t1-introducción

Abstracciones y Tecnologa

Katia Leal Algara [email protected]

http://gsyc.escet.urjc.es/~katia/

Departamento de Sistemas Telemticos y Computacin (GSyC)

GSyC - Abstracciones y Tecnologa 1

!q Las computadoras y la revolucin de la informacin!q Aplicaciones antes econmicamente inviables se

hacen posibles!qComputadores en automviles: reduccin de la

contaminacin, eficiencia del combustible, seguridad!qTelfonos mviles: comunicacin entre dos personas

en cualquier parte del mundo!qProyecto del genoma humano: a medida que el coste

se reduce se incremente la posibilidad de calcular nuestro propio genoma!!

qWorld Wide Web!qMotores de bsqueda: de gran importancia para la

bsqueda de informacin relevante

Introduccin

Relevancia


!qLos avances en la tecnologa afectan a

cada uno de los aspectos de la sociedad!qLas constantes mejoras en el hardware

estn permitiendo a los programadores la creacin de aplicaciones tiles para resolver multitud de problemas!

qTodays science fiction suggests tomorrows killer applications

Introduccin

Relevancia


!q Desktop computers!

qComputador diseado para uso particular que normalmente incorpora teclado, ratn y monitor. !

qBuen rendimiento a bajo precio para la ejecucin de software de terceros. !

qSlo 30 aos de antigedad!!q Servers: !

qDiseados para la ejecucin de grandes programas para mltiples usuarios de forma simultnea y slo accesibles va red. !

qVersin moderna de mainframes, minicomputers y supercomputers. !

qLa tecnologa de base es la misma que la de un PC, pero se pone ms nfasis en la capacidad de expansin y en la fiabilidad!

Introduccin

Clases de computadores segn su finalidad


!q Supercomputers!

qComputadores de ms alto rendimiento y coste!qTpicamente configurados como servidores!qEstn formados por cientos o miles de procesadores,

terabytes (1012 bytes) de memoria y petabytes (1024 terabytes) de almacenamiento!

q Internet datacenters: habitacin o edificio diseado para proporcionar las necesidades de potencia, refrigeracin y ancho de red necesarios para albergar un elevado nmero de servidores!qUtilizados por compaas como eBay o Google!qContienen cientos de procesadores, terabytes de

memoria y petabytes de almacenamiento: clusters!

Introduccin



!q Embedded computers!

q Estos computadores empotrados o embebidos se disean para cubrir necesidades especficas!

q Son la clase de computadores ms numerosa!q Los podemos encontrar en coches, telfonos mviles,

videoconsolas, televisores, cmaras digitales, aviones !

q En 2007, las ventas de mviles superaban a las de PCs por un factor de 4,5!!

q Rendimiento limitado a las restricciones de coste o potencia. Baja tolerancia a fallos!

q nfasis en realizar un nica funcin lo mejor posible!

Introduccin



!q Cmo un programa escrito en un lenguaje de alto nivel,

como C o Java, se traduce a lenguaje mquina y cmo el hardware ejecuta el programa resultante? !q Aspectos que afectan al rendimiento de los programas!

q Qu es la interfaz entre el hardware y el software y cmo el software indica al hardware la realizacin de las tareas necesarias? !q Aspectos relacionados con la implementacin de distintos tipos de

software!q Qu determina el rendimiento de un programa y cmo

puede un programa mejorar su rendimiento? !q Esto depender de cmo est escrito el programa, de su traduccin a

lenguaje mquina y de su ejecucin por parte del hardware!q Qu tcnicas pueden aplicar los diseadores de hardware

para mejorar el rendimiento? !q Conceptos bsicos de diseo de computadores modernos!

!

Introduccin

Objetivos


!qLa respuesta a estas preguntas nos

permitirn:!qMejorar el rendimiento de un programa!qDeterminar la mquina con las caractersticas

ms adecuadas para ejecutar una determinada aplicacin!

qFundamentos del resto del temario:!qIdeas bsicas y definiciones!qComponentes hardware y software!qEvaluacin del rendimiento!

Introduccin

Objetivos


!qEl rendimiento de un programa

depende de:!1.Efectividad del algoritmo elegido!2.Software de sistema utilizado para crear

y traducir el programa a lenguaje mquina!

3.Efectividad del computador a la hora de ejecutar las instrucciones (operaciones de E/S)!

Introduccin

Rendimiento de un programa


Introduccin

Rendimiento de un programa

Componente hardware o software

Cmo afecta ste componente al rendimiento

Algoritmo Determina el nmero de sentencias y el nmero de operaciones de E/S

Lenguaje de programacin, compilador y arquitectura

Determina el nmero de instrucciones de computador para cada sentencia

Procesador y sistema de memoria

Determinan cmo de rpido se ejecutan las instrucciones

Sistema de E/S (hardware y SO)

Determina cmo de rpido se sirven las operaciones de E/S


!qCada uno de los siguientes puntos

puede constituir un cuello de botella en el rendimiento:!qEl algoritmo elegido!qEl lenguaje de programacin o el

compilador!qEl sistema operativo!qEl procesador!qDispositivos y sistema de E/S!

Introduccin

Ejercicio


!qPor una parte, tenemos aplicaciones

complejas !qProcesador de textos (millones de lneas de

cdigo) + libreras (implementan funciones en beneficio de las aplicaciones)!

qPor otra, el hardware del computador slo es capaz de ejecutar instrucciones de bajo nivel extremadamente simples!

qEl camino consiste en una serie de capas software que traducen operaciones de alto nivel en instrucciones mquina sencillas!

Ms all de un programa



!


Visin simplificada del hardware y el software


!q Sistema operativo!

qGestin bsica de las operaciones de E/S!qAsignacin de almacenamiento y memoria!qReparto seguro de los recursos del sistema entre

mltiples aplicaciones que se ejecutan de forma simultnea!

qEjemplos SSOO: Linux, MacOS, Windows, Plan9!q Compiladores!

qUn programa que traduce un programa escrito en un lenguaje de alto nivel (C, C++, Java) en instrucciones que el hardware puede ejecutar!

qDada la sofisticacin de los actuales lenguajes de programacin, la traduccin de un programa en lenguaje de alto nivel a lenguaje mquina es compleja!


Software de sistema


!q Para hablar con el hardware slo necesitamos dos

letras: on y off!q Estas letras se representan mediante los nmeros

0 y 1!q El lenguaje del computador son nmeros en base 2

o nmeros binarios!q Nos referimos a cada letra como dgito binario o bit!q Los computadores son esclavos de nuestros

comandos, denominados instrucciones!q Las instrucciones (coleccin de bits que el

computador entiende y obedece) se pueden ver como nmeros!


Del lenguaje de alto nivel al lenguaje mquina


!q Ejemplo: Los bits 1000110010100000 le dicen a

un computador que sume dos nmeros!q Los primeros programadores se comunicaban con

el computador directamente con nmeros binarios!q Se crearon programas para traducir de una

notacin simblica a binario: ensamblador!q Ejemplo: Un programador poda escribir add A,B

y el ensamblador traduca esta notacin en 1000110010100000!

q A este lenguaje simblico se le denomina lenguaje ensamblador!

q Por el contrario, al lenguaje binario que entiende la mquina se le denomina lenguaje mquina!




!q Permiten a los programadores pensar en un

lenguaje ms natural, utilizando palabras en ingls y notacin algebraica!qLos programas se pueden disear de acuerdo a su uso:

Fortran (computacin cientfica), Cobol (procesamiento datos de negocio) !

q Incrementar la productividad del programador: lleva menos tiempo desarrollar un programa cuando este se escribe en un lenguaje que requiere pocas lneas para expresar una idea!

q Permiten que los programas sean independientes del computador en el que fueron desarrollados!


Beneficios de los lenguajes de alto nivel


!q El hardware de cualquier computador realiza las mismas

funciones bsicas:!q Entrada de datos!q Salida de datos!q Procesamiento de datos!q Almacenamiento de datos!

q Los cinco componentes clsicos de un computador son !q Entrada!q Salida!q Ruta de datos y de control o procesador!q Memoria!

q Cualquier componente de cualquier ordenador (pasado o presente) se puede clasificar en una de estas cinco categoras con independencia de la tecnologa utilizada!

Bajo la cubierta

Componentes clsicos de un ordenador


!

Bajo la cubierta

Componentes clsicos de un ordenador: Von Neumman Vs Eckert-Mauchly


!

Bajo la cubierta

Componentes clsicos de un ordenador


!q La placa base contiene paquetes de circuitos integrados o chips.

Tiene tres partes:!q La que conecta con los dispositivos de E/S!q La memoria !q El procesador!

q Memoria: programas + datos que necesitan los programas. Normalmente construida a partir de pastillas DRAM (Dynamic Random Access Memory)!

q Procesador o CPU: es la parte activa de la placa base. El procesador contiene:!

q La ruta de datos, encargada de realizar las operaciones aritmticas (msculo)!

q La ruta de control: que indica a la ruta de datos, a la memoria y a los dispositivos de E/S qu hacer de acuerdo a las instrucciones del programa (cerebro)!

q Memoria cach: es un tipo de memoria ms pequea y rpida que acta como un buffer de la memoria DRAM. Tecnologa SRAM (Static Random Access Memory)!!

Bajo la cubierta

Contenido de un computador


Bajo la cubierta


!qMemoria principal, voltil, DRAM!qMemoria secundaria, no voltil!

qDiscos magnticos, discos duros!qDiscos pticos!qMemoria flash!

Bajo la cubierta

Almacenamiento de la informacin


!

Bajo la cubierta

Dentro del procesador


!q ISA (Instruction Set Architecture) o arquitectura, de

un computador es la interfaz entre el hardware y el software de ms bajo nivel!q Incluye cualquier cosa que los programadores necesiten

saber para hacer que un programa en lenguaje mquina funcione correctamente: instrucciones, dispositivos de E/S, registros, acceso a memoria !

q El SO encapsula los detalles de la E/S, de la asignacin de memoria y del resto de funciones de bajo nivel!

q as, el principio de abstraccin es el que permite el desarrollo de sistemas complejos basndose en la ocultacin de los detalles de bajo nivel entre niveles sucesivos de una jerarqua!

Bajo la cubierta

Interfaz hardware - software


!q Necesitaremos diferentes mtricas de rendimiento

y conjuntos de aplicaciones para!qMedir el tiempo de respuesta o tiempo de ejecucin!qMedir el throughput (cantidad de trabajo completado

por unidad de tiempo)!q Ejemplo: Indicar si los siguientes cambios en un

ordenador incrementan el throughput, decrementan el tiempo de respuesta o ambos!

1. Reemplazar el procesador por uno ms rpido!2. Aadir ms procesadores a un sistema

multiprocesador para la ejecucin de mltiples tareas!

Rendimiento

Definicin de rendimiento


!qPara un computador X:!

qPara dos computadores X e Y:!

Si X es n veces ms rpido que Y, entonces el tiempo de ejecucin en Y es n veces ms largo que en X!

Rendimiento

Relacin entre rendimiento y tiempo de ejecucin


!qEjemplo: Si el ordenador A ejecuta un programa en 10 segundos y el B en 15, cunto ms rpido es el ordenador A respecto del ordenador B?!

El ordenador A es 1,5 veces ms rpido que el ordenador B!

Rendimiento

Relacin entre rendimiento y tiempo de ejecucin


!q Todos los computadores se disean utilizando un

reloj que marca la realizacin de determinados eventos en el hardware!

qEstos intervalos se denominan ciclos de reloj!q Periodo de reloj: es el tiempo que se tarda en

completar un ciclo de reloj (250 picosegundos o 250 ps)!

q Frecuencia de reloj: es la inversa del periodo de reloj (4 gigahertzios o 4 GHz)!

!

Rendimiento

Midiendo el rendimiento


!q La siguiente frmula establece una relacin entre

los ciclos de reloj y el tiempo de ejecucin:!

! !

!!!

q Por lo tanto, se puede mejorar el rendimiento !

Rendimiento

Rendimiento de la CPU


!q Ejemplo: Un programa tarda 10 segundos en

ejecutarse en el ordenador A, que tiene una frecuencia de reloj de 2 GHz. Queremos que el computador B tarde 6 segundos en ejecutar el mismo programa. En este caso, se puede introducir una mejora para incrementar la frecuencia de reloj, pero esto supone que el ordenador B necesitar 1,2 ciclos de reloj ms que el A para ejecutar el mismo programa. Cul es la frecuencia de reloj que cumple con estas condiciones?!

Rendimiento

Rendimiento de la CPU


!q Podemos pensar en el tiempo de ejecucin de un

programa como el nmero de instrucciones de un programa por el tiempo medio de ejecucin de cada instruccin:!

q El CPI o ciclos por instruccin, es el nmero medio de ciclos de reloj que se necesitan para ejecutar una instruccin!

q El CPI nos permite comparar dos implementaciones distintas del mismo ISA!

Rendimiento

Ciclos por instruccin


!qEjemplo: Tenemos dos implementaciones

del mismo ISA. La implementacin A tiene un periodo de reloj de 250 ps y un CPI de 2 para un programa, mientras que la B tiene un periodo de reloj de 500 ps y un CPI de 1,2 para el mismo programa. Qu ordenador es ms rpido ejecutando este programa y por cunto?!

Rendimiento

Ciclos por instruccin


!q Podemos reescribir la frmula bsica del

rendimiento en trminos del nmero de instrucciones ejecutadas, del CPI y del periodo de reloj:!

! !!

q Estas frmulas son particularmente tiles puesto que separan los tres factores clave que afectan al rendimiento!

Rendimiento

Frmula clsica del rendimiento de la CPU


!q Ejemplo: Un diseador de compiladores se tienen que decidir

entre dos secuencias de cdigo para un computador particular. Se proporcionan los siguientes datos: !

q Qu secuencia de cdigo ejecuta ms instrucciones? Cul es ms rpida? Cul es el CPI de cada secuencia?!

Rendimiento

Frmula clsica del rendimiento de la CPU

Tipo de instruccin A B C CPI 1 2 3

Secuencia de cdigo

Nmero de instrucciones por cada clase de instruccin

A B C 1 2 1 2 2 4 1 1


!

Rendimiento

Unidades de medida

Componente del rendimiento

Unidades de medida

Tiempo de CPU para un programa

Segundos para el programa

Recuento de instrucciones Instrucciones ejecutadas para un programa

CPI Nmero medio de ciclos por instruccin

Ciclo de reloj Segundos por ciclo de reloj


!

Rendimiento

Entendiendo el rendimiento de un programa

Componente hardware o software

A qu afecta?

Algoritmo Recuento de instrucciones y posiblemente al CPI

Lenguaje de programacin Recuento de instrucciones y CPI Compilador Recuento de instrucciones y CPI ISA Recuento de instrucciones,

frecuencia de reloj, CPI


!q Inicios - vlvulas: !

q En 1941 se inicia la construccin del ENIAC!q En 1945 John Von Neuman publica el artculo First Draft of a

Report on the EDVAC!q 2 generacin - transistores: !

q 1947, invencin del transistor!q CDC 1604, PDP-1 !

q 3 generacin - circuitos integrados:!q 1964, aparicin del circuito integrado!q CDC 6400, PDP-5, !

q 4 generacin - microprocesadores:!q Dcada de los 70, primer microprocesador y pastillas de

memoria de semiconductor!q Ordenador personal .!

q Redes de computadores y ms!

Evolucin histrica de los computadores

Evolucin de los dispositivos de clculo


ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Calculator)


UNIVAC I, primer computador comercial de los EEUU


IBM System/360 modelos 40, 50, 60 y 75 introducidos en 1964


Cray-1, primer supercomputador comercial, 1976


El Apple Iie Plus


El Xerox Alto sirvi de inspiracin para los modernos desktops


Caractersticas de computadores comerciales desde 1950

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