ORGANIZACIÓN DE SISTEMAS DIGITALES DRA. LETICIA FLORES PULIDO Dra. Leticia Flores Pulido / DCSCE / Primavera 2013 1.

Presentación del tema: "ORGANIZACIÓN DE SISTEMAS DIGITALES DRA. LETICIA FLORES PULIDO Dra. Leticia Flores Pulido / DCSCE / Primavera 2013 1."— Transcripción de la presentación:

1 ORGANIZACIÓN DE SISTEMAS DIGITALES DRA. LETICIA FLORES PULIDO Dra. Leticia Flores Pulido / DCSCE / Primavera 2013 1

2 SISTEMAS DIGITALES  CONCEPTO: Un sistema digital es un conjunto de dispositivos destinados a al generación, transmisión, procesamiento y almacenamiento de señales digitales.  Es una combinación de dispositivos diseñados para manipular cantidades físicas o información que estén representadas en forma digital.  Para el análisis y síntesis de sistemas digitales binarios se hace uso del álgebra de Boole. Dra. Leticia Flores Pulido / DCSCE / Primavera 2013 2

3 SE DIVIDEN EN:  Sistemas Digitales Combinacionales: Donde las salidas dependen del estado de sus entradas en un momento dado.  Sistemas Digitales Secuenciales: Aquellos cuyas salidas dependen del estado de sus entradas en un momento dado, de estados previos. Esta clase de sistemas requieren elementos de memoria que recojan la información del estado previo del sistema. Dra. Leticia Flores Pulido / DCSCE / Primavera 2013 3

4 SEGÚN EL PROPÓSITO SE DIVIDEN EN:  Sistemas de Propósito Especiales.  Sistemas de Propósito Generales.  Estos últimos permiten el cambio de su comportamiento mediante la programación de algoritmos de soluciones de problemas específicos, como en el caso de:  Programación Paralela  Programación Concurrente Dra. Leticia Flores Pulido / DCSCE / Primavera 2013 4

5 COMPUTADORAS PARALELAS  Actualmente existe una alta demanda del poder computacional y se están utilizando múltiples computadoras con múltiples procesadores e incluso múltiples conexiones entre computadoras.  Existen algunos aspectos que permiten aumentar la velocidad de ejecución haciendo uso de las nuevas tecnologías, así como ciertas limitaciones. Dra. Leticia Flores Pulido / DCSCE / Primavera 2013 5

6 LA DEMANDA POR VELOCIDAD COMPUTACIONAL  En la actualidad ha aumentado la demanda por mayor poder computacional lo cual ya es posible.  Algunas de las áreas con mayor demanda son:  SIMULACIÓN NUMÉRICA  SIMULACIÓN CIENTÍFICA  PROBLEMAS DE INGENIERÍA  Estos problemas requieren de una enorme cantidad de calculo de datos repetitivos o grandes cantidades de datos para proveer resultados válidos Dra. Leticia Flores Pulido / DCSCE / Primavera 2013 6

7 LA DEMANDA POR VELOCIDAD COMPUTACIONAL  Los cálculos deben realizarse dentro de un período de tiempo “razonable”  Dentro de las esferas de fabricación, los cálculos ingenieriles y las simulaciones, deben ser logradas dentro de segundos o minutos de ser posible.  Una simulación que se toma aproximadamente dos semanas para alcanzar una solución, no es precisamente una solución aceptable dentro de los entornos de diseño. Dra. Leticia Flores Pulido / DCSCE / Primavera 2013 7

8 LA DEMANDA POR VELOCIDAD COMPUTACIONAL  Conforme los sistemas se van volviendo más complejos, se requiere mayor tiempo para simularlos  Existen aplicaciones como por ejemplo la predicción del clima, que requieren un tiempo límite para simularlos.  Si la simulación del clima para el día siguiente nos toma dos días, estos resultados podrían ser inútiles  En el caso de modelado de estructuras de ADN y del ejemplo anterior son problemas con grandes retos computacionales. Dra. Leticia Flores Pulido / DCSCE / Primavera 2013 8

9 LA DEMANDA POR VELOCIDAD COMPUTACIONAL  MODELADO DEL TIEMPO  Requiere predicción numérica del tiempo  Se modela la atmósfera en tres regiones tridimensionales  Se requiere la creación de sistemas de ecuaciones matemáticas complejas  Dichas ecuaciones se utilizan para capturar efectos atmosféricos diversos. Dra. Leticia Flores Pulido / DCSCE / Primavera 2013 9

10 LA DEMANDA POR VELOCIDAD COMPUTACIONAL  En esencia, las condiciones de cada sector tridimensional se calculan en intervalos de tiempo como son:  Temperatura  Presión  Humedad  Velocidad del Viento  Dirección del Viento  Estos datos son modelados varias veces dependiendo de cada subsector del planeta. Dra. Leticia Flores Pulido / DCSCE / Primavera 2013 10

11 LA DEMANDA POR VELOCIDAD COMPUTACIONAL  DATOS METEOROLÓGICOS  Supongamos que deseamos analizar la atmósfera del planeta dividida en células o regiones de 1kmX1kmX1km  A una altura de 10 km -10 células o regiones-  Un cálculo superficial nos lleva a tomar cerca de 5X10 8 células  Suponga que cada cálculo requiere 200 operaciones de punto flotante Dra. Leticia Flores Pulido / DCSCE / Primavera 2013 11

12 LA DEMANDA POR VELOCIDAD COMPUTACIONAL Dra. Leticia Flores Pulido / DCSCE / Primavera 2013 12

13 LA DEMANDA POR VELOCIDAD COMPUTACIONAL  En una sola iteración 10 11 operaciones de punto flotante son requeridas  Si se desea analizar el clima durante los próximos 7 días en intervalos de tiempo de 1 minuto habría cerca de 10 15 operaciones en cada intervalo de un minuto  Una computadora capaz de 1Gflop (10 9 operaciones de punto flotante por segundo) requeriría 10 6 segundos o cerca de 10 días para realizar el cálculo. Dra. Leticia Flores Pulido / DCSCE / Primavera 2013 13

14 LA DEMANDA POR VELOCIDAD COMPUTACIONAL  Si deseamos realizar dicho cálculo en 5 minutos podrimos requerir una computadora que opere a 3.4 Teraflops (3.4X10 12 operaciones de punto flotante sobre segundo) Dra. Leticia Flores Pulido / DCSCE / Primavera 2013 14

15 LA DEMANDA POR VELOCIDAD COMPUTACIONAL  MOVIMIENTO DE CUERPOS ASTRONÓMICOS ESTELARES  Este es un problema que también requiere este tipo de poder computacional  Donde cada cuerpo es atacado por otro cuerpo con ciertas fuerzas gravitacionales  Estas son fuerzas de alto rango que pueden ser calculadas con fórmulas simples Dra. Leticia Flores Pulido / DCSCE / Primavera 2013 15

16 LA DEMANDA POR VELOCIDAD COMPUTACIONAL  El movimiento de cada cuerpo puede ser predicho al calcular la fuerza total que recibe cada cuerpo  Si existen N cuerpos, habrá N-1 fuerzas para calcular en cada cuerpo  Esto implica aproximadamente N 2 cálculos en total.  Después de determinar una nueva posición para el cuerpo, los cálculos deben ser repetidos Dra. Leticia Flores Pulido / DCSCE / Primavera 2013 16

17 LA DEMANDA POR VELOCIDAD COMPUTACIONAL Dra. Leticia Flores Pulido / DCSCE / Primavera 2013 17

18 LA DEMANDA POR VELOCIDAD COMPUTACIONAL  Esto se complica cuando se tiene un alto número de cuerpos a considerar  Una galaxia puede tener digamos 10 11 estrellas  Esto indica que 10 22 cálculos deben ser repetidos  Aunque se utilice un buen algoritmo,  Se requieren N log 2 N cálculos  Si cada cálculo se hiciera en 1 microsegundo –siendo optimistas- Dra. Leticia Flores Pulido / DCSCE / Primavera 2013 18

19 LA DEMANDA POR VELOCIDAD COMPUTACIONAL  Se tomarían 10 9 años para una iteración  Este tipo de modelaciones se utilizan en biología, química y sistemas moleculares. Dra. Leticia Flores Pulido / DCSCE / Primavera 2013 19

20 LA DEMANDA POR VELOCIDAD COMPUTACIONAL  Existen aplicaciones recientes como la realidad virtual que requieren considerables velocidades de computo  Sabemos que una computadora tradicionalmente contaba con un solo procesador para realizar acciones de un programa  Una manera de aumentar esta velocidad es utilizar múltiples procesadores o varias computadoras trabajando en un solo problema Dra. Leticia Flores Pulido / DCSCE / Primavera 2013 20

21 LA DEMANDA POR VELOCIDAD COMPUTACIONAL  En algunos casos el problema se divide en partes y cada uno se ejecuta en un procesador aparte Dra. Leticia Flores Pulido / DCSCE / Primavera 2013 21

22 LA DEMANDA POR VELOCIDAD COMPUTACIONAL  Escribir programas para este tipo de aplicaciones es lo que conocemos como PROGRAMACIÓN PARALELA  El enfoque sugiere un aumento la velocidad de ejecución de los programas  La idea es que un procesador/computadora p pueda proveer arriba de p veces la velocidad computacional de un simple procesador/computadora sin importar la velocidad real del procesador con la expectativa de que el programa pueda ser terminado en 1/p de tiempo.  Por supuesto es una situación real que es muy rara de alcanzar en la práctica. Hasta ahora. Dra. Leticia Flores Pulido / DCSCE / Primavera 2013 22

23 LA DEMANDA POR VELOCIDAD COMPUTACIONAL  Como algunos problemas no pueden ser divididos perfectamente en partes independientes, y casi siempre unas dependen de otras y se requiere de cierta interacción para la transferencia de datos, es importante un proceso de sincronización  Un mejoramiento en la velocidad puede alcanzarse de manera substancial dependiendo de:  EL PROBLEMA  CANTIDAD DE PARALELISMO EXISTENTE EN EL Dra. Leticia Flores Pulido / DCSCE / Primavera 2013 23

24 LA DEMANDA POR VELOCIDAD COMPUTACIONAL  Finalmente el problema de predecir el clima puede ser solucionado por varios procesadores donde cada uno calcula los parámetros de una región en especial de la atmósfera  Otro punto a favor en estas soluciones es que se puede tener mayor memoria si se trabaja con diferentes computadoras al mismo tiempo Dra. Leticia Flores Pulido / DCSCE / Primavera 2013 24

25 LA DEMANDA POR VELOCIDAD COMPUTACIONAL  Otra ventaja es que la misma solución realizada por un procesador, puede ser llevada y ejecutada a un sistema paralelo, y de este modo es posible ejecutar un mismo programa en un sistema mas veloz con mejores resultados  Sabemos entonces que multiples computadores o multiples procesadores se conoce como un cluster  Esto ha sido ampliamente utilizado por la WEB Dra. Leticia Flores Pulido / DCSCE / Primavera 2013 25

26 LA DEMANDA POR VELOCIDAD COMPUTACIONAL Dra. Leticia Flores Pulido / DCSCE / Primavera 2013 26

27 LA DEMANDA POR VELOCIDAD COMPUTACIONAL  Donde varias peticiones son atendidas por múltiples procesadores a la vez  La idea de la programación paralela no es nueva:  GILL, 1958  HOLLAND, 1959  CONWAY, 1963  FLYNN AND RUDD, 1966 Dra. Leticia Flores Pulido / DCSCE / Primavera 2013 27