Prof. José Edinson Aedo Cobo Departamento de Ing. Electrónica Universidad de Antioquia Adaptado a...

Prof. José Edinson Aedo CoboDepartamento de Ing.

ElectrónicaUniversidad de Antioquia

Adaptado a partir de presentaciones del Prof. D. Patterson’s Copyright 1998, 2000 UCB

Introducción a la arquitectura de Computadores

Lo que se cubrirá en el curso...

Se espera una compresión profunda del funcionamiento interno de los computadores modernos, su evolución y los compromisos que existen (“trade-offs”) en la frontera entre el hardware y o software.Estudio de las operaciones que el hardware suministra al software (instrucciones en assembly), discusión de cuáles operaciones son rápidas o lentas y porque son fáciles o dificiles de ser implementadas en hardware.

La tendencia actual al bajo consumo de potencia.

Adquirir conocimiento en el proceso de diseño, en el contexto de un diseño grande y complejo de hardware.Especificación funcional flujo de Datos y Control Implementación Física.

• Adquirir un visión de la Arquitectura de Computadores desde el punto de vista del desarrollador de software

• Con lo que escribe el programa el programador, como este programa es traducido al lenguaje de máquina y como la máquina interpreta el lenguaje de máquina.

• Conocer las principales tendencias en la evolución de los computadores desde el punto de vista de su arquitectura.

Continuación....

Este término ha evolucionado desde el momento que utilizó por primera vez (1964):

“Es la estructura del computador que un programador en lenguaje de máquina debe conocer para escribir un programa correcto1”

1Amdahl, G.; Blaaw, G.; Brooks F. “Arquitecture of the IBM System/360”, IBM Journal of Research and development, 8(2), pp. 87-101, april 1964.

Qué es la Arquitectura de un Computador?

Arquitectura de un Computador = Arquitectura del Conjunto de

Instrucciones (ISA) + Organización de la Máquina (OM)


•ISA : definición de lo que la máquina hace. Visión lógica

•OM : cómo la máquina implementa el ISA. • La Implementación física

En este curso estudiaremos las dos !

Coordinación de los diversos niveles de abstracción:Esconde detalles de la implementaciónFacilita mantener la complejidad de sistemas reales bajo control

Sistema I/O Conj. Instr Proc.

Compilador

SistemaOperacional

Aplicación

Diseño DigitalDiseño del circuito

Conjunto de Instrucciones

flujo de Dados & Control

Layout

Hardware

Software


Niveles de Abstracción:

Arquitectura deComputadores

Tecnología Lenguajes deprogramación

Sistemas Operacionales

Historia

Aplicaciones

Fuerzas que influencian la Arquitecturade Computadores

Elementos de un Computador Moderno

Software Aplic.

S.O.

Arquitectura

deHardware

Evaluación de DesempeñoEvaluación del consumo dePotencia....

Problemas computacionales

Algoritmos eEstructuras de Dados

Linguajes de alto nível

Compilador

Mapeamiento

Programación

Visión general

Control

Datapath

Memoria

Procesador“CPU”flujo de Dados+Unidad deControl

Entrada

Salida

Desde 1946 todos los computadores están formados por 5 componentes:

Estructuras de interconexión (buses)

Unidad de Control

ULA

Reg

istra

do

res

Bus de Direcciones

Bus de Datos

Bus de Control

Arquitectura de Von Neumann

Memoria

Procesador

Arquitectura de Von Neumann

El procesador contiene:

a) Unidad de Control

b) Unidad Lógica Aritmética (ALU)

c) Tres registradores básicos (puede tener muchos mas):

Registrador de Instrucción

Registrador de direcciones o Contador de Programa (PC)

Acumulador.

Ciclo de Instrucción

La ejecución de una Instrucción puede ser dividida en cinco partes:

• Ciclo de lectura

• Ciclo de decodificación

• Ciclo de cálculo de direcciones (de los operandos)

• Ciclo de Ejecución.

• Ciclo de escritura.

Ejemplo de una Organización (década del 90)

TI SuperSPARCtm TMS390Z50 in Sun SPARCstation20

Floating-point Unit

Integer Unit

InstCache

RefMMU

DataCache

StoreBuffer

Bus Interface

SuperSPARC

L2$

CC

MBus Module

MBus

L64852 MBus controlM-S Adapter

SBus

DRAM Controller

SBusDMA

SCSIEthernet

STDIO

serialkbdmouseaudioRTC

FloppySBusCards

Ley de Moore• En Abril de 1965, 6 años después de la invención del circuito integrado, Gordon Moore, co-fundador de Intel 3 años más tarde, realizó una predicción conocida luego como la ley de Moore: la cantidad de transistores en un circuito integrado se multiplicará

• En ese momento, el equipo de Moore trabajaba en el diseño de undispositivo con … 60 transistores

• Para compensar la complejidad creciente de los circuitos, Moore cambió en 1975 la duración del ciclo, pasándolo a 2 años

• Desde el final de los años 80, la duración del ciclo es de 18 meses.• Y, además, la ley se aplica igualmente a los otros parámetros de latecnología, especialmente a la velocidad y a las prestaciones

El pensamiento de Gordon Moore (Ejecutivo Emérito de Intel)

Tecnologia=> produce Cambios dramáticos

La Ley de Moore Procesador

capacidad lógica: 2x más transistores cada 18 meses (Lei de Moore)

velocidad do reloj (clock) : aumenta cerca del 20% por año

Memoria DRAM (capacidad): aumenta cerca del 60% por

año (4x cada 3 años) velocidad: mejora cerca del 10% por año Costo por bit: mejora cerca del 25% por año

Disco capacidad: cerca de 60% por año

Procesador Transistores8088 (1979) 29.000

286 (1982) 134.000

386 (1985) 275.000

486 (1989) 1.200.000

Pentium (1993) 3.100.000

Pentium MMX (1997) 4.300.000

Pentium II (1998) 9.500.000

Pentium III (Coopermine) 21.000.000

Athlon (Thunderbird) 35.000.000

Pentium 4 42.000.000

Número de Transistores en los Microprocesadores

Processador/Ano Tam. TransistorIntel 4004 (1971) 15 mícrons

8088 (1979) 3 mícrons

486 1 mícron

Pentium 60 MHz 0.80 mícron



Pentium MMX 0.35 mícron

Pentium III 350 MHz 0.25 mícron

Celeron 366 (soquete) 0.22 mícron

Pentium III Coppermine 0.18 mícron

Athlon Thunderbird 0.18 mícron

Pentium 4 Northwood 0.13 mícron

Athlon Throughred 0.13 mícron

Até 2005 (segundo Intel) 0.07 mícron

Até 2010 (segundo a Intel) 0.03 mícron ?

2015 0.02 mícron ?

2025 Processadores Quânticos?

1 Mícron = 10-3 mm

1 Mícron = 10-6 metro

El Tamaño del Transistor en los Procesadores

•El edificio del centro de invet. y desarrollo cuesta 400 millones de dólares

•Los equipos en este centro cuestan alrededor de 1 billón de dólares

•Esta inversión produce una fábrica de 5000 wafers/semana (tecnología de 1/4 de mícron)

•Para la próxima generación de circuitos integrados, la inversión mínimo deberá ser de 2 o 3 billones de dólares para lograr un volumen razonable de producción.

•Ninguna otra industria tiene un tiempo de vida tan corto para una inversión tan grande!!!

El pensamiento de Gordon Moore (Ejecutivo Emérito de Intel)

Gordon Moore

Gran parte de ese dinero se gasta antes que se pruebe que va a existir demanda suficiente para los procesadores que serán fabricados

Todos los 4 billones se gastarán en una apuesta de que la industria va a absorber un número enorme de CPUs rarísimas !!!

Talvez estas CPUs no sean tan rápidas que las existentes actuales...

Que sucederá con el Pentium IV se todos creen que el Pentium III es rápido y suficiente???

“Mi mayor pesadilla es despertar algún dia y que no se requiera de mayor poder computacional”.

Sistemas Embebidos

Desempeño - tendencias

Microprocesadores

Minicomputadores

Mainframes

Supercomputadores

1995

ano

19901970 1975 1980 1985

Lo

g d

el d

ese

mp

eñ

o

Procesador (Performance SPEC)

0

50

100

150

200

250

300

350

1982 1984 1986 1988 1990 1992 1994

año

Perf

orm

ance

RISC

Intel x86

35%/yr

RISCintroduction

Desempeño ahora aumenta 50% por year (2x every 1.5 years)

Contenido del Curso

Temas generales• Introducción al diseño de microproprocesadores. Aspectos históricos.• Medidas de desempeño en una arquitectura.• Principios cuantitativos en el diseño de computadores.• Diseño a nivel de conjunto de instrucciones. • Organización de la Microarquitectura.• Estructuras de los compiladores modernos y su influencia en el desempeño.• Arquitecturas con "pipelining". Arquitecturas RISC. Ejemplo de dos microarquitecturas: MIPS y IJVM (Integer Java virtual machine).

Contenido del Curso

• Paralelismo a nivel de instrucción. Arquitecturas superscalares y VLIW.• Gerarquía de memorias, memorias Cache (arquitecturas básicas), memorias virtuales, memoria principal. Los efectos en el desempeño.• Elementos de I/O.• Introducción al los computadores paralelos y a su programación.

• Dentro del curso se analizarán algunas arquitecturas modernas tales como: The Trimedia TM32 CPU, MIPS Architecture, ARM, Intel IA-64 Architecture, Itanium Processor, The Emotion Engine of the Sony Playstation2.

Evaluación

• Se realizarán 2 evaluaciones cada uno con un valor del 20 %

• Un trabajo final con un valor del 30%.

• Prácticas de simulación. Valor 20 %

• Exposición de un tema asignado Valor 10 %

Bibliografía

• “Computer Architecture and Computer Organization and Design”, John L. Hennessy and David A. Paterson. Morgan Kaufmann Publisher, 2005.• “Computer Architecture: a Quantitative Approach”, John L. Hennessy and David A. Paterson. Morgan Kaufmann Publisher, Third Edition, 2003.• “Arquitectura de Computadores”, Julio Ortega Lopera, Mancia Anguita López ya Alberto Prieto Espinosa, Ed. Thomson, 2005. •Organización de Computadoras, un Enfoque Estructurado, Andrew S. Tanenbaum, Edi. Person Education 2000.• Diversos artículos de las revistas tales como IEEE computer, IEEE solid state circuits, IEEE Micro.

Fabricación de CIs Chips son realizado usando una tecnología

principalmente a usando materiales semiconductores. Principalmente silicio.

Un circuito complejo ( VLSI,ULSI) es formado por millones de combinaciones de elementos lógicos combinacionales y secuencias construido con transistores.

Los procesadores modernos se basan en tecnología CMOS

que son transistores con substrato de silicio.

Proceso de fabrición de chips

Corte en

obleas

20 a 30 pasos de

procesamento

De las obleaWafers limpias

Separador

Corte de los chips

Test de dados

Teste final dos chips

Entrega a los

consumidores

Encapsula-

miento

Wafers “Impresas con el CI”

dados Individuales

dados probados

chips encapsulado

chips probados

Lingote de silício

Caso real: fabricación del Pentium Wafer con 8 pulgadas de diametro:

196 procesadores Pentium o 76 procesadores Pentium Pro; Costo de la wafer es aproximadamente el mismo,

independente do que se procese en ella. Cuanto mayor el área del procesador, mayor es la

probabilidad de utilizar una área co defecto en la wafer Costo aumenta mucho rapidamente con incrementos del

área del procesador.

Pentium: Área = 91 mm2; ± 3.3 milloness de transistores.

Pentium Pró: Área = 306 mm2; ± 5.5 milloes de transistores (1 millones en la cache

interna) y 3.1 millones en la cache externa

Aspectos económicos de los circuitos integrados

Costos asociados con un IC:

1. Costos fijos asociados con el producto.

2. Costos variables asociados con la producción.

Costos fijos: Contribuyen a los costos fijos:

• Costos de entrenamiento ( se considera el salario de los Ing. En

en el entrenamiento y el tiempo que toma).

• Costos de hardware y Software: CAD y Workstations.

Aspectos económicos de los CIs


• Costos de diseño (toma en cuenta la productividad del equipo).

• Costos del diseño del programa de pruebas (design for test).

• NRE (nonrecurring-engineering charge)

- Mascaras.

- Simulación, verificación.

- Implementación del programa de pruebas (production testing).

• Costos asociados con “Design pass” adicionales.

• Costos de prototipos (MPC)



• Costos asociados con una segunda fuente (otro proveedor de

tecnología)

Importancia del momento de la introducción del producto al

Mercado ?


Importancia del momento de la introducción del producto al

mercado (un modelo simple)


Costos variables: Dependen de la producción

• Costos por circuito (depende del volumen de ventas)

- Costos del dado, dependen de:

Costos de la Wafer.

Tamaño del dado.

Yield del proceso.

Pruebas de las partes.



• Consideraciones a tener en cuenta

- La ley de Moore (Gordon Moore de Intel)

El número de transistores sobre un chip se dobla cada

18 meses.



• Conceptos relacionados con la producción

- Densidad de defectos: es una medida de la calidad del

proceso de fabricación.

Un defecto en un dado significa

que dado no sirve.

- Yield del proceso, es fracción de dados sobre un Wafer

que son buenas. Un Yield alto es necesario para

obtener ganancias.



• Cálculo de los costos variables de un CI. Costo del CI:

CD costo del dado

CTD costo del testing del dado.

CE Costo del empaquetamiento (y test final)

YTF yield del test final.

( ) D TD ET

TF

C C CC CI

Y



• Cálculo del costo del dado.

CD costo del dado

CWAF costo de la oblea (wafer)

DW dados por oblea

DY yield del dado

WAFD

CC

DW x DY



• Cálculo de los dados por oblea

DW dados por oblea

DW diámetro de la oblea (wafer)

AD Area del dado.

2( / 2)

2W W

D D

D DDW

A A



• Cálculo del yield del dado.

YW Yield de la oblea (100 %)

DA Defectos por unidad de Area

AD Area del dado

es un factor inversamente proporcional al número de máscaras.

procesos actuales =0.4

(1 )DA AD

DY YW



• Cálculo del testing del dado.

CTD Costo de testing del dado.

CTH Costo del testing por hora (depende del equipo usado).

TTD Tiempo promedio del test para un dado.

DY Yield del dado.

TH TDTD

C TC

DY

Breve Historia de los Computadores

Fuente:“Von Neumann: suas contribuições à Computação”, de Tomasz Kowaltowski, revista de Estudos Avançados da USP, No 26, volume 10, janeiro/abril de 1996;

sitio: Histoire de l´Informatique (www.histoire-informatique.org).

° Aprox. 100 d.C: Heron de Alejandría describe dos ideas. Unión de ruedas dentadas para realizar una operación y utilización de cilindros rotatorios con pines y cuerdas para controlar secuencias de acciones de otros mecanismos.

° 1624-1694: máquinas calculadoras de Wilhelm Schickard (Alemanha), Blaise Pascal (França) e Gottfried Leibnitz (Alemanha).

° 1790-1801: control de telares por medio de cartones perforados, de Joseph Marie Jacquard (Francia)

Recuento histórico breve…


° 1822-1853: diseño e y desarrollo de la máquina de diferencias de Charles Babbage (Gran Bretaña) que nunca fue terminada. Máquina de diferencias más simple de Pehr Georg Scheutz e Edvard Scheutz (Suecia).

° 1833-1910: Diseño y desarrollo de la máquina analítica de Charles Babbage, con control por cartones perforados, incluyendo las ideas de control condicional y iteracciones (no terminada). Continuación de la construcción de la máquina por Henry Babbage, con resultados parciales.


°1890-1896.- máquina tabuladora de Herman Hollerith usada para procesamiento de los resultados del censo norte-americano, registrados em cartones perforados. Fundación por Hollerith de la Tabulating Machine Company, predecesora de IBM (creada en 1924).

°1934-1941: trabajos de Konrad Zuse (Alemania) culminando con una máquina electromecánica con control primitivo por cinta de papel; siguieron varios modelos mejorados.

°1935-1942: trabajos de John V. Atanasoff, lowa State Colleqe (EUA) en la construcción de una máquina electrónica con lectura y perforación de tarjetas para resolución de sistemas de hasta 30 ecuaciones lineales (no terminada).


°1937-1944: trabajo de Howard Aiken y su equipo, desarrollando por la Universidad de Harvard y IBM (EUA), resultando en MARK 1, un computador eletromecánico, con control por cinta de papel, aún bastante primitivo y de operación compleja; la IBM continuo el desarrollo con otros modelos.

°1937 1944: trabajos de George Stibitz y sus colaboradores, de l, Bell Telephone Laboratories (EUA) en el área de cálculos balísticas; resultando en una máquina controlada por cinta de papel- continuaron con otros modelos más avanzados con énfasis en cálculos y autoverificación.

° 1941-1945: trabajo de Alan Turing y sus colaboradores (Gran- Bretaña) para el desarrollo de máquinas que se conocían como Colossus, delicadas al criptoanálisis. Debido al carácter sigiloso del trabajo, el desarrollo se torno conocido solamente en la década del 70.


°1942-1945. Diseño y desarrollo de la ENIAC por J. Presper Eckert e John W. Mauchly de la Universidad da Pensilvania (EUA): primer computador de propósito general completamente electrónico.


°1944-1951: Diseño y desarrollo de la EDVAC, primer computador con programa almacenado en memoria, Fue un resultado principalmente de la colaboración de John Von Neumann, J. Presper Eckert y John Machly. El EDVAC fue utilizado hasta diciembre de 1962.


°1946-1952: Diseño y construcción del computador del Instituto de Estudios Avanzados (IAS) de Princeton por John von Neumann y sus colaboradores.

°1947-1949: Diseño y construcción del EDSAC por Maurice Wilkes de la Universidad de Cambridge (Gran Bretaña), primer computador con programa almacenado en la memoria en entrar en funcionamiento.

°1950 en adelante: construcción de varios sucesores basados el diseño IAS, en universidades y en la industria: JOHNIAC, ORDVAC, ILLIAC, MANIAC, máquinas de Manchester y otras.


°1951 – Construcción de UNIVAC I, por Eckert y Mauchly. Primer computador comercial de suceso (48 sistemas construídos)


°1964 – IBM System/360: idea de la abstración de la arquitectura se torna una realidad comercial (família de computadores): 6 computadores y 44 periféricos con capacidad bastante distintas, pero todos compatíbles entre si.

°1965 - DEC lanza el PDP-8, primer mini-computador comercial


°1971 – Intel 4004: primer microprocesador del mundo: 2300 transistores y 60.000 operaciones por segundo; capacidad de procesamiento semejante a la ENIAC


°1975 – Altair 8800: primer microcomputador del mundo (para los americanos; para los franceses este seria el Micral-N, de 1973, hecho por un francés). Primer BASIC de Microsoft hecho para esta máquina.

°1977 – Apple II (S. Jobs e S. Wozniak): primer computador con gran suceso de vendas para el público en general.


Algunos procesadores actuales:

°Intel Pentium 4/2200: Clock de 2.2 GHz, 55 millones de transistores, 146mm2 de área.

°AMD Athlon XP 2000+: Clock de 1.66 GHz, 37.5 millones de transistores, 128 mm2 de área.


IBM Power 5

Generacione de Computadores en 50 años

Generación

Período

Tecnologia y arquitectura Software y sistema operacional

Ejemplos

Primera (1946 – 1956)

Válvulas y relés, CPU de 1 bit con conjunto de instrucciones basadas en acumulador

Lennguajem de máquina/assembly, programas sin subrutinas

ENIAC, IBM 701, Princeton IAS

Segunda (1956-1967)

Transistores discretos, core memory, acelerador de punto flotante, canales de E/S

Algol y Fortran con compiladores, SO con procesamiento en batch

IBM 7030, CDC 1604, Univac LARC

Tercera (1967 – 1978)

Circuito integrado, CPU con pipeline, unidad de control microprogramada

C, multiprogramación, SO timesharing

PDP-11 IBM 360/370, CDC 6600

Cuarta (1978 – 1989)

Microprocesadores VLSI, memória en estado sólido, multiprocesadores, supercomputadores vectoriales

Compiladores, Lenguajes, SO, Ambientes para procesamiento paralelo. Multiprocesamiento simétrico, bibliotecas

IBM PC VAX 9000, CRAY X/MP BBN TC2000

Quinta (1990 – presente)

Circuitos ULSI, computadores paralelos escalables, clusters de estaciones de trabajo, intranet, Internet

Java,, microkernels, mutithreading, SO distribuidos., WWW

IBM SP2, SGI Origin 2000, Digital Tru Cluster, Fujitsu VPP500, Cray/MPP, Intel Paragon


Rupturas en relación al paradigma de Von Neumann:

1. Arquitectura de flujo de dados: MIT, final de los años 60. Conceptualmente muy elegante, se mostró poco, eficiente en la práctica, se limitó a proyectos académicos.

2. Computación basada en DNA: Adleman, 1994/1995. Mostró que podría ser posible resolver problemas combinatorios a través de moléculas de DNA. No está claro si es posible construir computadores de propósito general.

3. Computación Quántica: Utiliza el principio de la superposición (un sistema puede estar en mas de un estado simultáneamente). Resultados teóricos importantes: factoración de enteros en tiempo polinomial (Shor, 94). Tecnología actual: 7 qubits

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