ARQUITECTURA DE COMPUTADORAS

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1 ARQUITECTURA DE COMPUTADORAS Información General Objetivos Al terminar el curso, el estudiante estará capacitado para: 1. Manejar medidas de performance que permitan comparar diversos sistemas de Computadora. 2. Emplear criterios para diseñar un set de instrucciones y describir un set para un procesador RISC. 3. Evaluar ventajas y desventajas de la arquitectura RISC frente a la CISC. 4. Dimensionar el sistema de Entrada/Salida de una computadora y definir para casos concretos de E/S la disminución de velocidad del CPU cuando se trabaja con alguno de los distintos métodos: programa principal, interrupciones, acceso directo a memoria, procesador dedicado de E/S, paralelismo. 5. Calcular el factor de aceleración, rendimiento y tiempos de ejecución de sistemas que incorporan paralelismo y pipelining. 6. Evaluar cuantitativamente las mejoras que se obtienen con nuevas arquitecturas de memoria: entrelazado de memoria, memoria virtual y caché. 7. Partiendo de tres modelos distintos de CPU, realizar los cambios necesarios para la implementación de nuevas instrucciones: a. Uniciclo. b. Multiciclo. c. Pipelining. 8. Plantear distintos diseños que permintan bajar el consumo de procesadores. 9. Describir, mediante ejemplos concretos, cuáles son los principales problemas que se deben solucionar al pasar de una computadora basada en un único proceador a otra que funcione con varios procesadores en paralelo. 10. Calcular el factor de aceleración de un programa que se ejecuta con multiprocesamiento.

2 Requisitos de Regularización y Aprobación del Curso: Aprobación de las evaluaciones de los ejercicios prácticos y Laboratorios con promedio superior a 60 %. Asistencia al 80% de las evaluaciones. Aprobación de dos exámenes parciales con promedio superior a 40 %. El peso de los parciales 1 y 2 es 40% y 60% respectivamente. Evaluación: La evaluación será del tipo distribuida, considerando el resultado de los parciales, ejercicios prácticos y de laboratorio con sus evaluaciones y participación en clase. Horarios Se dictarán dos clases teóricas efectivas (en caso de feriado se recuperan) por semana y una práctica de dos horas cada una. Personal Docente Profesor Titular: Ing. Eduardo D. Cohen, responsable de la materia y a cargo del dictado integral de la misma. Jefe de Trabajos Prácticos: Ing. Nicolás Majorel Padilla. A cargo de trabajos prácticos. Auxiliar Docente Graduado Ing. Maximiliano Cecilia. A cargo de trabajos prácticos.

3 Programa Analítico 1. Introducción a la Estructura de Computadoras: Conceptos Básicos. Jerarquía de Memorias. Concepto de Sistema Operativo. Modos Usuario / Supervisor. Ejemplos de aplicación. Modelo Jerárquico por Capas. 2. Costo y Rendimiento. Costo de los Circuitos Integrados. Definición de Rendimiento. Productividad. Tiempo de Respuesta y de CPU. Métricas de Rendimiento: Ciclos por Instrucción, Ciclo de Reloj, Instrucciones por programa. Relación con los niveles de organización del computador. Criterios de mejora y de selección. Ejemplos. Benchmarks. Ley de Ahmdal. 3. Paralelismo y Segmentación. Conceptos: inicialización, estado de régimen, finalización. Características de los trabajos. Perfil del trabajo. Eficiencia. Tiempo de ejecución. Productividad. Latencia. Ejemplos de aplicación: el ciclo de máquina, Sumador, Memory Interleaving y Fast RAM. Sistemas Reales: etapas con distintos tiempos de ejecución - el concepto de cuello de botella, pipeline con trabajos no iguales. Coordinación y Validez del modelo. Doagrama de precedencias y riesgos. 4. Arquitectura del Set de Instrucciones (ISA). Tipos de Instrucciones. Distintas arquitecturas de Set de Instrucciones. Registros. Modos de Direccionamiento. Ejemplos. Lenguajes de alto nivel. Errores y Debugging. Registro de Estado. Pila. Ejemplos de Implementación. Subrutinas. 5. Diseño de un ISA. Características del Set de Instrucciones. Criterios de comparación de distintos Sets. Estadísticas de uso de instrucciones y modos de direccionamiento. Diseño del formato de la instrucción: fijo y variable. Instrucciones de Salto. Tipos de Datos. Métricas. 6. ISA del MIPS y otras Arquitecturas. Memoria y Registros. Formatos de la Instrucción. Tipo de Datos. Instrucciones Aritméticas, Lógicas, Transferencia de Datos, Transferencia de Control, Comparaciones. Convenciones para uso de registros y llamados a subrutinas. Instrucciones de ejecución retardada (saltos y carga). Ejemplo de arquitectura CISC: 80x Diseño de un CPU de Ciclo Único. Componentes combinacionales y secuenciales. Pasos para el diseño. Especificación en lenguaje de transferencia de registros (RTL). Instrucciones Registro-Registro, Inmediatas, Saltos, Load y Store. Componentes del camino de datos. Señales de Control. Control Local del ALU. Diseño del control central. Tiempos de ejecución. Ventajas y Desventajas. 8. Diseño de un CPU multi-ciclo. Las Etapas del Camino de Datos. Ventajas respecto al Procesador de ciclo único. Especificación para cada tipo de instrucción. Señales de Control. Diagrama de estado. Implementación del Control mediante PLA, ROM. Comparación de las implementaciones. Cambios para soportar excepciones. 9. Conceptos de Microprogramación. Microarquitectura. Microinstrucciones. El microprograma como intérprete de instrucciones. Implicancias. Microprogramación vertical y horizontal. Ventajas y Desventajas. Ejemplos con otras arquitecturas del CPU. Manejo de las excepciones y su microprogramación.

4 10. Diseño de un CPU segmentado. Eficiencia del CPU multi-ciclo. Las etapas del camino de datos del CPU segmentado y su funcionamiento para los distintos tipos de instrucciones. Control Estacionario del CPU. Comparación con los diseños de ciclo único y multi-ciclo. Efectos y resolución de riesgos: estructurales, de datos y de control. Solución de riesgos por Hw y por Sw. 11. Conceptos de Segmentación Avanzada y Paralelismo. Manejo de excepciones. Instrucciones de punto flotante. Riesgos de Datos: lectura después de escritura (RAW), escritura después de lectura (WAR) y escritura después de escritura (WAW). Riesgos de Control: mecanismos de predicción de saltos. Eliminación de riesgos mediante diseño: primera generación RISC. Conceptos de arquitecturas superescalares, vectoriales, de ancho de palabra extendida (VLIW). Desenrollado de lazos. Predicción de saltos y ejecución especulativa. Ejemplos: Pentium Itanium. 12. Cache. Tendencias tecnológicas. Concepto de Cache. Organización: mapeo directo, asociativo y asociativo por conjuntos. Tamaño de Bloques. Fallos: compulsivos, conflictos, capacidad, invalidez. Políticas: reemplazo de bloque, escrituras: a través, retrocopiado, buffer de escrituras. Alternativas para la Mejora de Performance de Cache: tiempo de acierto, tasa de fallos, penalidad por fallos. Cache de Nivel 2. Ejemplos: Pentium y Power PC. 13. Memoria Virtual. Introducción. Definición. Nomenclatura. Ventajas. Mapeo. Protecciones. Unidad de manejo de memoria (MMU). Tamaño de páginas. Tablas de Páginas. Tabla de traducción rápida de direcciones (TLB). Funcionamiento de Cache y TLB en paralelo. Protecciones. Algoritmos de reemplazo de páginas. Ejemplos de implementación en procesadores modernos. 14. Entrada / Salida (E/S). Rol del Sistema Operativo. Métodos de E/S: Programa Principal, Interrupciones, Acceso Directo a Memoria, Procesadores de E/S. Performance de sistemas de E/S. Métricas. Modelo Productor-Servidor. Características de las E/S a disco según las aplicaciones: Supercomputadores, Transacciones, Sistema de Archivos. Discos Magnéticos. Tendencias Tecnológicas. Confiabilidad y Disponibilidad. Arreglos de Discos. Memoria Flash. Ejemplos. 15. Buses. Concepto. Características esenciales. Clasificación. Organización. Buses paralelos vs buses seriales. Tendencias. Sistema de Buses. Buses Sincrónicos y Asincrónicos. Ejemplo de validación de un sistema de computador con buses. 16. Diseño para Bajo Consumo. Energía de Conmutación. Corrientes de Pérdida. Alternativas para reducción de consumo. Mejoras en la fabricación: disminuir distancias, adaptación al producto. Múltiples núcleos Vs. Potencia. Ejemplos: IBM PS3, Intel Dual Core, Ipod. Transistores para apagar la lógica. Caminos no críticos a menor frecuencia. Alimentación con diferentes tensiones en el chip. 17. Procesamiento Paralelo. Los principales problemas que detienen la evolución de los procesadores: Consumo, brecha con Memoria, aprovechamiento de paralelismo a nivel de instrucción (ILP). Multiprocesadores: ventajas y desventajas. Clasificación. Escalabilidad. Multihilo Vertical, Multihilo multichip, Multihilo simultáneo. Memoria de Acceso Uniforme (UMA). El problema de coherencia en el cache. Falsa Incoherencia. Otras arquitecturas: NUMA, pasaje de mensajes, Clusters. Ejemplos. Multiprocesamiento para aplicaciones Embebidas, ejemplos. Aceleración y Eficiencia.

5 Trabajos Prácticos 1. Cuestionario Conceptual. Determinación de Pre-Conceptos antes y después del cursado de la asignatura. 2. Prerequisitos: Sistemas con Microprocesadores y Microcontroladores, Estadística. 3. Temas 1, 2. Conceptos Básicos, Costo, Consumo y Rendimiento de Procesadores. 4. Tema 3. Segmentación y Paralelismo. 5. Temas 4, 5 y 6. Arquitectura y Diseño del Set de Instrucciones (ISA). Set de Instrucciones del MIPS.. 6. Temas 7, 8 y 9. Diseño de un CPU de ciclo único y multi-ciclo. Microprogramación. 7. Temas 10. Diseño de un CPU segmentado y Conceptos de Segmentación Avanzada y Paralelismo. 8. Tema 12 y 13. Cache y Memoria Virtual. 9. Tema 14. Buses y Sistema de E/S. 10. Temas 15 y 16. Bajo Consumo y Multiprocesadores. Laboratorios 1. Simulador SPIM. Desarrollo de un programa en assembler para el MIPS y su simulación. 2. Simulador de Cache. Prueba y análisis de resultados de diversas configuraciones de cache y diversas trazas de accesos. Bibliografía: Computer Organization and Design, 5th Edition - Patterson, David. A.; Hennessy, John. L - Morgan Kauffman Estructura y Diseño de Computadores: La Interfaz Hardware/ Software, 4ª Edición - Patterson, David. A.; Hennessy, John. L. - Reverté, 2011 Computer Architecture: A Quantitative Approach, 5th Edition - John L. Hennessy and David A. Patterson - Morgan Kauffman Computer Systems Design and Architecture - Heuring, Vincent.; Jordan, Harry F - Addison-Wesley 1997.

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