Contenidos del Curso. Arquitectura de Computadores. Organización de un Sistema computacional

Transcripción

1 Arquitectura de Computadores Cecilia Hernández Contenidos del Curso Introducción Arquitectura de conjunto de instrucciones y programación assembly Arquitectura y organización de procesadores Sistemas de Memoria Entrada/salida Organización de un Sistema computacional Hardware y software Datos y control Arquitectura de conjunto de instrucciones (ISA) "! En que consiste el estudio de Arquitectura y organización de computadores Consiste en el estudio de Estructura: Como se organizan los componentes internos en forma estática Organización: Interacción dinámica entre sus partes y el control involucrado Implementación: diseño de bloques específicos Desempeño: estudio del comportamiento del sistema o de sus componentes

2 Estructura Modelo de Von Neumann!"!#! $ Arquitectura de computadores Enfoque ISA ISA: Instrucción Set Architecture Arquitectura: interfaz entre niveles ISA interfaz entre HW y SW ISA es la parte visible al programador ISA consiste en: Instrucciones (operaciones con su respectiva codificación) Unidades de información (tamaño, como se direccionan) Registros, que representan el estado del procesador Control Entrada/Salida Interfaz HW/SW Organización #!$%& '( ) * +!$'%*!$'%+!$',-%*!$',-%+*. / 01&02&3 01&03&01 0-2&4#01( 0-5&3#01( 0-5&4#01( 0-2&3#01( Implementación de la arquitectura Cuáles son los componentes básicos de un computador y como se relacionan entre sí Componentes básicos de la CPU Componentes básicos de la jerarquía de memoria Como están diseñados, controlados y conectados los componentes básicos Organización utilizada en forma transparente a la arquitectura

3 Historia Historia Generación 0: Dispositivos Mecánicos ( ) Pascal (1642): suma y resta Von Leibniz (1672): multiplicación y división Babbage ( ): máquina diferencial y máquina analítica : máquinas electromagnéticas, aritmética binaria, Aiken: Mark I y Mark II Generación 1: Tubos de Vacío ( ) ENIAC (1946): tubos 1500 relés 30 toneladas 140 KWatts EDSAC, JOHNIAC, ILLIAC, MANIAC, WEIZAC, EDVAC IAS: originó la arquitectura de von Neumann. Programa representado digitalmente, almacenado en memoria junto a datos Organización de máquinas contemporáneas Historia Historia Generación 2: Transistores ( ) DEC PDP-1 (1961): 4 KB memoria, 18 bits, 5 ms. IBM 7090, 7094: 32K memoria, 36 bits, 2 ms. IBM 1401 aplicaciones comerciales 4 KB CDC 6600 (1964): alto desempeño en aplicaciones numéricas paralelismo interno en CPU Burroughs B5000: diseñada para facilitar tarea al compilador Generación 3: Circuitos integrados ( ) IBM/360: familia de modelos compatibles (ISA diferente de implementación). Memoria de 250 nseg a 1 mseg, límite de 16 MB. Multiprogramación. DEC PDP-11: minicomputador precio/desempeño

4 Historia Historia Generación 4: Circuitos VLSI (1980 -????) PCs Workstations Mainframes Supercomputadores Redes de Computadores Sistemas portables Qué viene ahora? portabilidad extrema? Computación distribuida? Grid Computing? Nuevos modelos computacionales? Cuántica, DNA? Desarrollo histórico de la tecnología Relación entre Estructuras CPU Tubos al vacío Transistores (on/off interruptor eléctrico) Cirtuitos integrados (combina cientos de transistores en un chip) VLSI (combina millones de transistores en un chip) Memorias Tubos al vacío Ferrite core Semiconductores (sustancia que no conduce bien la electricidad) Semiconductores Estructura CPU Una CPU Mainframes Micros y minis Arq de 64 bits Superescalares Multihebras Referencia: DAP Spr UCB

5 Cambiando un poco Razones de cambio Avance tecnológico, costo, funcionalidad Referencia: DAP Spr UCB Moore s Law The observation made in 1965 by Gordon Moore, co-founder of Intel, that the number of transistors per square inch on integrated circuits had doubled every year since the integrated circuit was invented. Moore predicted that this trend would continue for the foreseeable future. In subsequent years, the pace slowed down a bit, but data density has doubled approximately every 18 months, and this is the current definition of Moore's Law, which Moore himself has blessed. Most experts, including Moore himself, expect Moore's Law to hold for at least another two decades. Definición en: Tendencia en tecnología Tendencia en velocidad de procesador intel Speed (MHz) Referencia: Intel Year Referencia: Universidad USA

6 Tendencia en Capacidad y velocidad de Memoria DRAM Algunas compañías importantes Referencia: DAP Spr UCB IBM 704, 709, 70xx etc.. De 1955 hasta , 370, 43xx, 33xx De 1965 hasta ahora Power PC DEC PDP-11, VAX De 1970 hasta 1985 Alpha (Compaq, HP) en años 1990 SUN Microsystems Sparc, Ultra Sparc desde 1985 Mips Silicon Graphics Mips 2000, 3000, 4400, desde 1985 Algunas compañías importantes Intel Primeros microcomputadores 40xx in early 70 s x86 (086,,486, Pentium, Pentium Pro, Pentium 3, Pentium 4) desde 1980 IA-64 (Itanium) en 2001 AMD Opteron The world s highest performing 2P and 4P servers are now powered by AMD Opteron processors. Receive the performance and security benefits of 64-bit computing, while getting the best 32-bit performance available anywhere. Athlon 64 bits. The FIRST Windows -Compatible 64-bit PC Processor Turion 64 bits RISC vs. CISC CISC: Complex Instruction Set Computer Instrucciones poderosas ISA más cercana a operaciones de lenguajes de alto nivel Codificación variada de instrucciones, formatos complejos Instrucciones más poderosas, pero también más difíciles de implementar Ejemplos: VAX, Intel Pentium RISC: Reduced Instruction Set Computer Instrucciones sencillas ALU sólo opera con operandos en registros Codificación sencilla, pocos formatos Únicas instrucciones que accesan la memoria son load/store Más fácil de implementar más rápido Optimizaciones de código a cargo del compilador Ejemplos: MIPS, PowerPC, Alpha

7 Registros Son las unidades básicas de almacenamiento en la CPU Son parte esencial de la arquitectura Puente entre HW y programador Son las unidades que proporcionan mayor velocidad de acceso en la CPU Normalmente número de registros es reducido en la arquitectura (típicamente 32 o 64) por lo tanto fáciles de identificar Tambien se usan para direccionar la memoria Registros No todos son iguales en términos de funcionalidad Algunos son de propósito específico Ejemplos: PC (Contador de programas), estado (almacena estado de CPU) Algunos son usados para operaciones enteras y otros para operaciones de punto flotante Por qué tipicamente 32 o 64 Codificación para direccionamiento de registros requiere mas HW (más líneas para direccioarlos) Almacenamiento Sistema de almacenamiento definido mediante jerarquía de memoria Registros Caches (dentro y fuera del chip) Memoria principal (DRAM) Memoria secundaria (disco) Unidades de información Bit: Unidad básica Bits: Agrupados para formar otras unidades Byte: 8 bits Word: 16 bits Double word: 32 bits

8 Direccionamiento a Memoria Memoria, arreglo de unidades de información Cada unidad tiene el mismo tamaño Cada unidad tiene su propia dirección Direcciones y contenido de unidades son distintas direcciones contenidos Direccionamiento En la mayoría de los computadores modernos, la unidad básica de direccionamiento es el byte MIPS Espacio de direccionamiento de un proceso es el conjunto de todas las unidades que un programa puede direccionar El espacio de direccionamiento está ligado al largo de los registros MIPS tiene registros de 32 bits. Por lo tanto su espacio de direccionamiento es 2^32 : 4GB Procesadores mas antiguos tenían 16 bits, 2^16 : 64KB Algunos procesadores actuales (Alpha, Itanium, Sparc, Althon) tienen 64 bits, 2^64 : Direccionando words A pesar que memorias son direccionables al byte, lo que mas se usa como unidad de almacenamiento es la word Cada word comienza en una dirección divisible por cuatro Big-endian vs little-endian Orden de bytes en una word Little-endian, MIPS Big-endian

9 Qué es una instrucción? Comando que le dice a la CPU que operación realizar Mediante código de operación Todas las instrucciones están codificadas Donde se encuentran los operandos necesarios para ejecutar la operación ISA de una instrucción especifica Código de operación Cuántos operandos son necesarios, tipos, tamaños, ubicación Operandos Registros (enteros, punto flotante, PC) Dirección de memoria Constantes Ejecución de instrucción de máquina CPU ejecuta instrucciones de un programa ciclo Instrucciones especifican operaciones sobre operandos y generan resultados Datos pueden encontrarse en memoria (RAM, ROM) o en registros internos al procesador Instrucciones pueden también modificar el flujo de control (saltos, llamadas a procedimiento) Instrucciones pueden crear excepciones " : ;<