Universidad Autónoma de San Luis Potosí Facultad de Ciencias Departamento de Electrónica Arquitectura de Computadoras Primavera 2012 Unidad 1 Tecnología y Abstracción Computacional Unidad 1 Organización y conceptos básicos del Software Organización y conceptos básicos del Hardware Circuitos Integrados 1 2 Introducción El lenguaje de maquina esta constituido por los símbolos que la computadora puede entender Estos símbolos están restringidos a Encendido (1) Apagado (0) Por lo tanto, el lenguaje de maquina esta representado por código binario Cada digito es referido como digito binario o bit. Bajo tu Programa Los comandos individuales que le damos a la computadora son llamados instrucciones. Las instrucciones son colecciones de bits que la computadora entiende, por ejemplo: 100010011100 comando para sumar 2 números Los números binarios son usados para representar instrucciones y datos 3 4 Bajo tu programa Bajo tu programa El lenguaje ensamblador fue usado para facilitar a los programadores la escritura de las instrucciones Los lenguajes de alto nivel son mas cercanos al lenguaje humano. Es mas fácil para el programador expresar sus ideas en este tipo de lenguajes Lenguajes de maquina Lenguajes de Alto Nivel C, C++, Java 0000100101000 1000100101111 1001111010000 1010101010101 1000000100011 1000000001111 Swap(int v[], int k) { int temp; temp = v[k]; v[k] = v[k+1]; v[k+1] = temp; } Lenguajes Ensamblador Compilador Swap: muli $2, $5, 4 add $2, $4, $2 lw $15, 0($2) lw $16, 4($2) sw $16, 0($2) sw $15, 4($2) jr $31 5 6 1
Ventajas de los lenguajes de Alto nivel Librerías Facilidad de programación Permiten que el programador piense en un lenguaje mas natural usando palabras en ingles y ecuaciones algebraicas resultando en un programa mucho mas entendible Mejora la productividad del programador En menos líneas se puede expresar una idea Portabilidad Los programas son independientes de la computadora donde fueron desarrollados. Varias rutinas son usadas continuamente tales como: Crear un archivo Leer un archivo Escribir un archivo Escribir en la pantalla Leer del teclado Las librerías son un conjunto de programas que contienen rutinas comúnmente usadas. 7 8 Capas de Software Clasificación del Software El sistema operativo es un grupo de programas que administran los recursos del sistema computacional. El software se clasifica en base a su uso en dos grupos: Software de Sistema Software de Aplicación Hardware Software de Sistema Software de Aplicación Software de Aplicación Word Excell Firefox Software Compiladores Visual C++ gcc Visual java Software de Sistema Sistemas Operativos Manejo de Sistema de Archivos Manejadores de dispositivos Ensambladores As. 9 10 Revolución Computacional Progreso en la tecnología computacional Ley de Moore Hace que las aplicaciones novedosas sean posibles Computadoras en automóviles Teléfonos celulares Proyecto genoma humano World Wide Web Métodos de búsqueda (Search Engines), google, yahoo, dr. ask, etc. Las computadoras son dominantes. Tipo de Computadoras Computadoras de Escritorio (Desktop Computer) Propósito general / Variedad de Software Sujetas a un compromiso entre el costo y el desempeño Servidores (Server computers) Basadas en red Alta capacidad, desempeño y confiabilidad Computadoras Embebidas (Embedded computers) Ocultas como componentes del sistema Fuertes restricciones en cuanto a la potencia, desempeño y costo 11 12 2
Mercado de Procesadores Bajo la Cubierta Los componentes principales del hardware de una computadora son: Dispositivos de entrada Dispositivos de salida Procesador 13 14 Entrada/Salida Dispositivos de Entrada Dispositivos de entrada y salida incluyen Dispositivos de interfaz al usuario Pantalla, teclado, mouse Dispositivos de almacenamiento Discos duros, CD/DVD, flash Adaptadores de red Para comunicación con otras computadoras Output device Input device Network cable Input device 15 Los dispositivos de entrada alimentan a la computadora con datos. Teclado Dispositivos Apuntadores Entrada de Voz Cámaras Digitales Video Scanner 16 Dispositivos de Salida Anatomia de un Mouse Los dispositivos de salida son aquellos que nos muestran los datos después de que han sido procesados. Monitores Impresoras Bocinas Fax Proyectores Mouse Óptico LED ilumina el escritorio Pequeña cámara de baja resolución Procesador de imágenes básico Busca movimientos en x, y Botones y wheel Toma el lugar de los mouse mecánicos con rueda-giratoria (roller-ball) 17 18 3
Estática (SRAM) Dinámica (DRAM) 31/01/2012 Through the Looking Glass Abriendo la Caja LCD screen: picture elements (pixels) Mirrors content of frame buffer memory 19 20 Abriendo la caja Borrable EPROM EEPROM La tarjeta principal (Mainboard) esta compuesta por: Conexión a los dispositivos de I/O Procesador La memoria mantiene tanto datos como instrucciones Primaria Read-Only Memory (ROM) Read/Write Memory Acceso Aleatorio Permanente Estática Dinámica Discos Flash Masked ROM PROM Floppy Duro Secundaria 21 Acceso Serial Cintas Magneticas CD-ROM 22 Primaria Random Acess Memory de Lectura y Escritura comúnmente conocida como RAM (Random Access Memory) La memoria RAM es volátil, lo que significa que cuando la alimentación se apaga, pierde toda la información Existen dos tipos de memoria RAM Estática Dinámica Almacena los bits como voltaje Tiene una baja densidad pero alta velocidad Es una memoria cara y consume mayor potencia que la dinámica La memoria Cache incluida en los microprocesadores es SRAM Almacena bits como carga Tiene una alta densidad y bajo consumo de potencia Es mas barata que la memoria SRAM Su principal desventaja es que la carga se fuga, por lo cual se requiere refrescarla. Por lo cual requiere circuitería extra, aumentando el costo del sistema. Para memorias pequeñas de menos de 8K es mas apropiada SRAM. 23 24 4
Software Hardware 31/01/2012 Read-Only Memory Dentro del Procesador (CPU) ROM es una memoria no volátil, es decir, retiene la información aun si la alimentación es apagada. Esta memoria es usada para almacenar datos y programas que no deben ser alterados Existen 5 tipos de ROM Masked ROM PROM, EPROM EEPROM Flash memory Datapath: desempeña las operaciones en los datos Control: indica al datapath la secuencia de operaciones a realizar, indica a la memoria y dispositivos de entrada y salida que hacer de acuerdo a las instrucciones del programa Cache pequeña y rápida (SRAM) para acceso de datos inmediatos 25 26 Inside the Processor Abstracción AMD Barcelona: 4 processor cores 27 28 Abstracción Abstracción Abstracción nos ayuda a lidiar con la complejidad Oculta los detalles de bajo-nivel Arquitectura del Conjunto de Instruccions (Instruction set architecture (ISA)) La interfaz hardware/software Interfaz de aplicación binaria la interfaz ISA mas software de sistema Implementación Detalles debajo de la interfaz Hardware y software ocultan detalles de implementación en las capas altas Esto significa que ambos son diseñados usando diferentes niveles de abstracción. Aplicaciones Sistema Operativo Lenguaje Ensamblador Lenguaje de Maquina Unidades Funcionales Compuertas Transistores Materiales 29 30 5
Arquitectura de Computadoras Arquitectura Computacional La arquitectura del conjunto de instrucciones de una computadora es la interfaz entre el nivel de abstracción mas bajo del software y el nivel mas alto del hardware Aplicación Compilador Instr. Set Proc. Datapath & Control Diseño Digital Diseño de Circuitos Layout Sistema Operativo Firmware Sistema E/S Arquitectura del Conjunto de Instrucciones 31 Arquitectura Computacional comprende tres aspectos: Conjunto de Instrucciones Organización de la Computadora Hardware de la Computadora Los últimos dos aspectos se refieren a la implementación física de la computadora 32 Conjunto de Instrucciones Fuerzas en Arquitectura Computacional El conjunto de instrucciones es la interfaz visible entre el hardware y la programación Tecnología de fabricación Lenguajes de Programación Las dos principales aproximaciones al conjunto de instrucciones son: CISC (Complex Instruction Set Computer) RISC (Reduced Instruction Set Computer) Aplicaciones Sistemas Operativos Arquitectura de Computadora Historia 33 34 Tecnología: Circuitos Integrados La tecnología electrónica continua evolucionando: Incrementa el desempeño Incrementa capacidad Disminuye costo Año Tecnología DRAM capacity Desempeño Relativo / Unidad de Costo 1951 Bulbos 1 1965 Transistores 35 1975 Circuitos Integrados 900 1995 Circuitos Integrados de Muy Alta Escala (VLSI) 2,400,000 2005 Circuitos Integrados de Ultra Alta Escala (ULSI) 6,200,000,000 35 Tecnología usada en las computadoras Un transistor es un interruptor (On/Off) controlado por voltaje o corriente Un circuito integrado combina docenas a cientos de transistores en un chip Circuito VLSI integra cientos a millones de transistores Circuito ULSI integra millones a cientos de millones de transistores 36 6
Proceso de Manufactura de Circuitos Integrados AMD Opteron X2 Wafer Rédito: proporción de dados funcionales de cada oblea 37 X2: 300mm wafer, 117 chips, 90nm technology X4: 45nm technology 38 Integrated Circuit Cost Ley de Moore Costopor dado Dadospor oblea Costopor oblea Dadospor oblea Yield Area delaoblea Area deldado 1 Yield 2 (1 (Defectos por area Area deldado/2)) La Ley de Moore establece que la capacidad de integración se dobla cada 18 meses DRAM capacity Relación no-lineal entre el área y la razón de defectos Costo de oblea y el área son cantidades fijas La razón de defectos es determinada por el proceso de manufactura Área del dado es determinada por el diseño de la arquitectura y el diseño de circuitos 39 40 Tecnología Cambios Dramáticos Ley de Moore: Densidad del Chip (transistores) se dobla cada 18 meses Procesador Capacidad Lógica: alrededor de 30% por año Velocidad del Reloj: alrededor de 20% por año Capacidad DRAM: alrededor de 60% por año (4x cada 3 años) Velocidad de : alrededor de 10% por año Costo por bit: mejora cerca de 25% por año Disco Capacidad: alrededor de 60% por año 41 42 7
1982 1983 1984 1985 1986 1987 1988 1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 31/01/2012 Desempeño del Procesador Tipos de Computación Desempeño mejora 50% por año Alrededor de 2X cada 1.5 años 300 250 200 RISC 150 100 50 Introducción de RISC Intel x86 35%/yr 0 Year 43 44 Arquitecturas Perspectiva Histórica ENIAC (Electronic Numerical Integrator Calculator) fue la primera computadora diseñada 1946 por Eckert y Mauchly. La programación se realizaba manualmente por medio de conexión manual de cables e interrupciones. 45 46 Perspectiva Histórica En 1944, John Von Neumann se unió al proyecto ENIAC. Von Neumann discutió la forma de mejorar la programación y por primera vez almacenar el programa. La computadora basada en estas ideas fue llamada EDVAC (Electronic Discrete Variable Automatic Computer) Perspectiva histórica Las características de esta arquitectura, conocida como Arquitectura Von Neumann son: Una memoria principal que almacena tanto datos como instrucciones Una Unidad Lógica y Aritmética (ALU) capaz de operar datos binarios Una unidad de control que interpreta y provoca la ejecución de instrucciones Dispositivos de Entrada y Salida operados por la unidad de control 47 48 8
Perspectiva Histórica Neumann vs Harvard En un proyecto alterno Howard Aiken en la Universidad de Harvard desarrollo una computadora electromecánica llamada MARK-I Mark-I fue precedida por Mark-II realizada con relevadores. Después realizó Mark-III y Mark IV realizadas con bulbos. Estas maquinas tenían la característica de tener memorias separadas para datos e instrucciones. La arquitectura Harvard es conocida como aquella que tiene memoria separada para datos y programa NEUMANN Una sola memoria principal para instrucciones y datos Un solo bus de datos que transfiere tanto datos como instrucciones Las instrucciones y datos no pueden ser procesadas al mismo tiempo La velocidad de procesamiento es mucho mayor que la velocidad de acceso a una sola memoria El procesador tiene una complejidad baja HARVARD separada para instrucciones y datos Dos o mas buses, lo cual permite la transferencia simultanea de datos y programa La arquitectura es mas rápida porque permite el acceso simultaneo a instrucciones y datos La complejidad del sistema aumenta debido a la inclusión de rutas separadas para datos e instrucciones 49 50 Resumen de la Unidad 1 Resumen Los principales componentes de un sistema computacional son: El diseño de una computadora se realiza usando diferentes niveles de abstracción Computadora Procesador Control Dispositivos de Entrada La arquitectura de una computadora es la interfaz entre el nivel mas bajo de abstracción del software y el nivel mas alto de abstracción del hardware. Datapath Cache Dispositivos de Salida Arquitectura Computacional comprende tres aspectos: Conjunto de Instrucciones Organización de la Computadora Hardware de la Computadora 51 52 Resumen La arquitectura se puede clasificar en Neumann Una sola memoria principal para instrucciones y datos Harvard Dos memoria separadas, una para datos y la otra para instrucciones permitiendo el acceso simultaneo. El conjunto de instrucciones se clasifica en: CISC (Complex Instruction Set Computer) RISC (Reduced Instruction Set Computer) 53 9