La descarga está en progreso. Por favor, espere

La descarga está en progreso. Por favor, espere

Prof. José Edinson Aedo Cobo Departamento de Ing. Electrónica Universidad de Antioquia Adaptado a partir de presentaciones del Prof. D. Pattersons Copyright.

Presentaciones similares


Presentación del tema: "Prof. José Edinson Aedo Cobo Departamento de Ing. Electrónica Universidad de Antioquia Adaptado a partir de presentaciones del Prof. D. Pattersons Copyright."— Transcripción de la presentación:

1 Prof. José Edinson Aedo Cobo Departamento de Ing. Electrónica Universidad de Antioquia Adaptado a partir de presentaciones del Prof. D. Pattersons Copyright 1998, 2000 UCB Introducción a la arquitectura de Computadores

2 Lo que se cubrirá en el curso... t 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. t 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.

3 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....

4 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 correcto 1 1 Amdahl, G.; Blaaw, G.; Brooks F. Arquitecture of the IBM System/360, IBM Journal of Research and development, 8(2), pp , april Qué es la Arquitectura de un Computador?

5 Arquitectura de un Computador = Arquitectura del Conjunto de Instrucciones (ISA) + Organización de la Máquina (OM) Qué es la Arquitectura de un Computador? 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 !

6 Coordinación de los diversos niveles de abstracción: Esconde detalles de la implementación Facilita mantener la complejidad de sistemas reales bajo control Sistema I/O Conj. Instr Proc. Compilador Sistema Operacional Aplicación Diseño Digital Diseño del circuito Conjunto de Instrucciones flujo de Dados & Control Layout Hardware Software Qué es la Arquitectura de un Computador? Niveles de Abstracción:

7 Arquitectura de Computadores Tecnología Lenguajes de programación Sistemas Operacionales Historia Aplicaciones Fuerzas que influencian la Arquitectura de Computadores

8 Elementos de un Computador Moderno Software Aplic. S.O. Arquitectura de Hardware Evaluación de Desempeño Evaluación del consumo de Potencia.... Problemas computacionales Algoritmos e Estructuras de Dados Linguajes de alto nível Compilador Mapeamiento Programación

9 Visión general Control Datapath Memoria Procesador CPU flujo de Dados + Unidad de Control Entrada Salida Desde 1946 todos los computadores están formados por 5 componentes: Estructuras de interconexión (buses)

10 Unidad de Control ULA Registradores Bus de Direcciones Bus de Datos Bus de Control Arquitectura de Von Neumann Memoria Procesador

11 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.

12 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.

13 Ejemplo de una Organización (década del 90) TI SuperSPARC tm TMS390Z50 in Sun SPARCstation20 Floating-point Unit Integer Unit Inst Cache Ref MMU Data Cache Store Buffer Bus Interface SuperSPARC L2 $ CC MBus Module MBus L64852 MBus control M-S Adapter SBus DRAM Controller SBus DMA SCSI Ethernet STDIO serial kbd mouse audio RTC Floppy SBus Cards

14 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 un dispositivo 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 la tecnología, especialmente a la velocidad y a las prestaciones El pensamiento de Gordon Moore ( Ejecutivo Emérito de Intel )

15 Tecnologia=> produce Cambios dramáticos La Ley de Moore t Procesador capacidad lógica: 2x más transistores cada 18 meses (Lei de Moore) velocidad do reloj (clock) : aumenta cerca del 20% por año t 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 t Disco capacidad: cerca de 60% por año

16 Procesador Transistores 8088 (1979) (1982) (1985) (1989) Pentium (1993) Pentium MMX (1997) Pentium II (1998) Pentium III (Coopermine) Athlon (Thunderbird) Pentium Número de Transistores en los Microprocesadores

17 Processador/AnoTam. Transistor Intel 4004 (1971)15 mícrons 8088 (1979)3 mícrons 4861 mícron Pentium 60 MHz0.80 mícron Pentium 100 MHz0.60 mícron Pentium 166 MHz0.40 mícron Pentium MMX0.35 mícron Pentium III 350 MHz0.25 mícron Celeron 366 (soquete)0.22 mícron Pentium III Coppermine0.18 mícron Athlon Thunderbird0.18 mícron Pentium 4 Northwood0.13 mícron Athlon Throughred0.13 mícron Até 2005 (segundo Intel)0.07 mícron Até 2010 (segundo a Intel)0.03 mícron ? mícron ? 2025Processadores Quânticos? 1 Mícron = mm 1 Mícron = metro El Tamaño del Transistor en los Procesadores

18 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 )

19 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.

20 Sistemas Embebidos

21 Desempeño - tendencias Microprocesadores Minicomputadores Mainframes Supercomputadores 1995 ano Log del desempeño

22 Procesador (Performance SPEC) Desempeño ahora aumenta ­ 50% por year (2x every 1.5 years)

23 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).

24 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.

25 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 %

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

27 Fabricación de CIs t Chips son realizado usando una tecnología principalmente a usando materiales semiconductores. Principalmente silicio. t Un circuito complejo ( VLSI,ULSI) es formado por millones de combinaciones de elementos lógicos combinacionales y secuencias construido con transistores. t Los procesadores modernos se basan en tecnología CMOS que son transistores con substrato de silicio.

28 Proceso de fabrición de chips Corte en obleas 20 a 30 pasos de procesamento De las oblea Wafers 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 Individuale s dados probados chips encapsulado chips probados Lingote de silício

29 Caso real: fabricación del Pentium t 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. t Pentium: Área = 91 mm 2 ; ± 3.3 milloness de transistores. t Pentium Pró: Área = 306 mm 2 ; ± 5.5 milloes de transistores (1 millones en la cache interna) y 3.1 millones en la cache externa

30 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.

31 Aspectos económicos de los CIs Costos fijos: Contribuyen a los costos fijos: 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)

32 Aspectos económicos de los CIs Costos fijos: Contribuyen a los costos fijos: Costos asociados con una segunda fuente (otro proveedor de tecnología) Importancia del momento de la introducción del producto al Mercado ?

33 Aspectos económicos de los CIs Importancia del momento de la introducción del producto al mercado (un modelo simple)

34 Aspectos económicos de los CIs 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.

35 Aspectos económicos de los CIs Costos variables: Dependen de la producción 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.

36 Aspectos económicos de los CIs Costos variables: Dependen de la producción 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.

37 Aspectos económicos de los CIs Costos variables: Dependen de la producción Cálculo de los costos variables de un CI. Costo del CI: C D costo del dado C TD costo del testing del dado. C E Costo del empaquetamiento (y test final) Y TF yield del test final.

38 Aspectos económicos de los CIs Costos variables: Dependen de la producción Cálculo del costo del dado. C D costo del dado C WAF costo de la oblea (wafer) DW dados por oblea DY yield del dado

39 Aspectos económicos de los CIs Costos variables: Dependen de la producción Cálculo de los dados por oblea DW dados por oblea D W diámetro de la oblea (wafer) A D Area del dado.

40 Aspectos económicos de los CIs Costos variables: Dependen de la producción Cálculo del yield del dado. YW Yield de la oblea (100 %) DA Defectos por unidad de Area A D Area del dado es un factor inversamente proporcional al número de máscaras. procesos actuales =0.4

41 Aspectos económicos de los CIs Costos variables: Dependen de la producción Cálculo del testing del dado. C TD Costo de testing del dado. C TH Costo del testing por hora (depende del equipo usado). T TD Tiempo promedio del test para un dado. DY Yield del dado.

42 Breve Historia de los Computadores Fuente: t Von Neumann: suas contribuições à Computação, de Tomasz Kowaltowski, revista de Estudos Avançados da USP, No 26, volume 10, janeiro/abril de 1996; t sitio: Histoire de l´Informatique (www.histoire-informatique.org).

43 ° 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. ° : máquinas calculadoras de Wilhelm Schickard (Alemanha), Blaise Pascal (França) e Gottfried Leibnitz (Alemanha). ° : control de telares por medio de cartones perforados, de Joseph Marie Jacquard (Francia) Recuento histórico breve…

44 ° : 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). ° : 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.

45 Recuento histórico breve… ° 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). ° : trabajos de Konrad Zuse (Alemania) culminando con una máquina electromecánica con control primitivo por cinta de papel; siguieron varios modelos mejorados. ° : 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).

46 Recuento histórico breve… ° : 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. ° : 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. ° : 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.

47 Recuento histórico breve… ° 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.

48 Recuento histórico breve… ° : 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.

49 Recuento histórico breve… ° : Diseño y construcción del computador del Instituto de Estudios Avanzados (IAS) de Princeton por John von Neumann y sus colaboradores. ° : 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.

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

51 Recuento histórico breve… ° 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. ° DEC lanza el PDP-8, primer mini-computador comercial

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

53 Recuento histórico breve… ° 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.

54 Recuento histórico breve… 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.

55 Recuento histórico breve… IBM Power 5

56 Generacione de Computadores en 50 años

57 Recuento histórico breve… 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


Descargar ppt "Prof. José Edinson Aedo Cobo Departamento de Ing. Electrónica Universidad de Antioquia Adaptado a partir de presentaciones del Prof. D. Pattersons Copyright."

Presentaciones similares


Anuncios Google