño Consumo de potencia

6 Familia de computadoras Un conjunto de computadoras forma una familia cuando tienen la misma arquitectura y diferentes estructuras Surge el concepto de compatibilidad: Programa escrito para un modelo, se ejecuta en otro modelo de la serie con diferencias en tiempo de ejecución Sentido ascendente Características: Repertorio de instrucciones similar o idéntico Velocidad en incremento Nº de puertos E/S en incremento Tamaño creciente de la memoria Coste creciente

7 Clasificación de las computadoras Basada en la potencia de procesamiento (potencia E/S y sistema de memoria) y costo Hennessy y Patterson: Microcomputadora (PC y estaciones de trabajo) Costo reducido (cientos o miles de dólares) el microprocesador tiene los circuitos de almacenamiento (o memoria caché) y entrada/salida en el mismo circuito integrado (o chip) Commodore 64

8 Clasificación de las computadoras Minicomputadora Tamaño medio Costo superior a 50 mil dólares Actualmente más conocidos como servidores, es una clase de computadoras multiusuario AS-400

9 Clasificación de las computadoras Hennessy y Patterson (cont.) Computadora (Mainframe) Propósito general de altas prestaciones Destinada a tareas de gestión comercial Aritmética decimal Soporte para grandes bases de datos Tratamiento de transacciones Mayor capacidad de soporte de terminales y discos que un minicomputador Costo superior a 500 mil dólares Honeywell-Bull DPS 7 de 1990.

10 Clasificación de las computadoras Hennessy y Patterson (cont.) Supercomputadora Aritmética de punto flotante Aplicaciones científicas Mayor rendimiento Costo superior a un millón de dólares Sequoia de IBM para el 2011

11 Clasificación de Flynn Basada en el nº de procesadores, nº de programas y estructura de memoria Flynn: SISD (Flujo de instrucción único, flujo de datos único) SIMD (Flujo de instrucción único, flujo de datos múltiple) MISD (Flujo de instrucción múltiple, flujo de datos único) MIMD (Flujo de instrucción múltiple, flujo de datos múltiple)

12 Clasificación de Flynn SISD (Flynn 1) Procesador único que interpreta una única secuencia de instrucciones para operar con datos de una única memoria Arquitectura de Von Neumann Solo una instrucción/ sólo un dato Una CPU ejecuta una instrucción por vez, busca o almacena un dato por vez

13 SISD - Arquitectura de Von Neumann BUSES DIRECCIONES DATOS CONTROL Monoprocesador

14 Clasificación de Flynn SIMD (Flynn 2) Única instrucción, múltiples datos Una unidad de control común Varias unidades de proceso Arrays de procesadores Se ejecuta una misma instrucción sobre datos diferentes Proceso distribuido sobre hardware Operación concurrente sobre muchos datos Ejecución del mismo cálculo sobre todos los elementos UC = comput. Von Neumann, controla los procesadores Puede incluir computadores host: carga de programas, configuración del array de elementos de proceso, supervisión de E/S

15 Comparación SISD - SIMD

16 SIMD Flynn 2 Procesador matricial

17 MISD Flynn 3 MISD (No implementada) (Flynn 3) Transmisión de una secuencia de datos a un conjunto de procesadores Cada procesador ejecuta una instrucción diferente sobre el mismo conjunto de datos Múltiples instrucciones, un solo dato Ejecución de diferentes programas sobre el mismo dato

18 MISD Flynn 3 Array sistólico

19 Clasificación de Flynn MIMD (Flynn 4) Conjunto de procesadores que ejecutan conjuntos de instrucciones diferentes sobre conjuntos de datos diferentes Múltiples instrucciones, múltiples datos Procesamiento distribuido entre procesadores independientes Distribución de recursos (memoria primaria) Operación concurrente y en paralelo Cada procesador ejecuta su propio programa Diferentes arquitecturas: red de interconexión, procesadores, direccionamiento de memoria, control y estructura de sincronización Multiprocesadores: memoria común Multicomputadores: memorias locales

20 Clasificación de Flynn Multiprocesador

21 Generaciones de computadoras Generación Fecha aprox. Tecnología Velocidad Operac./s Válvulas 40 mil Transistores 200 mil Pequeña y mediana integración Gran integración 1 millón 10 millones Alta integración 100 millones

22 Bases del desarrollo de las computadoras Avance tecnológico Nivel de integración se ha multiplicado por 4 cada 3 años (Ley de Moore) Incremento de la velocidad operativa Precio igual para mayor densidad de integración Disminución de tamaño del computador Reducción de necesidades de potencia y refrigeración Disminución de CI por sistema: mayor rapidez y fiabilidad

23 Bases del desarrollo de las computadoras Avances arquitectónicos El modelo de Von Neumann Microprogramación Memoria principal EDRAM (Enhanced DRAM) CDRAM (Cache RAM) SDRAM (Syncrhronus DRAM) RDRAM (Rambus DRAM) Memoria virtual Memoria caché Estructura RAID de memoria secundaria Computadores segmentados Procesadores superescalares y supersegmentados Supercomputadores Arquitectura RISC (Reduced Set Instruction Computer) DEC Alpha AXP 21064, un microprocesador RISC

24 Bases del desarrollo de los computadores Avances en las herramientas de diseño automático Estudio jerárquico de sistemas Utilización de herramientas automáticas Captura de esquemáticos Simulación Ubicación y enrutamiento automáticos Lenguajes de descripción de hardware

25 CONCURRENCIA

26 Temas Programación Concurrente Motivación Por qué Concurrencia? Evolución de los procesadores Problemas fundamentales de la Concurrencia Cómo programar algoritmos concurrentes?

27 Programación Concurrente Tres casos de la realidad en donde se ve la concurrencia Veamos cada caso Pensemos en el programa de administración de los recursos.

28 Programación Concurrente Sobre la BD de la cuenta de un cliente varias personas pueden: Consultar el saldo de la cuenta Extraer dinero de la cuenta Depositar dinero en la cuenta Al mismo tiempo y en # lugares CLIENTE-SERVIDOR Qué hace el programa Servidor y Qué el programa cliente??

29 Programación Concurrente Al mismo tiempo varios usuarios pueden: Reproducir un video Descargar un video Subir un video Reproducir una canción Descargar una canción Subir una canción Qué hace el programa Servidor y Qué el programa cliente?? Qué quiere decir concurrencia en estos casos??

30 Programación Concurrente Al mismo podemos estar: Chateando por el msn Escuchando música Ejecutando un programa Una PC actual es esencialmente un sistema concurrente. El sistema operativo es el software servidor. Las aplicaciones son los programas cliente.

31 Programación Concurrente Mundo Real Concurrencia Concurrencia es la característica de los sistemas que indica que múltiples procesos/tareas pueden ser ejecutados al mismo tiempo y pueden cooperar y coordinarse para cumplir la función del sistema. En forma simple podemos pensar que un programa concurrente es un conjunto de tareas/procesos secuenciales que se comunican para lograr un objetivo común. (reverlo en los ejemplos)

32 Programación Concurrente De Von Neumann a Multicores Esta evolución se da acompañada de la evolución de los procesadores

33 Programación Concurrente De Von Neumann a Multicores Intel PentiumProcesador Intel Procesador Intel Pentium IV Procesador Intel Pentium III Procesador Intel Pentium II Procesador Intel 2 CORES Transsitores

34 Programación Concurrente Evolución de los procesadores Memoria cache Nivel L2 Procesador Memoria cache Nivel L3 PARA PODER EXPLOTAR ESTE HARDWARE ES NECESARIO PROGRAMAR PROCESOS CONCURRENTES! Cómo hacemos para manejar la concurrencia? Cómo interactúan los procesos?

35 Programación Concurrente PROGRAMAS CONCURRENTES COMUNICACION SINCRONIZACION

36 Programación Concurrente COMUNICACIÓN Pasaje de mensajes Memoria Compartida Mensaje

37 Programación Concurrente COMUNICACIÓN Pasaje de mensajes ENVIAR y RECIBIR Memoria Compartida DEPOSITAR y SACAR Comentarios sobre lo que significa la comunicación dentro de la programación de cada proceso concurrente

38 Programación Concurrente Mecanismos de sincronización SINCRONIZACIÓN Dado un recurso compartido SI está libre? NO Ocupo <uso> Libero SEMAFORO Ocupo Libero EJ. Remito/Factura

39 Programación Concurrente Sincronización Preguntas Los procesos pueden no tener que sincronizar? Los procesos pueden no tener que comunicarse? Siempre existe un recurso compartido? Puede ser el tiempo el recurso compartido?

40 Al finalizar el programa la SUMA de las cantidades de papeles debe quedar en la zona común. Programación Concurrente EJEMPLO 1 Zona común Una ciudad de 100*100 4 robots (R1, R2, R3, R4) Flores y papeles en las esquinas 1 zona común entre los robots (memoria) Cada robot debe CONTAR los papeles de su zona.

41 Programación Concurrente EJEMPLO 2 Zona común Una ciudad de 100*100 4 robots (R1, R2, R3, R4) Flores y papeles en las esquinas 1 zona común entre los robots Plaza o Esquina especial Cada robot debe RECOGER los papeles de su zona. Al finalizar cada robot debe DEPOSITAR los papeles en la esquina común.

42 Programación Concurrente EJEMPLO 1 R1: Contar en una variable los papeles de su zona. R2: Contar en una variable los papeles de su zona R3: Contar en una variable los papeles de su zona R4: Contar en 1 variable los papeles de su zona ACTUALIZAR LA SUMA EN LA ZONA COMUN ACTUALIZAR LA SUMA EN LA ZONA COMUN ACTUALIZAR LA SUMA EN LA ZONA COMUN ACTUALIZAR LA SUMA EN LA ZONA COMUN Si está libre la zona común? Ocupo <acumulo la cantidad> Libero Si está libre la zona común? Ocupo <acumulo la cantidad> Libero Si está libre la zona común? Ocupo <acumulo la cantidad> Libero Está libre la zona común? Ocupo <acumulo la cantidad> Libero

43 Programación Concurrente EJEMPLO 2 R1: RECOGER los papeles de su zona. R2: RECOGER los papeles de su zona R3: RECOGER los papeles de su zona R4: RECOGER los papeles de su zona Discutamos el resto del programa

44 Programación Concurrente EJEMPLOS 1 y 2 En un sistema real, qué FALTA para terminar las tareas en los dos ejemplos?? Zona común Un proceso (o Robot 5) que se encargue de terminar la tarea

45 Programación Concurrente EJEMPLO 3 Una ciudad de 100*100 5 robots, 1 en zona común. Flores y papeles en las esquinas. Zona común Cada robot debe CONTAR los papeles de su zona y ACUMULAR en la zona común. Luego el robot de la zona común imprime el total

46 Programación Concurrente EJEMPLO 3 R1 a R4: Contar en una variable los papeles de su zona ACTUALIZAR LA ZONA COMUN Si está libre la zona común? Ocupo <acumulo la cantidad> Libero R5: Me avisa robot Ri que terminó Me avisa robot Ri que terminó Me avisa robot Ri que terminó Me avisa robot Ri que terminó (Espero 4 mensajes de i=1 a 4 ) TOMO EL VALOR DE LA ZONA COMUN AVISO QUE TERMINE (Enviar ) IMPRIMO EL RESULTADO Variables locales, variables compartidas, proteccion de la zona compartida, sincronización

47 Programación Concurrente Instrucciones Pasaje de mensajes ENVIAR y RECIBIR Memoria Compartida DEPOSITAR y SACAR Bloquear y Liberar Semáforo ON y Semáforo OFF Discutir el uso de las primitivas en los Ejemplos

48 Programación Concurrente Conclusiones Por qué es fundamental el concepto de Concurrencia en Informática? Es posible resolver aplicaciones reales actuales sin considerar los problemas de Concurrencia? Cómo se integran los algoritmos secuenciales que hemos estudiado con las aplicaciones concurrentes?

49 Programación Concurrente Conclusiones Algunas ideas sobre el futuro de los procesadores Qué pasa con los lenguajes de programación con este futuro de los procesadores Cómo está cambiando el software de base de los sistemas operativos, para poder explotar los cambios en los procesadores

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