Ingeniería en Computación Centro Universitario UAEM Valle de México Arquitectura de Computadoras Elaborado por: Dra. Maricela Quintana López.

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1 Ingeniería en Computación Centro Universitario UAEM Valle de México Arquitectura de Computadoras Elaborado por: Dra. Maricela Quintana López

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3 Dra. Maricela Quintana López Arquitecturas Paralelas Objetivos: O Presentar al alumno el ciclo de máquina para entender donde puede mejorarse el rendimiento del cpu y cómo surgen las arquitecturas RISC y CISC. O Revisar arquitecturas secuenciales y paralelas. Unidades funcionales: captación instrucción, Decodificación de instrucción, traída de operandos, ejecución y almacenamiento de resultados. Pipeline.

4 Dra. Maricela Quintana López Ciclos de Máquina O La función de una computadora es ejecutar programas. O La ejecución de un programa consiste en ejecutar una secuencia de instrucciones de máquina. O Cada instrucción de máquina esta a su vez compuesta de un conjunto de ciclos llamados ciclos de instrucciones. O Cada uno de los ciclos de instrucciones esta compuesto de una serie de pasos conocidos como micro operaciones.

5 Programa Ciclo de instrucción Interrupción Ejecución Indirecto Captación Ciclo de instrucción Interrupción Ejecución Indirecto Captación...

6 Interrupción Ejecución Captación Indirecto Ciclo de Instrucción

7 Dra. Maricela Quintana López Captación O Ocurre al inicio de cada ciclo de máquina. O Produce que una instrucción de máquina sea traída de memoria principal. O Pasos del ciclo: (Existe un reloj para sincronizar) T1: Mover el contenido del PC al MAR. T2: Mover el contenido de la dirección de memoria apuntado por el MAR al MDR. Incrementar el contenido del PC en uno. T3: Mover el contenido del MDR al IR.

8 Dra. Maricela Quintana López O Microoperaciones del ciclo de captación: t1:MARPC t2:MDRMemoria PCPC + 1 t3:IRMDR

9 Dra. Maricela Quintana López Indirección O Obtiene los operandos indirectos de la instrucción de máquina. O Objetivo es transformar un direccionamiento indirecto en uno directo. O Microoperaciones del ciclo: Se asume un formato de instrucción de una sola dirección. t1:MARIR(dirección) t2: MDRMemoria t3:IR(dirección)MDR (dirección)

10 Dra. Maricela Quintana López Interrupción O Puede ocurrir al finalizar el ciclo de ejecución. O Se ejecuta si alguna señal de interrupción ha sido emitida. O Objetivo: O Guardar la dirección de la siguiente instrucción a ejecutarse. O Pasar el control a la rutina de interrupción. O Microoperaciones del ciclo: t1:MDRPC t2:MARDirección almacenamiento PCDirección rutina interrupción t3:MemoriaMDR

11 Dra. Maricela Quintana López Ejecución O El número de micro operaciones a ejecutarse no es fijo como en los otros. O La cantidad de micro operaciones depende de la instrucción de máquina. O Ejemplo: O ADD AX, [5] t1:MARIR(5) t2:MDRMemoria t3:AXAX + MDR

12 Dra. Maricela Quintana López Historia… O Avances en Tecnología de Circuitos Integrados O Complejidad en las instrucciones y modos de direccionamiento O Computadoras de Instrucciones Complejas O CISC Complex Instruction Set Computer IBM360

13 Dra. Maricela Quintana López Brecha … O Mejor rendimiento de las computadoras: salto entre el lenguaje de alto nivel y el lenguaje máquina. O No siempre se lograba

14 Dra. Maricela Quintana López Análisis (Donald Knuth) O La mayoría de las sentencias son asignaciones y condicionales (benchmark). InstruccionesTiempo promedio Asignaciones47 Condicionales23 Llamadas15 Lazos6 Saltos3 Otras7

15 Dra. Maricela Quintana López CISC a RISC O La mayoría de los programas: simples a nivel de las instrucciones (poco o ningún costo al aumentar la complejidad). O Los compiladores no aprovechan las instrucciones y modos de direccionamiento complejos. O Dificultad en el análisis de código O Lenguaje Alto nivel – Lenguaje ensamblador

16 Dra. Maricela Quintana López RISC O Reduce Instruction Set Computer O Resolver el caso frecuente: asignación O Hacerla veloz y simple O Concentrarse en dos comandos para comunicarse con memoria: O CARGAR: LOAD (LD) O ALMACENAR: STORE(ST)

17 Dra. Maricela Quintana López RISC O Los accesos a memoria se pueden superponer O Se requieren más registros O Conjunto de Instrucciones Simple = CPU simple y pequeña = libera espacio del CI O El espacio liberado se puede usar para… ¡registros!

18 Dra. Maricela Quintana López pocas instrucciones complejas vs muchas instrucciones simples O Ciclos largos de memoria O Precios de memoria elevados O Programas con pocas instrucciones complejas vs Programas con muchas instrucciones simples O Memorias económicas O Jerarquía de memoria

19 Dra. Maricela Quintana López Pipelining O Segmentación de instrucciones O Estructura que permite que distintas instrucciones, que comparten el mismo hardware, puedan encontrarse en distintas fase de la ejecución O Ejemplo: O Mientras una instrucción accede a cada operando en el conjunto de registros, otra puede estar usando la ALU

20 Dra. Maricela Quintana López Pipelining O Para que la segmentación funcione las instrucciones deben ser semejantes. O La búsqueda anticipada de las instrucciones hacia una cola de instrucciones en la CPU antes de que las necesite. O Juego de instrucciones diseñado para una arquitectura segmentada O Instrucciones simples

21 Dra. Maricela Quintana López Pipelining O Todas las instrucciones son de longitud fija, y su tamaño es la palabra. O Instrucciones con operaciones simples O Instrucciones complejas se deben ser convertidas por el compilador en instrucciones simples. O Operandos en registros (LD, ST) O Modos de direccionamiento simples O Muchos registros

22 Dra. Maricela Quintana López Pipelining O Instrucciones aritméticas O Búsqueda de la instrucción O Decodificación O Búsqueda de operandos, desde los registros O Transferencia de operandos a la ALU O Almacenamiento en el registro apropiado

23 Dra. Maricela Quintana López Pipelining O Instrucciones de bifurcación O Búsqueda de la instrucción O Decodificación O Búsqueda de componentes de la dirección a partir de la instrucción o en algún registro. O Transferencia de los componentes de la dirección a la unidad aritmética para realizar el cálculo de la dirección. O Copia la dirección en PC

24 Dra. Maricela Quintana López Pipelining O Instrucciones de acceso a memoria O Búsqueda de la instrucción O Decodificación O Búsqueda de componentes de la dirección a partir de la instrucción o del conjunto de registros O Transferencia de los componentes de la dirección a la unidad aritmética para realizar el cálculo de la dirección. O Uso de la dirección efectiva para leer o escribir

25 Dra. Maricela Quintana López En general Búsqueda de la instrucción Decodifica ción de la instrucción Búsqueda del operando Ejecución( operación en la alu y escritura) Segmentación de instrucciones en 4 etapas

26 Dra. Maricela Quintana López Pipeline (Referencia a memoria y Salto) ADD LD ADD LD SHL ADD LD SHL SUBJNZ LD SHL SUB JNZ LD SHL SUB NOP JNZ SUB NOP JNZ NOP

27 Dra. Maricela Quintana López Superposición de Ventanas de registros O Se pierde tiempo manejando las llamadas a procedimientos y los regresos O Transferencia de parámetros a través de la pila ubicada en la memoria principal. O Uso de múltiples conjuntos de registros que se superponen O Se utilizan para transferir los parámetros entre procedimientos, en lugar de usar la pila.

28 Dra. Maricela Quintana López Superposición de Ventanas de Registros

29 Dra. Maricela Quintana López Proc A Proc B Buffer circular CWP = 8 CWP = 24

30 Dra. Maricela Quintana López Máquinas con instrucciones múltiples O Distintas instrucciones en diferentes etapas de su ejecución O Arquitectura superescalar O IU: Integer unit O FPU: Floating Point Unit O BPU: Branch Processing Unit

31 Dra. Maricela Quintana López Máquinas superescalares O Unidad de instrucciones O Búsqueda anticipada de instrucciones O Colocarlas en una fila de instrucciones O Determinar los tipos de instrucciones y las relaciones de dependencia entre las mismas O Distribuirlas entre las distintas unidades de ejecución

32 POWER PC 601

33 Dra. Maricela Quintana López Procesamiento Paralelo O Se coordina la acción de varios procesadores que trabajan sobre un único problema

34 Taxonomía de Arquitecturas Paralelas Distribuida Memoria Compartida MIMDControlSIMD NYU RP3 HEP Cm* Cedar Alliant Cray CDC ES/9000 MaRS Manchester Dado Máquinas Funcionales Super Computadoras Máquinas Celulares y Sistólicas Illiac IV MPP Gapp Connection Machine Cosmic Cube HyperCube Intel SP1 *-Transputer Paso de Mensajes

35 Dra. Maricela Quintana López Máquinas Paralelas O Memoria O Distribuida O Compartida O Control O MIMD (Multiple Instruction Multiple Data) O SIMD (Single Instruction Multiple Data) O SISD (Single Instruction Single Data)

36 Dra. Maricela Quintana López Memoria O Compartida O Distribuida Memoria PnP1P2... P1 M1 P2 M2 Pn Mn...

37 Taxonomía de Flynn

38 Dra. Maricela Quintana López ¿Complejidad? O Tiempo O Espacio O Número de procesadores O Capacidad de la memoria local O Esquema de comunicación O Protocolos de sincronización

39 Dra. Maricela Quintana López ¿Complejidad? O Sea P un problema y n su tamaño de entrada O La complejidad secuencial de P se denota por T*(n) (el mejor algoritmo secuencial) O Sea A un algoritmo paralelo que resuelve P en un tiempo T p (n) en una computadora paralelo con p procesadores.

40 Dra. Maricela Quintana López ¿Complejidad? O La aceleración lograda con A (speedup) se define como : O La eficiencia lograda con A (efficiency) se define como:

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42 Dra. Maricela Quintana López Referencias O Stallings William. Organización y Arquitectura de computadoras. 7ª. Edición, Pearson Education, 2006. O Tanenbaum Andrew. Structured Computer Organization. 5ª. Edición, Prentice Hall, 2005.

43 Dra. Maricela Quintana López Guion Explicativo O Este Material sirve para presentar el cómo se realiza cada instrucción con el fin de ver sus componentes, las ventajas y desventajas que las arquitecturas emergentes deben subsanar o aprovechar, sobretodo las arquitecturas paralelas. O Las diapositivas deben verse en orden, y se estima que se revisen en aproximadamente 8 horas teóricas y 5 en el laboratorio. O A continuación se presenta una tabla para relacionarlas con los objetivos y contenidos del curso.

44 Dra. Maricela Quintana López Guion Explicativo