Estructura de Computadores Tema 1. Introducción a los computadores

Transcripción

1 Estructura de Computadores Tema 1. Introducción a los computadores Departamento de Informática Grupo de Arquitectura de Computadores, Comunicaciones y Sistemas UNIVERSIDAD CARLOS III DE MADRID

2 Contenido 1. Qué es un computador? 2. Concepto de estructura y arquitectura 3. Elementos constructivos de un computador 4. Arquitectura Von Neumann 5. Instrucciones máquina. Programación 6. Fases de ejecución de una instrucción 7. Parámetros característicos de un computador 8. Evolución histórica ARCOS Estructura de Computadores 2

4 Qué es un computador?? ARCOS Estructura de Computadores 4

5 Qué es un computador? ARCOS Estructura de Computadores 5

6 Industria de los semiconductores Fuente: embedded.com ARCOS Estructura de Computadores 6

7 Tipos de procesadores Procesadores: 2% de la industria de los semiconductores Procesadores para PC: 2 % de todos los procesadores Un coche de tipo medio tiene una docena de microprocesadores Un BMW serie 7 tiene más de 65 Fuente: embedded.com ARCOS Estructura de Computadores 7

8 Qué es un computador? datos Procesador resultados Instrucciones Máquina destinada a procesar datos. ARCOS Estructura de Computadores 8

9 Qué es un computador? datos Procesador resultados Instrucciones Desde el punto de vista matemático es una máquina abstracta que evalúa { } n 0,1 0, } { m f : 1 ARCOS Estructura de Computadores 9

11 Qué aspectos hay que conocer en un computador? Arquitectura: Atributos visibles para un programador M. U.C. B.R. ALU S. E/S Estructura: Componentes y su organización BUS N-MOS E A B Tecnología: Cómo se construyen los componentes ARCOS Estructura de Computadores 11

12 Arquitectura Atributos visibles para un programador Juego de instrucciones que ofrece la máquina Tipo y formato de datos que es capaz de utilizar el computador Número y tamaño de los registros Técnicas y mecanismos de E/S Técnicas de direccionamiento de la memoria ARCOS Estructura de Computadores 12

14 Conceptos de repaso Sistema binario Elementos constructivos de un computador Transistores Puertas lógicas Principales bloques conbinacionales Principales elementos secuenciales ARCOS Estructura de Computadores 14

15 Sistema binario Binario X = dígito binario d i Peso p i Valor = d d d d Cuántos valores se pueden representar con n bits? Cuántos bits se necesitan para representar m valores? Con n bits, si los valores a representar son números y comienzo en el 0, Cuál es el máximo valor representable? 2 n -1 2 n Log 2 (m) por exceso ARCOS Estructura de Computadores 15

16 Pregunta Cuántos códigos distintos se pueden codificar con 8 bits? Cuántos bits hacen falta para representar 512 códigos? ARCOS Estructura de Computadores 16

17 Transistor N-MOS A P-MOS A E E B B E funcionamiento 1 Conecta A con B (circuito abierto) 0 No conecta A con B (circuito cerrado) E funcionamiento 0 Conecta A con B (circuito abierto) 1 No conecta A con B (circuito cerrado) (valores lógicos) ARCOS Estructura de Computadores 17

18 Puertas lógicas. Inversor (NOT) V3,3 E S E S E S ARCOS Estructura de Computadores 18

19 Puertas lógicas. NOR A B C ARCOS Estructura de Computadores 19

20 Puertas lógicas. OR A B C ARCOS Estructura de Computadores 20

21 Puertas lógicas. NAND A B C ARCOS Estructura de Computadores 21

22 Puertas lógicas. AND A B C ARCOS Estructura de Computadores 22

23 Bloques constructivos Circuitos combinacionales La salida depende de los valores de entrada Sin estado Circuitos secuenciales La salida depende de la entrada y del estado actual Almacenan información ARCOS Estructura de Computadores 23

24 Decodificador N entradas, 2 N salidas ARCOS Estructura de Computadores 24

25 Multiplexor Selecciona con n bits, 2 n entradas A B C D MUX S 1 S 0 S ARCOS Estructura de Computadores 25

26 Elementos de memoria Biestables R-S Elemento que almacena un bit ARCOS Estructura de Computadores 26

27 Elementos de memoria Biestables D Elemento que almacena un bit C Q Q D Q C ARCOS Estructura de Computadores 27

28 Elementos de memoria Registro Elemento que almacena un conjunto de bits ARCOS Estructura de Computadores 28

29 Esquema de un registro Entrada Registro Carga Salida ARCOS Estructura de Computadores 29

31 Componentes de un computador ARCOS Estructura de Computadores 31

32 Computador von Neumann Máquina capaz de ejecutar una serie de instrucciones elementales: instrucciones máquina Instrucciones almacenadas en memoria Leídas Ejecutadas ARCOS Estructura de Computadores 32

33 Arquitectura Von Neumann Procesador Memoria principal Bus de control Bus de datos Bus de direcciones Módulo de E/S Módulo de E/S Periférico Periférico ARCOS Estructura de Computadores 33

34 Módulo de E/S y periférico Procesador Memoria principal Bus de control Bus de datos Bus de direcciones Módulo de E/S Periférico Módulo de E/S Periférico Comunica procesador con exterior ARCOS Estructura de Computadores 34

35 Memoria Procesador Memoria principal Almacena: instrucciones datos Bus de control Bus de datos Bus de direcciones Módulo de E/S Módulo de E/S Periférico Periférico ARCOS Estructura de Computadores 35

36 Memoria MAR dirección Memoria Dato/instrucción MBR L E Registro de direcciones de memoria Registro de datos de memoria ARCOS Estructura de Computadores 36

37 Memoria Espacio de direcciones: Número de posiciones k = 2 n posiciones Tamaño de cada posición: Número de bits por posición m bits ARCOS Estructura de Computadores 37

38 Buses Procesador Memoria principal Permite comunicar los distintos componentes Bus de control Bus de datos Bus de direcciones Módulo de E/S Módulo de E/S Periférico Periférico ARCOS Estructura de Computadores 38

39 Buses CPU Memoria Memoria E/S E/S Bus de control Bus de direcciones Bus de datos Bus de control: señales de control y temporización Bus de direcciones: designa la fuente o destino de un dato Su anchura determina la máxima capacidad de memoria del sistema Bus de datos: movimiento de datos entre componentes ARCOS Estructura de Computadores 39

40 Procesador Estructura que almacena un conjunto de bits Realiza las operaciones Ejecuta las instrucciones Procesador ALU Unidad de control Registros Memoria principal Bus de control Bus de datos Bus de direcciones Módulo de E/S Módulo de E/S Periférico Periférico ARCOS Estructura de Computadores 40

41 Registros especiales PC: contador de programa RI: registro de instrucción Procesador ALU Unidad de control Registros Memoria principal Bus de control Bus de datos Bus de direcciones Módulo de E/S Módulo de E/S Periférico Periférico ARCOS Estructura de Computadores 41

42 Operaciones elementales de la ALU Operaciones aritméticas Operaciones lógicas Procesador ALU Unidad de control Registros Memoria principal Bus de control Bus de datos Bus de direcciones Módulo de E/S Módulo de E/S Periférico Periférico ARCOS Estructura de Computadores 42

44 Programa Secuencia consecutiva de instrucciones máquina ARCOS Estructura de Computadores 44

45 Programa Secuencia consecutiva de instrucciones máquina temp = v[k]; v[k] = v[k+1]; v[k+1] = temp; ARCOS Estructura de Computadores 45

46 Ejecución de un programa Memoria principal Disco Fichero ejecutable Procesador PC RI ARCOS Estructura de Computadores 46

50 Formato de una instrucción máquina 001 AB ARCOS Estructura de Computadores 50

51 Formato de una instrucción máquina 001 AB Código de operación ARCOS Estructura de Computadores 51

52 Formato de una instrucción máquina 001 AB Código de operación Operandos Registros Direcciones de memoria Números ARCOS Estructura de Computadores 52

53 Ejemplo Conjunto de instrucciones con las siguientes características: Tamaño de una posición de memoria: 16 bits Tamaño de la instrucción: 16 bits Código de operación: 3 bits Cuántas instrucciones diferentes puede tener este computador? Número de registros de propósito general: 4 Identificadores simbólicos: R0 R1 R2 R3 Cuántos bits se necesitan para representar estos 4 registros? ARCOS Estructura de Computadores 53

54 Ejemplo Conjunto de instrucciones con las siguientes características: Tamaño de una posición de memoria: 16 bits Tamaño de la instrucción: 16 bits Código de operación: 3 bits Cuántas instrucciones diferentes puede tener este computador? 8 instrucciones Número de registros de propósito general: 4 (2 bits) Identificadores simbólicos: R0 (00) R1 (01) R2 (10) R3 (11) Cuántos bits se necesitan para representar estos 4 registros? 2 ARCOS Estructura de Computadores 54

55 Ejemplo de juego de instrucciones Instrucción 000EFABCDXXXXXXX Descripción Suma el registro AB con el CD y deja el resultado en EF 001AB Almacena en el registro AB el valor AB AB Almacena en el registro AB el valor almacenado en la posición de memoria Almacena en la posición de memoria el contenido del registro AB Se salta a ejecutar la instrucción almacenada en la posición de memoria ABCD Siendo A,B,C,D,E,F = 0 ó 1 Si el contenido del registro AB es igual al del registro CD se salta a ejecutar la instrucción almacenada en ARCOS Estructura de Computadores 55

56 Ejemplos Instrucción que almacena un 5 en el registro 00 Instrucción que almacena un 7 en el registro 01 Instrucción que suma el contenido del registro 00 y el registro 01 y deja el resultado en el registro 10 Instrucción que almacena el resultado anterior en la posición de memoria 1027 (en decimal) ARCOS Estructura de Computadores 56

57 Ejemplos Instrucción Descripción XXXXXXX Suma el registro 00 con el 10 y deja el resultado en Almacena en el registro 01 el valor Almacena en el registro 01 el valor almacenado en la posición de memoria Almacena en la posición de memoria el contenido del registro Se salta a ejecutar la instrucción almacenada en la posición de memoria Si el contenido del registro 01 es igual al del registro 00 se salta a ejecutar la instrucción almacenada en Instrucción que almacena un 5 en el registro 00 Instrucción que almacena un 7 en el registro 01 Instrucción que suma el contenido del registro 00 y el registro 01 y deja el resultado en el registro 10 Instrucción que almacena el resultado anterior en la posición de memoria 1027 (en decimal) ARCOS Estructura de Computadores 57

58 Ejemplos Instrucción Descripción XXXXXXX Suma el registro 00 con el 10 y deja el resultado en Almacena en el registro 01 el valor Almacena en el registro 01 el valor almacenado en la posición de memoria Almacena en la posición de memoria el contenido del registro Se salta a ejecutar la instrucción almacenada en la posición de memoria Si el contenido del registro 01 es igual al del registro 00 se salta a ejecutar la instrucción almacenada en Instrucción que almacena un 5 en el registro Instrucción que almacena un 7 en el registro Instrucción que suma el contenido del registro 00 y el registro 01 y deja el resultado en el registro XXXXXXX Instrucción que almacena el resultado anterior en la posición de memoria 1027 (en decimal) ARCOS Estructura de Computadores 58

59 Ejemplo de programa Dirección Contenido ARCOS Estructura de Computadores 59

60 Inicio de la ejecución del programa Dirección Contenido PC RI ????? ARCOS Estructura de Computadores 60

62 Fases de ejecución de una instrucción Lectura de la instrucción (ciclo de fetch) MAR PC Lectura MBR Memoria PC PC + 1 RI MBR MAR PC RI MBR Decodificación de la instrucción Ejecución de la instrucción Volver a fetch Dirección Contenido Memoria ARCOS Estructura de Computadores 62

65 Fases de ejecución de una instrucción Lectura de la instrucción (ciclo de fetch) MAR PC Lectura MBR Memoria PC PC + 1 RI MBR Decodificación de la instrucción Ejecución de la instrucción Volver a fetch MAR PC RI MBR Dirección Contenido Memoria ARCOS Estructura de Computadores 65

70 Ejecución de instrucciones RI R Se carga en R0 el valor 0 ARCOS Estructura de Computadores 70

71 Ejecución de instrucciones RI R1 MP[ ] Dirección Contenido Se carga en R1 el contenido de la posición de memoria ARCOS Estructura de Computadores 71

72 Ejecución de instrucciones RI PC Se modifica el PC con la dirección de forma que la siguiente instrucción a ejecutar es la que se encuentra en ARCOS Estructura de Computadores 72

75 Ejecución del programa Dirección Contenido PC RI ????? Fetch ARCOS Estructura de Computadores 75

76 Ejecución del programa Dirección Contenido PC RI ???? Fetch Lectura de la Inst ARCOS Estructura de Computadores 76

77 Ejecución del programa Dirección Contenido PC RI ???? Fetch PC PC ARCOS Estructura de Computadores 77

78 Ejecución del programa Dirección Contenido PC RI ???? Decodificación ARCOS Estructura de Computadores 78

79 Ejecución del programa Dirección Contenido PC RI ??? Ejecución R ARCOS Estructura de Computadores 79

80 Ejecución del programa Dirección Contenido PC RI ??? Fetch ARCOS Estructura de Computadores 80

81 Ejecución del programa Dirección Contenido PC RI ??? Fetch Lectura de la Inst ARCOS Estructura de Computadores 81

82 Ejecución del programa Dirección Contenido PC RI ??? Fetch PC PC ARCOS Estructura de Computadores 82

83 Ejecución del programa Dirección Contenido PC RI ??? Decodificación ARCOS Estructura de Computadores 83

84 Ejecución del programa Dirección Contenido PC RI ?? Ejecución R ARCOS Estructura de Computadores 84

85 Ejecución del programa Dirección Contenido PC RI ?? Fetch ARCOS Estructura de Computadores 85

86 Ejecución del programa Dirección Contenido PC RI ?? Fetch Lectura de la Inst ARCOS Estructura de Computadores 86

87 Ejecución del programa Dirección Contenido PC RI ?? Fetch PC PC ARCOS Estructura de Computadores 87

88 Ejecución del programa Dirección Contenido PC RI ?? Decodificación ARCOS Estructura de Computadores 88

89 Ejecución del programa Dirección Contenido PC RI ? Ejecución R ARCOS Estructura de Computadores 89

90 Ejecución del programa Dirección Contenido PC RI ? Fetch ARCOS Estructura de Computadores 90

91 Ejecución del programa Dirección Contenido PC RI ? Fetch Lectura de la Inst ARCOS Estructura de Computadores 91

92 Ejecución del programa Dirección Contenido PC RI ? Fetch PC PC ARCOS Estructura de Computadores 92

93 Ejecución del programa Dirección Contenido PC RI ? Decodificación ARCOS Estructura de Computadores 93

94 Ejecución del programa Dirección Contenido PC RI Ejecución R ARCOS Estructura de Computadores 94

95 Ejecución del programa Dirección Contenido PC RI Fetch ARCOS Estructura de Computadores 95

96 Ejecución del programa Dirección Contenido PC RI Fetch Lectura de la Inst ARCOS Estructura de Computadores 96

97 Ejecución del programa Dirección Contenido PC RI Fetch PC PC ARCOS Estructura de Computadores 97

98 Ejecución del programa Dirección Contenido PC RI Decodificación ARCOS Estructura de Computadores 98

99 Ejecución del programa Dirección Contenido PC RI Ejecución Si el contenido del registro 01 es igual al del registro 00 se salta a ejecutar la instrucción almacenada en ARCOS Estructura de Computadores 99

104 Ejecución del programa Dirección Contenido PC RI Ejecución R3 R3 + R ARCOS Estructura de Computadores 104

109 Ejecución del programa Dirección Contenido PC RI Ejecución R0 R0 + R ARCOS Estructura de Computadores 109

114 Ejecución del programa Dirección Contenido PC RI Ejecución Se salta a ejecutar la instrucción almacenada en la posición de memoria ARCOS Estructura de Computadores 114

115 Ejecución del programa Dirección Contenido PC RI Ejecución PC ARCOS Estructura de Computadores 115

116 Ejecución del programa PC RI Dirección Contenido Continúa la ejecución ARCOS Estructura de Computadores 116

117 Algoritmo del programa anterior i=0; s = 0; while (i < 4) { s = s + 1; i = i + 1; } El programa almacena en la posición de memoria el valor: ARCOS Estructura de Computadores 117

118 Lenguaje ensamblador li R0, 0 li R1, 4 li R2, 1 li R3, 0 bucle: beq R0, R1, fin add R3, R3, R2 add R0, R0, R2 b bucle fin: sw R3, ARCOS Estructura de Computadores 118

119 Secuencia de ejecución de instrucciones Arranque Lectura de la instrucción Decodificación Ejecución de la instrucción Parada ARCOS Estructura de Computadores 119

121 Parámetros característicos de un computador Respecto a su arquitectura Ancho de palabra Almacenamiento Tamaño Unidades de almacenamiento Comunicaciones Ancho de banda Latencia Potencia del computador MIPS MFLOPS ARCOS Estructura de Computadores 121

122 Arquitectura: ancho de palabra Número de bits manejados en paralelo en el interior del computador. Influye en el tamaño de los registros (BR) Por tanto, también en la ALU No es lo mismo dos sumas de 32 bits que una sola de 64 Por tanto, también en el ancho de los buses Un bus de direcciones de 32 bits solo direcciona 4 GB ARCOS Estructura de Computadores 122

123 Tamaños privilegiados Palabra Información manejada en paralelo en el interior del procesador Típicamente 32/64 bits Media palabra Doble palabra Octeto, carácter o byte Representación de un carácter Típicamente 8 bits ARCOS Estructura de Computadores 123

124 Ejercicio Considere un hipotético computador con un ancho de palabra de 20 bits con 60 registros que direcciona la memoria por bytes. Responda a las siguientes preguntas: a) Cuántos bits se emplean para las direcciones de memoria? b) Cuál es el tamaño de los registros? c) Cuántos bits se almacenan en cada posición de memoria? d) Cuántas posiciones de memoria se pueden direccionar? Exprese el resultado en KB. e) Cuántos bits se necesitan para identificar a los registros? ARCOS Estructura de Computadores 124

125 Almacenamiento: tamaño Tamaño de la memoria principal (RAM) Capacidad habitual: 512MB 4 GB Se expresa en octetos o bytes Tamaño de la memoria auxiliar (Capacidad de almacenamiento de dispositivo de memoria secundaria) Papel: pocos bytes Diskette: 1,44 KB CD-ROM: 600 MB DVD: 4.7GB Blu-ray: 50 GB Disco Fijo: 10 GB 2 TB ARCOS Estructura de Computadores 125

126 Prefijos Nombre Abr Factor SI Kilo K 2 10 = 1, = 1,000 Mega M 2 20 = 1,048, = 1,000,000 Giga G 2 30 = 1,073,741, = 1,000,000,000 Tera T 2 40 = 1,099,511,627, = 1,000,000,000,000 Peta P 2 50 = 1,125,899,906,842, = 1,000,000,000,000,000 Exa E 2 60 = 1,152,921,504,606,846, = 1,000,000,000,000,000,000 Zetta Z 2 70 = 1,180,591,620,717,411,303, = 1,000,000,000,000,000,000,000 Yotta Y 2 80 = 1,208,925,819,614,629,174,706, = 1,000,000,000,000,000,000,000,000 ARCOS Estructura de Computadores 126

127 Prefijos Nombre Abr Factor SI Kilo K 2 10 = 1, = 1,000 Mega M 2 20 = 1,048, = 1,000,000 Giga G 2 30 = 1,073,741, = 1,000,000,000 Tera T 2 40 = 1,099,511,627, = 1,000,000,000,000 Peta P 2 50 = 1,125,899,906,842, = 1,000,000,000,000,000 Exa E 2 60 = 1,152,921,504,606,846, = 1,000,000,000,000,000,000 Zetta Z 2 70 = 1,180,591,620,717,411,303, = 1,000,000,000,000,000,000,000 Yotta Y 2 80 = 1,208,925,819,614,629,174,706, = 1,000,000,000,000,000,000,000,000 1 KB = 1024 bytes, pero en el SI es 1000 bytes Los fabricantes de disco duros y en telecomunicaciones emplea el SI. Un disco duro de 30 GB almacena 30 x 10 9 bytes Una red de 1 Mbit/s transfiere 10 6 bps. ARCOS Estructura de Computadores 127

128 Ejercicio Cuántos bytes tiene un disco duro de 200 GB? Cuántos bytes por segundo transmite mi ADSL de 20 Mb? ARCOS Estructura de Computadores 128

129 Solución Cuántos bytes tiene un disco duro de 200 GB? 200 GB = 200 * 109bytes = Gigabytes Cuántos bytes por segundo transmite mi ADSL de 20 Mb? B Byte b bit. 20 Mb = 20 * 10 6 bits = 20 * 10 6 / 8 bytes = 2.38 Megabytes por segundo ARCOS Estructura de Computadores 129

130 Comunicaciones: ancho de banda Varias interpretaciones: Caudal de información que transmite un bus. Caudal de información que transmite una unidad de E/S. Caudal de información que puede procesar una unidad. Número de bits transferidos por unidad de tiempo. Unidades: Kb/s (Kilobits por segundo, no confundir con KB/s) Mb/s (Megabits por segundo, no megabytes por segundo) ARCOS Estructura de Computadores 130

131 Comunicaciones: latencia Varias interpretaciones: Tiempo transcurrido en la emisión de una petición en un sistema de mensajería fiable. Tiempo transcurrido entre la emisión de una petición y la realización de la acción asociada. Tiempo transcurrido entre la emisión de una petición y la recepción de la respuesta. Unidades: s (segundos) ARCOS Estructura de Computadores 131

132 Computación Medición de la potencia de cómputo. Factores que intervienen: Juego de instrucciones Reloj de la CPU (1 GHz vs 2 GHz vs 4 GHz ) Número de cores (quadcore vs dualcore vs ) Ancho de palabra (32 bits vs 64 bits vs ) Formas típicas de expresar potencia de cómputo: MIPS MFLOPS ARCOS Estructura de Computadores 132

133 Computación: MIPS Millones de Instrucciones Por Segundo. Rango típico: MIPS No todas las instrucciones tardan lo mismo en ejecutar Depende de qué instrucciones se ejecutan. No es fiable 100% como medida de rendimiento. ARCOS Estructura de Computadores 133

134 Computación: MFLOPS Millones de Operaciones en coma Flotante por Segundo. Potencia de cálculo científico. MFLOPS < MIPS (operación flotante más compleja que operación normal). Computadores vectoriales: MFLOPS > MIPS Ejemplo: Itanium 2 3,5 GFLOPS ARCOS Estructura de Computadores 134

136 Microprocesador Incorpora las funciones de la CPU de un computador en un único circuito integrado ARCOS Estructura de Computadores 136

137 Ley de Moore ARCOS Estructura de Computadores 137

138 Ley de Moore Doblar la densidad implica reducir las dimensiones de sus elementos en un 30% En 1971 el Intel 4004 tenía 2300 transistores con tamaños de 10 micrometros Hoy en día se consiguen chips con distancias de 14 nanometros Para cumplir la ley de Moore se necesita tecnología cuyo precio se dobla cada 4.4 años ARCOS Estructura de Computadores 138

139 Proceso de fabricación ARCOS Estructura de Computadores 139

140 Mejoras en la tecnología Memoria Capacidad de DRAM: 2x / 2 años (desde 96); 64x en la última decada Procesador Velocidad: 2x / 1.5 años (desde 85); 100X en la última decada. Discos Capacidad: 2x / 1 año (desde 97) 250X en la última decada. ARCOS Estructura de Computadores 140

141 Evolución histórica Museos de informática Buscar en google: Computer history ARCOS Estructura de Computadores 141