Conceptes Essencials d'Arquitectura de Computadors

Arquitectura Von Neumann

Segons el model Von Neumann, el programa (conjunt d’instruccions) s’emmagatzema a la memòria igual que les dades. Els elements de l’arquitectura Von Neumann són:

• La memòria principal, que conté tant el codi del programa com les dades i resultats.
• La unitat aritmètica i lògica (ALU), que és l’encarregada de realitzar totes les operacions sobre les dades.
• La unitat de control, responsable de coordinar el funcionament de tot l’equip.
• La unitat d’entrada/sortida, que s’encarrega de la transferència d’informació entre la memòria i els diferents dispositius d’entrada o sortida de dades.

Jerarquia de Memòria i Paràmetres

L’eficiència d’una jerarquia de memòria es mesura amb els paràmetres següents:

• Taxa d’encerts (Hit Ratio - Hr): La taxa d’encerts del nivell k és la probabilitat de trobar la informació cercada en el nivell k. La Taxa de falles és Tf k = 1 - Hr k.
• Mitjana del Temps d’accés efectiu (Taf): D’un programa es calcula promitjant els temps de tots els accessos a memòria que realitza durant la seva execució. Es pot calcular com: Ta f = Ta + (1 - Hr)Pf, on:
  • Ta és el temps en cas d’encert.
  • Pf és la penalització per falla.
  • Hr és la taxa d’encert.

La Taula de Pàgines

La taula de pàgines és una estructura d’informació gestionada pel sistema operatiu que conté informació de les pàgines d’un determinat programa i la seva ubicació real (sobre memòria real o disc). A partir de la informació del marc de pàgina es tradueix l’adreça virtual a adreça real.

Registres del Processador

El registre de dades serveix per a l’intercanvi de dades. Un dels bits del registre d’estat s’usa per indicar que el controlador pot transferir una paraula; altres bits serveixen per indicar problemes o el mode d’operació. El registre de control s’usa per indicar les operacions a realitzar.

Modes d'Entrada/Sortida (E/S)

Existeixen diferents modes de realitzar les operacions d’entrada/sortida:

• E/S programada: processador amb espera activa.
• E/S per interrupcions: processador amb espera passiva.
• E/S per DMA (Direct Memory Access): transferència sense intervenció del processador.
• E/S per canal: operació sense intervenció del processador.

Multiprocessadors i Multicomputadors

Una màquina multiprocessador està formada per diversos processadors, cadascun executant el seu propi programa, que comparteixen una memòria en comú i un únic sistema operatiu.

Esquemes de Memòria en Multiprocessadors

Depenent de l’esquema de memòria utilitzat, es classifiquen com:

• Esquema UMA (Uniform Memory Access): Tots els processadors comparteixen uniformement tota la memòria principal, podent accedir-hi a igual velocitat. També s’anomena multiprocessador simètric.
• Esquema NUMA (Non Uniform Memory Access): Tots els processadors poden accedir a la memòria principal, però per a cadascun d’ells existeixen zones amb accés més ràpid.
• Esquema COMA (Cache Only Memory Architecture): Només existeixen memòries cau de gran capacitat.

Característiques dels Multicomputadors

Un multicomputador és una màquina formada per nodes, on cadascun d’ells consta de processador, memòria principal i, si cal, elements d’E/S.

• Cada node té el seu propi sistema operatiu.
• Els processadors no poden compartir dades a memòria principal.
• La programació es basa en el paradigma de pas de missatges.