Unidad Sistemas Computacionales



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Figura 1 Visión general de los componentes de hardware

El CPU ejecuta las instrucciones almacenadas en los dispositivos de memoria. Cuando la computadora se enciende, el CPU extrae las instrucciones de los dispositivos de memoria permanentes, la ROM y la CMOS. La ROM es la memoria de sólo lectura que almacena las instrucciones requeridas para arrancar la computadora. La CMOS contiene los datos de configuración del sistema. Una vez que la computadora es encendida, la RAM es usada para cargar el resto de las instrucciones a ser ejecutadas por el CPU. Los datos en RAM son temporales y se perderán cuando la computadora se apague.

Los datos de los dispositivos de almacenamiento como la unidad de CD-ROM y la unidad de disco duro, son transmitidos a través del controlador de disco. Los datos también pueden ser almacenados en el disco duro o en un CD.

Los datos en el sistema de hardware pasan a través de buses. Los buses son los canales de comunicación entre los componentes de la unidad del sistema.

Los dispositivos periféricos como el teclado, ratón, joystick, impresora, bocinas, micrófono, etc. Están conectados a la computadora a través de puertos que generalmente se encuentran en la parte trasera de la unidad del sistema. Las tarjetas gráficas o las tarjetas de sonido también son ejemplos de tarjetas de expansión, que pueden ser insertadas en la ranura de expansión de la computadora, para extender o mejorar la funcionalidad de una computadora.

Cuando una computadora procesa solicitudes de un usuario, el CPU dirige a los otros componentes para que realicen tareas específicas, y los datos se pasan entre los componentes a través de buses y el conjunto de chips (chipset). Utiliza el diagrama anterior mientras sigas la forma en que los datos son transmitidos de componente a componente en los escenarios de muestra que se incluyen a continuación:

Para guardar un archivo en el disco duro, el CPU podría pasar los datos que se quieren guardar a través del bus frontal hacia el conjunto de chips. El conjunto de chips envía el archivo de datos a través del bus PCI hacia el controlador del disco, que después enviará los datos al disco duro de la computadora.

Para abrir y desplegar un archivo de imagen, el CPU le avisa al controlador de disco que extraiga el archivo de imagen del dispositivo de almacenamiento y lo guarde en la RAM. La tarjeta gráfica podría acceder los datos de la imagen y desplegar la imagen a manera de píxeles en el monitor de la computadora.

Estas son generalizaciones de la forma en que interactúan los componentes. Al tratar de entender un sistema de hardware, mantén en mente los conceptos generales de cómo trabajan juntos los componentes, e investiga sus especificaciones para tener un entendimiento más preciso de la manera en que un determinado sistema de hardware trabaja. La naturaleza exacta de cómo trabaja e interactúa cada componente con los demás, se encuentra fuera del alcance de este curso.

2.4.2 Lab: Investigando un Sistema Computacional

A través de la red puedes investigar acerca de un sistema computacional, obteniendo revisiones de diferentes productos y comparaciones de precios. Imagina que estás interesado en una línea particular de computadoras portátiles, como la Dell Inspiron o la Sony Vaio. La siguiente actividad te guiará para que realices una comparación.



Ejercicio de Aprendizaje:

  1. Visita el sitio Web de Ziff Davis (www.zdnet.com), y da un clic a la sección "Reviews" Luego entra a "Notebooks" y selecciona una computadora que te parezca interesante. Luego, da un clic a la liga de la máquina para ver la revisión.


  2. Ahora da un clic en la pestaña "Review" para leer una discusión detallada del producto. Revisa la información acerca de disponibilidad y precio.


  3. Ziff-Davis también publica la revista Computer Shopper y su sitio Web www.zdnet.com/computershopper.


  4. También puedes encontrar revisiones de productos e información de precios en el sitio Web de CNET www.cnet.com.


2.4.3 Lab: Configuración en Línea

Los sitios Web de algunas tiendas de computadoras te permiten especificar la configuración de un sistema, seleccionando de varios menús que muestran las opciones disponibles. Posteriormente, al dar un clic al botón de "actualizar precio", puedes ver el precio exacto del sistema que seleccionaste. Dos sitios Web de este tipo son Dell (www.dell.com) y Gateway, Inc. (www.gateway.com).



Ejercicio de Aprendizaje:

  1. Visita el sitio de una tienda de computadoras. Imagina que tienes un presupuesto de $1,200 dólares y deseas una computadora apropiada para un estudiante universitario de una carrera relacionada con las Ciencias Computacionales.


  2. Ahora asume que vas a comprar una computadora de bolsillo para un hombre/mujer de negocios que viaja constantemente en avión y está preocupado(a) por el peso y la vida de la batería. ¿Qué puedes obtener por $2,500 dólares?

2.5 Mejorando el Desempeño de la Computadora

¿Cómo medimos el desempeño de la computadora? ¿Cómo está siendo mejorado el desempeño de la computadora? Estos son algunos de los temas cubiertos en esta sección.



Secuencia de Lecturas:

  1. 2.5.1 La Ley de Moore. Objetivo de Aprendizaje: Conocer los fundamentos sobre el crecimiento exponencial en el almacén de memoria de la computadora y las capacidades de cómputo.

  1. 2.5.2 Cuellos de Botella. Objetivo de Aprendizaje: Entender el desarrollo de los cuellos de botella y la manera de corregirlos.

  1. 2.5.3 Rendimiento y Latencia. Objetivo de Aprendizaje: Definición de rendimiento y latencia con respecto al desempeño de la computadora.

  1. Parsons/Oja, Capítulo 8-Sección B "Compresión de Imágenes" (páginas 425-427). Objetivo de Aprendizaje: Entender cómo puede utilizarse la compresión de datos 1) para reducir la cantidad de espacio requerido para almacenar archivos, y 2) para mejorar el rendimiento, reduciendo el número de bytes que deben ser transmitidos.

2.5.1 La Ley de Moore

Un transistor es un interruptor electrónico que puede alternar entre dos estados, "prendido" y "apagado", y representa un bit de información. Los microchips modernos contienen millones de transistores pequeñísimos, los cuales no se distinguen a simple vista. Gordon Moore uno de los fundadores de Intel observó que desde 1965 la capacidad de un microchip (el número de transistores dentro de un chip de silicio) se ha duplicado cada año. Esta tendencia en la computación que continúa hasta la fecha se ha llegado a conocer como la Ley de Moore, sin embargo, en los últimos años el ritmo ha sido más lento y en la actualidad la capacidad del chip aumenta al doble cada18 meses, en vez de cada año. La ley de Moore es un ejemplo de crecimiento exponencial y se refiere específicamente a la capacidad de los microchips y se puede declarar de la siguiente manera: El número de transistores contenidos en un microchip se duplica cada 18 meses, hasta donde el límite físico lo permita.

Para ilustrar el potencial del crecimiento exponencial, consideraremos la parábola del inventor del ajedrez y su emperador. El emperador ofreció recompensar al inventor con cualquier cosa que él deseara, para crear el juego de ajedrez. El inventor solicitó que le dieran un grano de arroz por el primer cuadro del tablero de ajedrez, y que cada cuadro adicional duplicaría la cantidad de arroz del cuadro anterior. El emperador inmediatamente concedió su deseo. Existen 64 cuadros en el tablero de ajedrez. Para el cuadro número 32, 4 billones de granos de arroz ya habían sido entregados, que equivale aproximadamente al tamaño de un campo grande lleno de arroz. El siguiente cuadro necesitaría cerca de 2 millones de granos de arroz, el siguiente cuadro cerca de 4 millones, el siguiente cerca de 8 millones y así sucesivamente. Para el cuadro número 64 se necesitarían 9*1018 granos de arroz, que es más que la cantidad de arroz que podría ser producida incluso si la superficie de la tierra entera se utilizara para producir arroz.

El número de transistores en un solo chip se incrementa con una tasa exponencial y se duplica cada 12- 18 meses. El siguiente gráfico ilustra el incremento exponencial en el número de transistores, en los procesadores introducidos a través de los años.





Figura 1 Ilustración de la ley de Moore aplicada a los procesadores Intel

La siguiente gráfica en escala logarítmica te ofrece una perspectiva diferente del crecimiento exponencial de los transistores en un microchip





Figura 2 Ilustración de la ley de Moore aplicada a los procesadores Intel en una escala logarítmica.

Para datos más recientes, consulte el "press kit" de Intel

Con el crecimiento exponencial de la densidad de transistores en los microchips, se pueden hacer muchas inferencias que permitan a los analistas predecir otros desarrollos en la industria de la computación. Si se extiende el alcance de la Ley de Moore, se pueden hacer las siguientes predicciones.


  1. El poder de procesamiento (rapidez) se duplicará cada 12-18 meses.

  2. La capacidad de almacenamiento de la RAM se duplicará cada 12-18 meses

Otra observación es que la capacidad de almacenamiento del disco duro también se incrementa exponencialmente, y el costo para los consumidores al adquirir partes de computadoras decrece a través del tiempo.

La razón por la cual la Ley de Moore continúa vigente, es que la tecnología de circuitos se hace cada vez más pequeña. Los circuitos que antes necesitaban cientos de micrones cuadrados de silicio (un micrón es una millonésima de un metro) ahora caben en unos cuantos micrones cuadrados. Esta tendencia ha dado la posibilidad de acomodar más circuitos en la misma área. Los procesadores, los chips de memoria, y los chips de propósito específico para controlar los dispositivos periféricos, se hacen cada vez más densos. Aunque la Ley de Moore solamente predice el incremento en la densidad de los circuitos, el incremento en densidad reduce el tiempo requerido para la comunicación entre los componentes, lo cual significa que los chips pueden procesar datos más rápido.

Las mejoras en la tecnología de microchip están siendo emparejadas por mejoras en muchas otras tecnologías encontradas en sistemas informáticos. La capacidad de disco está aumentando por varias razones, mejoras en los soportes magnéticos (la capa de óxido de hierro que cubre la superficie del disco, discos más planos, etc.) y la electrónica de lectura/escritura, está aumentando la capacidad del disco duro. La introducción de las nuevas tecnologías de disco óptico, es otra fuente del incremento de la capacidad de almacenaje para las computadoras personales. Los aumentos correspondientes en la velocidad del procesador y del ancho de banda del bus, permiten a las computadoras tomar ventaja completa del crecimiento en las capacidades de almacenaje.

A pesar del crecimiento en la velocidad de procesamiento y la capacidad de almacenaje, el costo por byte de dato procesado o almacenado decrece conforme los chips de memoria de baja capacidad se van volviendo obsoletos. Por ejemplo, el costo de una memoria RAM de 64MB un par de años atrás, es actualmente el mismo costo de una memoria RAM de 128 MB

La Ley de Datos de Parkinson es un ejemplo interesante de los avances en capacidad y rendimiento de procesamiento. Esta ley declara que los datos se expanden para llenar el espacio disponible. En otras palabras, mientras exista más memoria disponible, la demanda para tener más memoria o espacio en disco crece. Por ejemplo, cuando las computadoras sólo tenían unos cuantos Kilobytes (KB) de memoria, sus sistemas operativos ocupaban solo 4KB. Hoy en día las computadoras tienen cuando menos 128 MB o más de memoria y de acuerdo a la Ley de Datos de Parkinson, los sistemas operativos de hoy son mucho más sofisticados y requieren de varios megabytes de memoria. De manera similar, conforme crece la capacidad del disco duro, los usuarios lo empiezan a utilizar con propósitos diferentes. Las primeras computadoras tenían discos flexibles o disquetes de 360 KB en donde se almacenaban archivos pequeños de texto. En la actualidad, las computadoras están equipadas con discos duros de varios gigabytes y los usuarios almacenan música y videos ocupando varios megabytes y películas de largo metraje en DVD (Típicamente 5 gigabytes)

La ley de Parkinson conduce a toda la industria de la computación, a través del conocimiento de que las aplicaciones siempre mantendrán el paso con la Ley de Moore. Al incrementar la capacidad, los usuarios exigen mayor rendimiento para llevar a cabo trabajos más ambiciosos. Gracias a la Ley de Moore, podemos esperar ver mejoras continuas en la tecnología para satisfacer las demandas del consumidor que desea mejor rendimiento, a precios accesibles. (Cabe notar que la Ley de Moore no hace referencia a todos los aspectos de la tecnología computacional. No menciona nada sobre incrementos en la confiabilidad de los sistemas, ni sobre la calidad de los programas de software usados en los sistemas computacionales).

Las leyes de física sugieren que mientras no haya cambios fundamentales en la tecnología de los chips, hay límites en la mejora del rendimiento computacional. Por ejemplo, los canales de los circuitos están limitados por su ancho ya que tienen que permitir el paso de los electrones. Otra limitante es la longitud de la onda de luz. Para grabar los circuitos en el silicio se utiliza luz; y la longitud de la onda de la luz en el proceso está directamente relacionada con el ancho del circuito. La Luz ultravioleta tiene una longitud de onda de luz más corta que la luz visible, y la de los rayos X es aún más corta. Sin embargo, aún existen problemas técnicos al utilizar longitudes de onda tan cortas. ¿Qué sucederá cuando se llegue al límite? No se sabe a ciencia a cierta, pero la experiencia sugiere que el progreso continuará y tal vez tome direcciones no anticipadas. Es posible que el costo de producir chips ultra-densos sea tanto, que se limite solamente a las computadoras muy costosas.

2.5.2 Cuellos de Botella


  1. Cuellos de Botella—Haciendo Más Lento un Proceso

  2. Cuellos de Botella Típicos

  3. Cómo Eliminar los Cuellos de Botella

Cuellos de Botella—Haciendo Más Lento un Proceso

Los vasos de boca ancha vacían su contenido más rápido que los vasos de cuello largo y delgado. Cada tarea que realiza la computadora requiere que se lleven a cabo varios pasos. El término cuello de botella se refiere al paso que tarda mucho en completarse y que hace que se reduzca el desempeño total de la tarea. Tal como podemos decir que "una cadena es tan fuerte como su eslabón más débil", así la velocidad del procesador o su desempeño, está limitado por el tiempo que lleva ejecutar su paso más lento.

Por lo tanto, de nada sirve que nuestra computadora tenga un procesador muy rápido, si su memoria es lenta en la transmisión de información. En este caso, un disco lento reducirá el desempeño global del sistema. Aunque cuentes con un procesador muy rápido, si otras partes de tu computadora son muy lentas, no se mejorará el rendimiento de tu computadora.

Por ejemplo, vamos a suponer que estás en tu computadora ejecutando un programa. Se está tardando demasiado. ¿Cómo puedes arreglar este problema? Como tu computadora es Pentium II y no Ethernet Pentium 4, se te ocurre que si la cambias, se arregla el problema. Sin embargo, puede haber otros factores que influyan en la velocidad de transmisión. Puedes estar corriendo con poca RAM, o tu bus no está transfiriendo los datos lo suficientemente rápido.

Del mismo modo, el tiempo que se requiere para llevar a cabo una tarea consiste de varios pasos, puede ser dominada por el paso que se tarda más. En este caso, aunque aceleres el tiempo que tardan otros pasos en realizarse, puedes tener una mejoría pequeña en la tarea. Vamos a suponer que para preparar una cena debes realizar los siguientes pasos: 1. picar ingredientes: 10 min. 2. hornear platillo: 2 horas. 3. batir la salsa: 15 min. Si compras una procesadora de alimentos, puedes picar los ingredientes en un minuto, reduces al 10% el tiempo que tardas en picar los ingredientes; sin embargo, reduces el tiempo que tardas en preparar la cena solo un 6%. Por otro lado, si compraras un horno que pudiera reducir el tiempo de horneado a la mitad, reduces el 50% el tiempo de horneado es decir una hora y con esto puedes reducir el tiempo que tardas en preparar la cena un 41%.
Cuellos de Botella Típicos

A continuación se muestran algunas áreas del sistema de hardware que pueden ser cuellos de botella:



  1. Caché

  2. RAM

  3. I/O (Entradas y Salidas)

  4. Tarjeta de Video (particularmente para juegos en 3-D)

Cuando no hay suficiente memoria caché, se hace más lento todo el sistema. Los procesadores más rápidos que requieren recibir más información para que se ejecuten de manera óptima, tal vez no reciban suficientes datos de memorias caché pequeñas.

La RAM carga instrucciones de los programas en un disco. Por lo tanto, si no existe suficiente memoria RAM, las instrucciones deberán ser cargadas frecuentemente del disco, haciendo más lenta la ejecución de las instrucciones del programa.

I/O se encarga de la transferencia de información. ¿Los buses de tu computadora son lo suficientemente rápidos? ¿Tu disco duro es lo suficientemente rápido? Tal vez los componentes instalados pueden enviar datos de manera rápida pero si el sistema no puede transferir estos datos a la misma velocidad, el desempeño del sistema se hace más lento.

La mayoría de los usuarios de negocios no sufre al contar con una tarjeta de video lenta. Sin embargo, los jugadores de videojuegos, diseñadores gráficos, y algunos ingenieros, requieren tarjetas de video de alta velocidad para mantener el paso de los requerimientos del software. El usuario promedio no requiere una de estas tarjetas de video, sin embargo, las imágenes producidas por las tarjetas más lentas pueden afectar el desempeño de otras aplicaciones.



Cómo Eliminar los Cuellos de Botella

¿Podemos acelerar el desempeño de una computadora? En realidad lo que se quiere es acelerar las tareas que realiza la computadora, no a la computadora en sí. Esta es una diferencia importante. Para acelerar el desempeño de la computadora requieres comprar un procesador mas rápido, instalar más memoria, comprar buses o canales más rápidos o instalar unidades y controladores de video más rápidos. Si actualizas estos componentes de manera equilibrada, el sistema será más rápido. (Recuerda que un cuello de botella puede deteriorar el desempeño de todo el sistema). El laboratorio que realizaste en la sección, 2.1.3 Laboratorio: Benchmarking, te ayudará a identificar los cuellos de botella o puntos lentos en tu sistema.

La clave para llevar a cabo estas mejoras de manera efectiva es analizar y comprender la razón por la cual ciertas tareas se están tardando tanto tiempo. Para esto, puedes hacer experimentos y probar si determinado componente representa un cuello de botella. Los desarrolladores de sistemas aplican estas técnicas constantemente para medir cuanto tiempo se tardan las diversas secciones del programa en ejecutarse. De esta manera identifican los cuellos de botella y se enfocan en mejorar esta parte del código.

Latencia__Rendimiento'>2.5.3 Rendimiento y Latencia

Rendimiento ("Throughput" en inglés) y Latencia ("Latency" en inglés) son dos términos clave usados al discutir acerca del desempeño de una computadora.

Rendimiento se refiere a la tasa a la cual las tareas se completan en una unidad de tiempo. Por ejemplo una computadora puede ejecutar 500 millones de instrucciones por segundo. Latencia se refiere al tiempo requerido para completar una operación individual. Por ejemplo, puede tomar 5 segundos en iniciar una aplicación, o dos minutos para reiniciar todo el sistema.

Estos conceptos están claramente relacionados. Por ejemplo, supongamos que usted quiere que su servidor Web pueda mostrar un archivo gráfico muy grande en la computadora de un usuario cuando presiona un botón. Latencia se refiere al tiempo pasa desde que el botón fue presionado y hasta la imagen se muestra. Si la imagen es un archivo de 1 MB, con una tasa derendimiento de megabits por segundo, la latencia para mostrar la imagen será al menos de 0.8 segundos. ¿Cuándo es más apropiado utilizar latencia o rendimiento? la respuesta dependerá de lo que desea medir.

Si está seleccionando un proveedor para la conexión de red de su servidor de web, usted estará más interesado en tener la suficiente taza de rendimiento, o ancho de banda, para responder a sus necesidades. Si usted es un usuario del mismo servidor de web, sin duda usted estará interesado por la latencia de su solicitud. No le importará a usted saber cuántas otras peticiones se encuentra procesando el servidor por segundo (es decir, rendimiento). Usted estará preocupado con la respuesta a su propia petición.



Como administrador del servidor, usted podrá escuchar quejas de personas de que su latencia es excesivamente alta, aunque su rendimiento es aceptable. Digamos por ejemplo que su servidor maneja dos tipos diferentes de peticiones: una petición de un archivo pequeño que puede enviarse de manera rápida y una petición de un archivo grande que toma mucho tiempo en enviarse. Si la gran mayoría de las peticiones son para los archivos pequeños, su rendimiento (los bits enviados por segundo) y la latencia para los pequeños archivos pueden estar bien, mientras que la latencia para archivos de gran tamaño puede ser inaceptable.

Una manera sencilla de entender la latencia es el considerar el tiempo que se tarda en hacer una tarea como la suma de un tiempo constante para el inicio de la tarea, más el tiempo que se lleva en realizar la tarea, que dependerá del tamaño de la misma.


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