Universidad mariano Gálvez Ingeniería en sistemas Arquitectura de computadoras Ing. Kevin Hernández
Tema: Taxonomía de Flynn
Integrantes:
David García
0901 - 10 - 189
Héctor Osnoel
0901 - 10 - 13909
Jaime Pérez
0901-09-11330
Francisco Orosco
0901 - 07 - 1233
Alejandro Samayoa 0901 - 07- 108
Taxonomía Flynn Teoría ARQUITECTURAS DE COMPUTADORAS SEGUN LA TAXONOMÍA DE FLYNN.
En 1966 Michael Flynn propuso un mecanismo de clasificación de las computadoras. La taxonomía de Flynn es la manera clásica de organizar las computadoras, y aunque no cubre todas las posibles arquitecturas, proporciona una importante penetración en varias arquitecturas de computadoras. El método de Flynn se basa en el número de instrucciones y de la secuencia de datos que la computadora utiliza para procesar información. Puede haber secuencias de instrucciones sencillas o múltiples y secuencias de datos sencillas o múltiples. Esto da lugar a 4 tipos de computadoras, de las cuales solamente dos son aplicables a las computadoras paralelas.
1 SISD (Single Instruction Single Data). Este es el modelo tradicional de computación secuencial donde una unidad de procesamiento recibe una sola secuencia de instrucciones que operan en una secuencia de datos.
Fig. 3.1 Modelo SISD (Single Instruction Single Data). Ejemplo: Para procesar la suma de N números a1, a2, ... aN, el procesador necesita accesar a memoria N veces consecutivas (para recibir un número). También son ejecutadas en secuencia N-1 adiciones. Es decir los algoritmos para las computadoras SISD no contienen ningún paralelismo, éstas están constituidas de un procesador. 2 SIMD (Single Instruction Multiple Data).
A diferencia de SISD, en este caso se tienen múltiples procesadores que sincronizadamente ejecutan la misma secuencia de instrucciones, pero en diferentes datos. El tipo de memoria que estos sistemas utilizan es distribuida.
Fig. 3.2 Modelo SIMD(Single Instruction Multiple Data). Aquí hay N secuencias de datos, una por procesador, así que diferentes datos pueden ser utilizados en cada procesador. Los procesadores operan sincronizadamente y un reloj global se utiliza para asegurar esta operación. Es decir, en cada paso todos lo procesadores ejecutan la misma instrucción, cada uno en diferente dato. Máquinas con arreglos de procesadores tales como ICL DAP (Distributed Array Processor) y computadoras vectoriales canalizadas como CRAY 1 & 2 y CIBER 205 son de arquitectura SIMD. Ejemplo: Sumando dos matrices A + B = C. Siendo A y B de orden 2 y teniendo 4 procesadores: A11 + B11 = C11 A12 + B12 = C12 A21 + B21 = C21 A22 + B22 = C22 La misma instrucción es ejecutada en los 4 procesadores (sumando dos números) y los 4 ejecutan las instrucciones simultáneamente. Esto toma un paso en comparación con cuatro pasos en una máquina secuencial. 3 MIMD (Multiple Instruction Multiple Data).Este tipo de computadora es paralela al igual que las SIMD, la diferencia con estos sistemas es que MIMD es asíncrono. No tiene un reloj central. Cada procesador en un sistema MIMD puede ejecutar su propia secuencia de instrucciones y tener sus propios datos. Esta caracteristica es la más general y poderosa de esta clasificación.
Fig. 3.3 Modelo SIMD(Single Instruction Multiple Data). Se tienen N procesadores, N secuencias de instrucciones y N secuencias de datos. Cada procesador opera bajo el control de una sencuencia de instrucciones, ejecutada por su propia unidad de control, es decir cada procesador es capaz de ejecutar su propio programa con diferentes datos. Esto significa que los procesadores operan asíncronamente, o en terminos simples, pueden estar haciendo diferentes cosas en diferentes datos al mismo tiempo. Los sistemas MIMD se clasifican en:
Sistemas de Memoria Compartida. Sistemas de Memoria Distribuida. Sistemas de Memoria Compartida Distribuida.
3.1. Sistemas de Memoria Compartida. En este tipo de sistemas cada procesador tiene acceso a toda la memoria, es decir hay un espacio de direccionamiento compartido. Se tienen tiempos de acceso a memoria uniformes ya que todos los procesadores se encuentran igualmente comunicados con la memoria principal y las lecturas y escrituras de todos los procesadores tienen exactamente las mismas latencias; y además el acceso a memoria es por medio de un ducto común. En esta configuración, debe asegurarse que los procesadores no tengan acceso simultáneamente a regiones de memoria de una manera en la que pueda occurrir algún error.
Desventajas: El acceso simultáneo a memoria es un problema. Poca escabilidad de procesadores, debido a que se puede generar un cuello de botella al incrementar el numero de CPU's. En computadoras vectoriales como Crays, etc. La razón principal por el alto precio de Cray es la memoria. Ventaja:
La facilidad de la programación. Es mucho más fácil programar en estos sistemas que en sistemas de memoria distribuida.
Las computadoras MIMD con memoria compartida son sistemas conocidos como de multiprocesamiento simétrico (SMP) donde múltiples procesadores comparten un mismo sistema operativo y memoria. Otro término con que se le conoce es máquinas firmemente juntas o de multiprocesadores. Ejemplos son: SGI/Cray Power Challenge, SGI/Cray C90, SGI/Onyx, ENCORE, MULTIMAX, SEQUENT y BALANCE, entre otras. 3.2. Sistemas de Memoria Distribuida. Paso de Mensajes Ventajas:
o
La escalabilidad. Las computadoras con sistemas de memoria distribuida son fáciles de escalar, mientras que la demanda de los recursos crece, se puede agregar más memoria y procesadores. Desventajas:
o o
El acceso remoto a memoria es lento. La programación puede ser complicada. Las computadoras MIMD de memoria distribuida son conocidas como sistemas de procesamiento en paralelo masivo (MPP) donde múltiples procesadores trabajan en diferentes partes de un programa, usando su propio sistema operativo y memoria. Además se les llama multicomputadoras, máquinas libremente juntas o cluster. Algunos ejemplos de este tipo de máquinas son IBM SP2 y SGI/Cray T3D/T3E. 3.3 Siatemas de Memoria Compartida Distribuida Es un cluster o una partición de procesadores que tienen acceso a una memoria compartida común pero sin un canal compartido. Esto es, físicamente cada procesador posee su memoria local y se interconecta con otros procesadores por medio de un dispositivo de alta velocidad, y todos ven las memorias de cada uno como un espacio de direcciones globales. El acceso a la memoria de diferentes clusters se realiza bajo el esquema de Acceso a Memoria No Uniforme (NUMA), la cual toma menos tiempo en accesar a la memoria local de un procesador que accesar a memoria remota de otro procesador. Ventajas:
Presenta escalabilidad como en los sistemas de memoria distribuida. Es fácil de programar como en los sistemas de memoria compartida. No existe el cuello de botella que se puede dar en máquinas de sólo memoria compartida. Algunos ejemplos de este tipo de sistemas son HP/Convex SPP-2000 y SGI/Cray Origin2000. 4 MISD (Multiple Instrucion Single Data). En este modelo, secuencias de instrucciones pasan a través de múltiples procesadores. Diferentes operaciones son realizadas en diversos procesadores. N procesadores, cada uno con su propia unidad de control comparten una memoria común.
Fig. 3.7 MISD (Multiple instruction Single Data)
Aqui hay N secuencias de instrucciones (algoritmos/programas) y una secuencia de datos. El paralelismo es alcanzado dejando que los procesadores realicen diferentes cosas al mismo tiempo en el mismo dato. Las máquinas MISD son útiles en cómputos donde la misma entrada esta sujeta a diferentes operaciones.
Aplicaciones en la computadora moderna
Aplicaciones de estos tipos de sistemas son los arrays sistólicos o arrays de procesadores. También podemos encontrar aplicaciones de redes neuronales en máquinas masivamente paralelas. MISD Pizarrón Digital Pizarrón Digital 3M™ Con nuestro Pizarrón Digital el aprendizaje interactivo será una experiencia cotidiana. Podrá proyectar imágenes sobre su superficie, resaltar, subrayar o destacar lo que considere necesario y guardar los apuntes o comentarios escritos en una variedad de formatos electrónicos. Características principales ▪ Puede ser usado una y otra vez como una superficie de borrado en seco - con cualquier plumón base agua - y limpiada fácilmente ▪ Captura notas electrónicamente para guardar y enviar al instante ▪ Se conecta a la computadora fácilmente mediante USB ▪ Permite acceder a Internet o a otras aplicaciones directamente desde el pizarrón o navegar por el escritorio de su computadora utilizando su pluma digital que se comporta como un mouse ▪ Compatible con Pc y Mac
Factores de diseño Requisitos funcionales: que características de funcionamiento se desean Tendencias en tecnología y software Equilibrio entre hardware y software: Software: coste bajo de rectificación de errores sencillez de diseño actualización Hardware: mayor rapidez Tendencias en el coste Contribución de cada componente al coste final Coste y precio muy diferentes
VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LA TAXONOMIA DE FLYNN Ventajas - Universalmente aceptado - Notación compacta - Fácil de clasificar un sistema Desventajas - Diferenciación muy superficial entre sistemas de maquinas - La comparación entre diferentes sistema es limitada
- Las interconexiones (interconnections), Entradas/salidas (I/O) no son consideradas en el esquema Descripciรณn i/o esquema de cada uno de ellos SISD (Single Instruction, Single Data)
Estructura
Diagramas de bloques
Parámetros de trabajo • t p → Es el tiempo de ejecución paralelo, hasta que termine el último procesador. • SpeedUp = S up=tst p Siendo ts el tiempo del mejor algoritmo secuencial y tp el tiempo con los mismos procesadores que para calcular ts. • S up≤ p Lo ideal sería que Sup = p, pero no se suele dar por problemas de comunicación y de sincronismo. • Eficiencia: E=Sup Lo ideal sería que E=1, pero no se suele dar por los mismos motivos que en el Sup. • E=(ts/tp) p=ts( p × tp) 1. El Sup no crece linealmente con el nº de procesadores, sino que va creciendo más lentamente. 2. Como consecuencia de lo anterior, la Eficiencia tiende a disminuir con el nº de Procesadores elevados. 3. Si el tamaño del problema aumenta, entonces el Sup y la Eficiencia aumentan. 4. Si aumenta el tamaño del problema y aumenta el número de procesadores,
Conclusiones
A nuestro criterio basados en la investigación, en lo que se aprendió de la taxonomía de,, en este proyecto se observa la importancia de cómo estos sistemas de arquitectura pueden ayudar en aspectos como facilidad de búsqueda de información, de generar un base confiable para la creación de tecnologías de hardware; además se ha reconocido como se pueden integrar métodos de desarrollo de software para generar una plataforma que permita aprovechar de forma extraordinaria estos tipos de arquitectura lo cual es un impacto positivo para el desarrollo de sistemas de información eficiente para empresas, centros de investigación y centros académicos. También podemos observar cómo se puede aprovechar cada tipo de arquitectura dependiendo del uso que se le quiera dar a la tecnología, por ejemplo en nuestro objeto de estudio que son las memorias fuertemente acopladas, se utilizan en arquitecturas de supercomputadoras utilizadas para gran cantidad de fines como predicciones del clima, estudios del sol, explosiones de supernovas, aerodinámica, entre otras. Sin embargo no solo en el ámbito científico, sino también en lo social y político, como se estudió en el artículo de la BBC acerca de la supercomputadora dedicada a la predicción del comportamiento de la sociedad mediante el estudio de las noticias de periódicos. Todos estos avances nos muestran que a lo largo de la historia ha habido grandes avances en cuanto a arquitectura, y las puertas quedan abiertas para continuar con el desarrollo de estas tecnologías que se pueden aplicar en diversos ámbitos, y no solo en investigaciones científicas; por lo que hay que promover el estudio y el desarrollo de estos sistemas para aumentar el número de aportes en materia tecnológica. Como parte importante de este trabajo se creo una referencia de información en la plataforma issuu confiable del tema el cual podrá ser consultado por diversas personas relacionadas con el ámbito tecnológico.