Arquitectura para una computadora de juegos

ARQUITECTURA PARA UNA COMPUTADORA DE JUEGOS

Saludos en esta entrada lo que se pretende es armar o contruir conceptualmente una aquitectura para una computadora de juegos que pueda procesar graficos de alta calidad, resolucion y tiempo de respuesta inmediata al input de los jugadores. 

 Para comenzar con este diseño se nombrara algunos de los juegos mas pesados que en la actualidad llegaron a poner a prueba a los computadores: 

• Battelfield 3 es un juego que requiere velocidad y capacidad de procesamiento en imagenes, la exigencia es mayor en el entorno multijugador debido a los participantes y al uso de vehiculos, naves,etc.
•  Civilization 5 mas que exigencia de graficas este juego aprovecha mucho el uso de recursos de la CPU debido a que controla varias unidades de juegos continuamente.
• The Witcher 2: Assassins of Kings es un juego  que requiere de procesamiento grafico debido a las imagenes en formato cinematico.
• Arma II este juego requiere de un procesador potente porque calcula en tiempo real todo lo que esta sucediendo en el juego."Informacion en tiempo real".
• BAtman Arkham City requiere de un buen procesador grafico porque realiza una renderizacion de las imagenes en poligonos pequeños para conseguir imagenes de mayor calidad.

 Tomando en cuenta que la mayoria de los juegos requieren mucho mas procesamiento en la tarjeta grafica y no asi en el CPU se utilizara un procesador AMD Fx8350. Debido a que los juegos explotan mas el uso de la tarjeta grafica, y no el CPU porque la arquitectura a diseñar no requiere de procesamiento de datos, convertir archivos, ejecutar programas de peso. En ese caso se elegiria una intel pero lo que se pretende es ahorrar el costo de una intel para invertir ese dinero en una buena tarjeta grafica que es lo que mas requiere un juego de peso.

Caracteristicas de AMD Fx8350: procesador de 8 nucleos, frecuencia de 4000Mhz, 3 niveles de cache de 8 Mb, turbo-core technology.

Ahora la tarjeta al cual se le pondra mas atencion sera a la tarjeta grafica. Como mencionamos anteriormente esta tarjeta debe ser muy eficiente en procesamiento grafico para que se puedan correr juegos pesados sin ningun problema.
Cual es la tarjeta ideal para la arquitectura?
Para la eleccion de la tarjeta de video se debe comprender los siguientes conceptos:
Una tarjeta grafica es un dispositivo que se encarga de procesar los datos enviados por el CPU para que puedan ser apresiados por una pantalla o dispositivo de salida.

Segun Leiva E.(2006) menciona que:

"La funcion de la tarjeta grafica consiste en enviar informacion al monitor para que el usuario pueda interpretarla".

Como Funciona? La tarjeta grafica almacena informacion permanente en un buffer representados mediante caracteres antes de que sean mostrados por el monitor. Para que estos caracteres sean mostrados en el monitor estos son procesados por un generador alfanumerico que convierte los datos a una matriz grafica, esta matriz esta compuesta por pequeños puntos de colores (pixeles). Todo este proceso es generado por el corazon del sistema llamado GPU.La calidad de las imagenes tambien depende de la memoria que tenga este dispositivo ya que a mayor memoria la calidad de la imagen y resolucion mejoran. Ademas existen componentes que se encargan de coperar a la tarjeta grafica al momento de generar imagenes en 3D y cuantas mas unidades tenga esta tarjeta mayor sera la capacidad de recrear la imagen.
La velocidad a la cual trabaja esta tarjeta grafica estara especificado en el Core Clock. Las tarjetas graficas tienen un software basico que se encargan de manejarlos y normalmente son conocidos como API GRAFICA. Las tarjetas graficas se conectan con la placa madre mediante ranuras o slots que pueden ser PCI, ISA, AGP y el mas recomendable es el PCI EXPRESS porque se consiguen mayores velocidades de transmicion por segundo hasta 4GB.


La tarjeta grafica Geforce GTX 680 presenta las siguientes caracteristicas:

• Desarrollado en una arquitectura Kepler.- Es la mas avanzada en procesamiento grafico.
• Direct x 11(colecciones api para realizar tareas multimedia) 
• Capacidad de procesar juegos 3d y blurays 3d.
• Resolucion de 4096X2160 (digital)
• Conectores HDMI,DVI,DVI-D,Display port

El puerto HDMI permitira que podamos conectar pantallas de ultima generacion y de esta forma apreciamos mejor el rendimiento de la tarjeta. Ademas esta tarjeta renderiza de forma eficiente los cuadros para evitar la fragmentacion de las imagenes. Por ultimo esta tarjeta permitira al usuario poder juagar con 3 pantallas usando tecnologia NVIDIA.
Ademas la compañia Nvidia en su pagina menciona una grafica del rendimiento de la tarjeta grafica sobre los juegos en FPS:


En la grafica se puede ver que puede procesar hasta un maximo de 75 cuadros por segundo en un juego que requiere un entorno multijugador para procesar naves, vehiculos de varios jugadores.
 

Esta tarjeta grafica puede gestionar la energia no usada para el procesamiento de frames por segundo mientras ejecuta paralelamente los juegos, esta caracteristica es usada y potenciada al momento de procesar imagenes 3d.
En el siguiente video podemos ver como trabaja esta tarjeta grafica:

Memoria Ram: Un juego exige GPU y ram mas que procesador es por eso que se utilizara una memoria ram de 16 Gb DDR3 SDRAM que cuenta con las siguientes ventajas:
 Permite una transferencia de datos mas rapida y eficiente en el bus ademas que reduce el consumo de energia electrica mejorando el rendimiento en comparacion a modelos antiguos de memorias DDRs
Caracteristicas:

• Ideal para gamers
• La tecnologia DDR3 permite aumentar la velocidad 
• Permite un acceso aleatorio mediante una interfaz sincrona
• Puede funcionar de forma fiable a 100Mhz

La tarjeta madre es una placa que permite la integracion de los demas componentes de la arquitectura como perifericos, tarjetas de dispositivos y su eleccion debe realizarse segun las caracteristicas de la arquitectura que se desea ensamblar. La eleccion de placa madre implica lo siguiente:
 Chipset.- Es un dispositivo que se encarga de gestionar las comunicaciones de las demas tarjetas de dispositivos con el procesador.
Las ranuras de expancion.-Son slots que permiten el crecimiento de las placas madres. Como las ranuras PCI que son las mas utilizadas devido a sus velocidades de transferencia de datos.
Conectores de disco.- En el caso de la arquitectura para juegos es presiso tener este tipo de conectores debido a que se tendra un lector de bluray, estos conectores normalmente vienen incluidos en la placa madre.

Interfaces USB 3.0.-Es una interfaz universal serial que se utiliza para la comunicacion con dispositivos externos. La version 3.0 tiene una velocidad de 5Gbits, esto reduce el tiempo de transmicion considerablemente y reduce el consumo de energia.

Con estas caracteristicas importantes tanto de procesador, tarjeta grafica y memoria ram se eligio la placa madre marca Asus M5a97 Evo R2.0.

Esta tarjeta es compatible con el procesador AMD de la familia Fx, es compatible con memorias ram DDR3 y SDRAM, soportando una velocidad maxima para memorias de 2133 Mhz, tiene 4 ranuras para memorias.
En cuanto a interfaces cuenta con :1 conector USB 3.0, USB 2.0, 3 conectores sata, interfaces Ethernet, tiene canales de audio de 7.1 canales, ranuras de expansion PCI.

Disco Duro

Los discos duros de estado sólido SSD (solid state drive), son dispositivos basados en chips de memoria flash, esto es 100% electrónico, por lo que no se tiene partes mecánicas en movimiento que produzcan fricción.

Permite el almacenamiento y borrado de información de manera más rápida, sencilla y segura; siendo así conectado internamente por medio de un conector SATA de la Tarjeta Madre (MotherBoard) y externamente por medio de un puerta eSATA o también por medio del puerto USB.

Ventajas:

- Son más resistentes a pérdidas de datos en caso de golpes y vibraciones ya que no tienen partes móviles.

- No generan ruido y el calor es mínimo, lo que alarga su vida útil al no funcionar a altas temperaturas.

-  Tienen un muy bajo consumo de electricidad, por ello son ideales para computadoras portátiles.

- Velocidad de lectura.

Para la arquitectura se escogió:

Samsung Electronics 840 EVO-Series 250GB 2.5-inch SATA III

Este disco duro SSD es perfecto para juegos, navegar en internet y para la reproducción de archivos multimedia.

Aqui tenemos una comparación  sobre la diferencia entre los discos duros tradicionales y un SSD.

Como unidad óptica tenemos una unidad óptica Blu-ray Pioneer Bdr-208 bdk 15x. La BDR-208DBK es una unidad SATA interna. Puede grabar discos BD-R (25GB) con una velocidad de hasta 15x y discos BD-R de capa doble (50GB) hasta 14x.  Es la más rápida del mercado.

En la parte del software se cuenta con un Sistema Operativo Windows 7 Ultimate de 64 bits.

Cuenta con Windows 7 Para tener alta compatibilidad, tanto con juegos antiguos como nuevos, y la versión 64 bits para aprovechar la arquitectura, que fue diseñada con este fin.

BIBLIOGRAFIA

• Leiva E.(2006).Sistemas y aplicaciones informaticas.Editorial Mad. España.

Tipos de Discos Duros

Discos Duros ATA/IDE o PATA

Son también conocidos como IDE (integrated Device electronics) electrónica de unidades integradas, estas fueron las más utilizadas hasta hace muy poco.

La conexión del disco duro hacia el sistema se hacía por medio de un cable plano de 40 pines que se conectaba al conector IDE en la tarjeta madre o placa base.

En estas placas base se tenía 2 conectores o canales IDE, de los cuales uno era el conector IDE primario y el otro era el secundario. En este primario se conectaba la unidad de arranque del sistema.

Maestro y esclavo

Cada uno de los conectores IDE soportaba dos dispositivos y cada dispositivo tenia que ser identificado. De los cuales uno era el maestro y el otro llegaba a ser el esclavo en el cable conector.

En estos cables no se podía tener dos maestros o dos esclavos.

Para la conexión del disco duro se utiliza un cable plano de 80 conductores con 40 pines. Estos cables poseen 3 conectores, de los cuales uno se conecta con el conector IDE de la placa base y los otros dos conectores, al dispositivo maestro y esclavo.

Estándares ATA  

La interfaz ATA (AT Attachment) es la interfaz utilizada por las unidades IDE. La noma ATA define las funciones básicas de arquitectura de esta interfaz, como el número de pines de los cables que conectan las unidades al bus del sistema, los parámetros de configuración maestro y esclavo o las velocidades de la transferencia de los datos.

Discos duros SATA

Llamada así por su tecnología Serial ATA (SATA), este se convirtió en el nuevo estándar de la conexión de los discos duros, la velocidad de transferencia que se tiene es de 150 Mb/s o 300 Mb/s.

Los discos duros SATA tiene diferentes conectores a los que tienen los discos IDE.

Su conector de datos tiene un ancho de 10 mm. y está formado de 7 hilos. El conector eléctrico es más plano y tiene 15 conectores, su cable de datos llega a tener 1m de longitud. Todos los discos duros necesitan de un cable de datos y no se necesita diferencias el disco maestro del disco que va a llegar a ser esclavo.

La configuración de arranque se realiza desde la BIOS.

Discos duros SCSI

Los discos duros SCSI (Small Computer System Interface)  son más utilizados en lugares o ambientes más profesionales, donde se tiene grandes necesidades de rendimiento y fiabilidad. Estos son de precio más elevados pero son más rápidos al momento de la transmisión de datos, con una transferencia constante y utiliza menos microprocesador para esta tarea de transmisión.

La interfaz SCSI puede soportar más dispositivos y muchos más tipos de dispositivos que la interfaz IDE y no está integrado en la placa base. En la mayoría de los casos se necesita de una tarjeta adaptadora que se inserta en la placa base.

En los estándares SCSI se definen los elementos básicos del bus SCSI, incluyendo el número de dispositivos que se conectan al cable, su longitud, las señales, las ordenes, velocidad de transferencia, etc.

Discos duros externos

En la actualidad existe una variedad de discos duros externos que permiten ampliar la capacidad de almacenamiento de la PC.

Los discos duros más utilizados para el almacenamiento son los que tienen una conexión mediante USB, que dependiendo del tamaño que tengan estos discos duros requerirán la conexión eléctrica o no.

También se puede instalar en la PC una carcasa para tener un disco duro externo. Esta carcasa se conectara al puerto IDE o SATA que estará en la placa base, y si se necesita trabajar con el disco solo se debe introducir en la carcasa, sin tener la necesidad de instalarlo dentro de la caja del ordenador.

Discos Duros SSD

Los Discos duros SSD (Solid-State Drive)  están basados en las memorias no volátiles como lo son las memorias flash, o como las volátiles SDRAM, en lugar de basarse en tecnologías móviles como los discos de platos tradicionales.

Al no poseer los elementos móviles llegan a ser mucho más rápidos, no desprenden calor, tienen una mejor resistencia a los golpes y un menor consumo de energía.

Componentes:

• Controladora: procesador electrónico encargado de administrar, gestionar y unir modulos de memoria con los conectores de entrada y salida. Ejecuta el software en firmware y es el mas importante factor en las velocidades del dispositivo.
• Cache: pequeño dispositivo de memoria DRAM similar a la cache que se encuentra en los discos duros.
• Condensador: almacena los datos temporalmente en el caso de una perdida de perdida de la corriente.

      Estos dispositivos están conectados a través del conector SATA o PATA del ordenador, pero existen modelos conectados mediante USB, PCI-E o fibra óptica.Los discos SSD basados en memorias no volátiles, tienen datos permanentes aun si no están conectados a baterías y los que están basados en memorias volátiles son más rápidas.

Aquí presentamos un vídeo que nos muestra mas acerca de los distintos tipos de discos duros.

Tendencias a Futuro de Los Discos Duros

Entre las tendencias que se espera para el almacenamiento de datos a futuro está el almacenamiento de datos en la red también llamada “nube”, dando asi un fácil acceso a la computación de alto rendimiento y al almacenamiento de datos atraves de servicios web.

El objetivo esencial que tiene el almacenamiento en la nube es el acceso a todas las aplicaciones o documentos desde cualquier parte del mundo, brindando asi el escalabilidad masiva con mucha fiabilidad y alto rendimiento.

Con este almacenamiento de datos en la nube, los datos se almacenan en servidores de terceros, siendo así que la información real guardada puede variar incluso de un día a otro porque esta nube gestiona de manera dinámica el espacio de almacenamiento que se dispone.

También se ha tomado en cuenta el desarrollo de una cinta de ultra-alta capacidad que contribuirá con el desarrollo de cartuchos de cinta magnética de más de 50 TB de capacidad.

El uso de la cinta magnética se ha ido ampliando en muchas áreas con el objetivo de almacenar cada vez una cantidad mayor de datos donde muchas veces la velocidad de acceso no es tan importante.

Esta cinta se realizaría a través de un sistema de pulverización catódica del material ferroso, reduciendo así el tamaño de cada elemento que vaya a ser magnetizado y orientado, además de la propiedad de grabación magnética perpendicular que se ha llegado a reducir diez veces el tamaño de cada bit dentro de la cinta.

Bibliografía

SHEN. JOHN PAUL (2006), arquitectura de computadores, primera edición. España-Madrid

Historia de la Memoria

TODO SOBRE DISCOS DUROS

DISCOS DUROS

Saludos en esta nueva entrada se describira como funciona un disco duro, cual es su estructura Como esta compuesta? y como almacena la informacion.

Bueno la imagen de arriba te dara la idea de como esta compuesto un disco duro(si es que no destrosaste uno aun). Un disco duro llamado tambien disco rigido es en si la memoria secundaria en una arquitectura del computador que a diferencia de la memoria principal este permite almacenar grandes cantidades de informacion durante periodos largos de tiempo (por eso es no volatil, no pierde la informacion incluso sin energia electrica suministrada) pero su desventaja es que tiene menor velocidad que una RAM(memoria principal). 

Para darnos una idea de su funcionamiento de almacenamiento es en base de almacenar estados magneticos, pero para una mejor comprencion veamos un poco sobre su estructura:

La estructura de un disco esta compuesta basicamente por cabezales y un conjunto de discos los cuales son los contenedores de la informacion. Los cabezales en si tienen la funcion de leer o escribir datos en el disco. La velocidad de lectura depende de las revoluciones por minuto del motor y del dezplazamiento de los cabezales, es por eso que los cabezales no tienen un contacto fisico con el disco sino un espacio en [nm] para de esta forma aumentar la velocidad en la lectura y escritura del disco. Normalmente encontramos un cabezal por cara del disco pero existen algunos discos duros que tienen 2 cabezales por cara con el proposito de que un cabezal se haga cargo de una mitad del disco y el otro de la mitad restante permitiendo asi aumentar aun mas la velocidad debido a que el cabezal no se dezplazara por todo el disco. La capacidad del disco depende de la cantidad de bits por disco y la cantidad de discos que contenga. 

Como funciona? --> Los bits que contiene cada disco son agrupados mediante sectores y los sectores se distribuyen en las pistas. La cantidad de bits en un sector va depender del formato que le demos al disco al momento de particionarlo (FAT16, FAT32).

Segun menciona en su libro Molina J.(2007): 

Los sectores son las lineas minimas de informacion que puede leer o escribir el disco duro(p.27).

 El primer sector de cada disco es el fundamental debido a que almacena la tabla de particiones, es decir la direccion del sector donde se encuentra un archivo o parte de el. Es importante saber que al momento de particionar un disco seleccionemos una division de clusters lo mas pequeño posible para un mejor aprovechamiento del disco y esto debido a la fragmentacion interna.
En resumen los discos duros almacenan la informacion permanentemente y su estructura interna esta compuesta por cabezales y discos encargados del almacenamiento, lectura y escritura de datos, a su vez el funcionamiento y almacenamiento de un disco esta dividido en sectores distribuidos en las pistas de forma contigua, la velocidad de lectura dependera de las RPM del disco y el dezplazamiento de los cabezales, por otro lado un formato de disco FAT 32 sera mejor en cuanto a velocidad y aprovechamiento del disco (debido al reducido tamaño de los sectores o clusters).

Pero como realiza el almacenamiento de la informacion?, para que un disco pueda almacenar la informacion requiere de una particion. Esta particion le asignara un espacio a los datos y es una forma de inicializacion del disco porque se configura las tablas de directorios del disco para poder acceder a un sector del disco durante una lectura o para asignar un sector de disco al momento de la escritura como podemos ver en la siguiente imagen::>>

 

En la imagen vemos el MBR es como un programa de inicializacion que se encarga de leer las tablas de particiones y controlar el sector de arranque. 

Ahora para poder acceder a la informacion, un sistema operativo organiza los datos en sistemas de archivos, para mantener un orden interno y optimizar la lectura y escritura del mismo. 

En su libro Eggeling T.(2003) menciona:

Para probar un disco se debe configurar primero un directorio (p.318).

Algunos ejemplos de sistemas de archivos son los siguientes: NTFS que son muy usados en sistemas multiusuario para identificar que usuarios pueden acceder a ciertas porciones de informacion. MSDOS es un sistema clasico usado en arquitecturas monousuario, entre otros esta el vfat,ext2 y 3 de linux.

Como lo realiza internamente?

Internamente la computadora envia datos al disco duro representados en serie de bits, mismos que seran almacenados en el disco como cargas positivas o negativas y los encargados de esto son los cabezales que cuando reciben estos bist  los escriben en el disco duro mediante las cargas magneticas. Una gran ventaja de los discos es que gracias al movimiento aleatorio de los cabezales la informacion puede ser leida o escrita de forma aleatoria en el disco en comparacion de las cintas magneticas, es asi que cuando un usuario requiere leer su informacion los cabezales leen uno a uno los bits de cada sector del disco que pueden estar contiguos o dispersos.

El siguiente video es una buena referencia de como funciona el disco duro:

 

En este enlace tambien podemos encontrar otra referencia de Discovery MAX:
http://www.youtube.com/watch?v=3BWWiCVuJGA
BICLIOGRAFIA

• Molina J.(2007).Sistemas Operativos en entornos monousuario y multiusuario Windows 2003 server y linux.Ed. Vision Net. Espana Madrid. 
• Eggeling T.(2003).Ampliar reparar y configurar su PC.Segunda edicion. España- Madrid.
• Duran L.(2007).El gran libro del PC interno.Ed. Marcombo.Mexico-Distrito Federal.