Dr.-Ing. Paola Vega Castillo

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1 EL-3310 DISEÑO O DE SISTEMAS DIGITALES Dr.-Ing. Paola Vega Castillo Información n General Curso: Diseño de Sistemas Digitales Código: EL-3310 Tipo de curso: Teórico Créditos/Horas por semana: 4/4 Requisito: EL-3307 (Diseño Lógico) EL-3308 (Laboratorio de Diseño Lógico) Correquisito: EL-3312 (Circuitos Discretos) Suficiencia: SÍ Asistencia: Libre Consulta: Oficina 22 Evaluación: 1 Examen escrito, individual

2 Programa del Curso Descripción Elementos fundamentales de un computador: el subsistema de memoria, la unidad central de procesamiento (CPU) y el conjunto de instrucciones de un procesador de propósito general. Temas Organización básica de un computador Arquitectura del conjunto de instrucciones Rendimiento de sistemas computacionales Microarquitectura Arquitectura segmentada Jerarquía de memoria Evolución n de los microprocesadores Intel DISEÑO DE SISTEMAS DIGITALES EL-3310 I SEMESTRE 2008

3 transistores 1971 Tecnología de 10µm Procesador de 4 bits f = 100kHz transistores 1972 Tecnología de 10 µm 8 bits 200 khz

4 transistores 1974 Tecnología de 6 µm 2 MHz transistores 1978 Tecnología de 3 µm 16 bits 5 MHz

5 transistores 1982 Tecnología de 1.5 µm 6 MHz Tecnología de 1.5 µm 16 MHz 275,000 transistores (más de 10 veces la cantidad de 4004) Primer procesador multitarea Primeros intentos de implementar segmentación: complicaciones debido a longitud de instrucciones

6 millones de transistores 1989 Tecnología de 1 µm 32 bits 25 MHz Primero en incorporar un coprocesador matemático ID y EX de 5 segmentos Introduce jerarquía de memoria Introduce 8kB de memoria cache Pentium 3.1 millones de transistores 1993 Tecnología de 0.8 µm 60 MHz Microarquitectura P5 Integra chip de cache Introduce aplicación de paralelismo a nivel de instrucciones Introduce arquitectura superescalar (introduce una segunda línea de segmentación)

7 Pentium Pro 5.5 millones de transistores 1995 Tecnología de 0.35 µm 200 MHz Introduce microarquitectura P6 Segmentación de profundidad 10 Ejecución fuera de orden (out of order execution) Mejoramiento de algoritmos de predicción de rama Pentium II 7.5 millones de transistores 1997 Tecnología de 0.35 µm 200 MHz

8 Pentium III 9.5 millones de transistores 1999 Tecnología de 0.25 µm 500 MHz Pentium 4 42 millones de transistores 2000 Tecnología de 0.18 µm 1.5 GHz Introduce microarquitectura Intel Netburst Segmentación de profundidad 20

9 Chip de prueba: 45 nm Enero 2006 Tecnología de µm Los procesadores después de Pentium 4 son de 64 bits, empezando con Itanium El número de transistores está dado, mayoritariamente, por cache. Ej: Itanium: 10 veces más transistores de cache que transistores de procesador Intel Xeon Quad Core y Dual Core Noviembre 2007 (Penryn) Tecnología de 45 nm Millones de transistores 3.2GHz 400 Ingenieros, 3 años

10 ORGANIZACIÓN N BÁSICA B DE UN COMPUTADOR DISEÑO DE SISTEMAS DIGITALES EL-3310 I SEMESTRE ORGANIZACIÓN BÁSICA DE UN COMPUTADOR Componentes básicos de un computador Niveles de abstracción - perspectivas del computador Niveles de programación Objetivo: Conocer los componentes básicos en los que se organiza un computador, así como los diferentes niveles de abstracción de la misma.

11 Componentes Básicos B de un Computador Computador: Máquina de cálculo electrónica de alta velocidad que acepta información digitalizada, la procesa atendiendo una lista de instrucciones que almacena internamente, y produce la correspondiente información de salida. 5 componentes básicos de un computador Entradas Salidas Memoria Ruta de datos (datapath) Control Procesador = Ruta de datos + Control Ruta de datos: realiza las operaciones aritméticas y lógicas Perspectivas del Computador Usuario Programas de aplicación Velocidad de procesamiento Capacidad de almacenamiento Dispositivos periféricos Programador Lenguajes de alto nivel Compiladores Lenguaje ensamblador Arquitecto Diseñador Repertorio de instrucciones Conjunto de registros Uso de la memoria Bloques del procesador Diseño lógico de bloques Diseño físico de bloques Arquitectura del repertorio de instrucciones DSD

12 Perspectiva del Programador Cúales recursos y cuáles instrucciones están disponibles Recursos: Registros del procesador Memoria Repertorio de Instrucciones: De control De transferencia Aritmético-lógicas Interrupciones Excepciones Repertorio de Instrucciones Repertorio de instrucciones: colección de todas las operaciones que puede ejecutar el procesador El programador percibe el repertorio de instrucciones y los recursos de la máquina manipulados por éstas La arquitectura del repertorio de instrucciones (ISA) incluye Conjunto de instrucciones Registros del sistema accesibles al programador Formato de representación de datos Formato de instrucciones Modos de direccionamiento

13 Perspectiva del Arquitecto Arquitecto = concepción + rendimiento Diseño de repertorio de instrucciones para óptima utilidad de programación Concepción del hardware para optimizar el desempeño de la implementación de las instrucciones Medición de rendimiento, tales como programas de prueba (benchmark) Balance del rendimiento de bloques funcionales tales como CPU, memoria, dispositivos de E/S e interconexiones Busca cumplimiento de metas de desempeño al menor costo Perspectiva del Diseñador LógicoL Diseño a nivel de compuertas lógicas Diseño determina si propuesta del arquitecto cumple con las metas de costo y desempeño Procesador Separación explícita entre datos y control Ruta de datos (data path): celdas de almacenamiento, circuitos aritméticos y su interacción Ruta de control (control path): lógica que maneja el flujo de información en la ruta de datos Bloques lógicos bien definidos y utilizados repetidamente (multiplexores, decodificadores, sumadores, etc) Compromiso entre velocidad, potencia, área, fanin, fanout

14 Perspectiva del Diseñador FísicoF Diseño de circuitos integrados Implementación del diseño lógico a nivel de transistores Diseño físico cumpliendo las reglas de diseño del fabricante Verificación del rendimiento de la implementación física Rendimiento del sistema tomando en cuenta las características de la tecnología de fabricación y sus efectos parásitos El Concepto del Programa Almacenado El programa se almacena en la memoria del computador junto con los datos Arquitectura de von Neumann: Instrucciones y datos almacenados en el mismo dispositivo de memoria

15 Arquitectura de propósito general Arquitectura de von Neumann = arquitectura de propósito general CU ALU Registros Procesador (CPU) (CPU) Control unit: ejecuta instrucciones obtenidas de memoria Arithmetic Logic Unit: ejecuta operaciones aritméticas y lógicas Bancos de registros: almacenamiento interno temporal Memoria Arquitectura de von Neumann Concepto del programa almacenado datos e instrucciones almacenados en memoria El contenido de la memoria se accesa por medio de una dirección de memoria Organización del computador CPU (central processing unit), incluyendo la unidad aritmético-lógica (ALU) Memoria La ejecución de instrucciones es secuencial Excepto que explícitamente se indique de otra forma La ejecución de instrucciones se basa en el ciclo de lectura-ejecución

16 Niveles de Abstracción n de un Programa 3 Niveles de abstracción Abstracción decreciente 1. Lenguaje de alto nivel Instrucciones de alto nivel, lenguaje humano 2. Lenguaje ensamblador Mnemónicos alfanuméricos del lenguaje de máquina 3. Lenguaje de máquina Compilador Ensamblador Instrucciones fundamentales ejecutables Cadenas binarias con información de instrucciones y operandos Relación n entre niveles de abstracción Fig. 5.3 Procesador

17 Lenguaje de Alto Nivel vrs Lenguaje de MáquinaM Lenguajes de alto nivel Incluyen revisión de tipos Verifican uso apropiado de variables durante compilación Permiten al compilador determinar requerimientos de memoria del programa Permiten detectar errores de programación Lenguaje de máquina Generalmente no hay revisión de tipos, para la máquina todos son cadenas de bits Ejemplo: una palabra de 32 bits puede ser una instrucción, un entero, un número de punto flotante o cuatro caracteres ASCII Instrucciones interpretan las cadenas como un tipo, generalmente limitado a enteros con o sin signo y números de punto flotante Compiladores Compilador: programa que traduce código de alto nivel a lenguaje ensamblador Traducción de acuerdo con la arquitectura del repertorio de instrucciones del procesador específico Cada procesador tiene su propio lenguaje ensamblador Debe tomar en cuenta las instrucciones disponibles en el repertorio de instrucciones Debe tomar en cuenta la microarquitectura del procesador (hardware)

18 Lenguaje Ensamblador Forma conveniente de representar las instrucciones simbólicamente El procesador comprende sólo lenguaje de máquina Recordar comandos como símbolos en lugar de cadenas de bits Cadenas de bits: vectores de señales eléctricas enviadas al procesador Lenguaje ensamblador también puede contener pseudoinstrucciones Mnemónicos que acortan la representación simbólica de una instrucción Ejemplo: move $t0, $t1 (pseudoinstrucción) add $t0,$t1,$zero (implementación real) Ensambladores Programas que traducen código en lenguaje ensamblador a lenguaje de máquina, traduciendo: Códigos de operación: para obtener información de las señales de control del microprocesador que permiten ejecutar la instrucción Operando(s) fuente y operando destino Correspondencias nombre-dirección

19 Aplicaciones del Lenguaje Ensamblador Arquitecto Implementación de instrucciones y compromisos de funcionalidad Diseñador de compiladores Generación de código en lenguaje ensamblador a partir de código de alto nivel Programadores de códigos críticos en tiempo o espacio Metas de desempeño pueden forzar optimizaciones con lenguaje ensamblador específicas para un programa Programadores de sistemas embebidos o de propósito especial Funciones especiales o con alta dependencia de dispositivos de E/S especiales que no pueden implementarse con lenguajes de alto nivel Sitios de Interés Investigación y arquitectura/microarquitectura Intel Technology Journal Tecnología de semiconductores: International Technology Roadmap of Semiconductors Recent history of Intel Architecture a refresher, de Sara Sarmiento

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