del Diseño de Computadoras Capítulo 1 Fundamentos del Diseño de Computadoras

INTRODUCCIÓN A partir de 1950 despega el crecimiento de la industria de las computadoras. Ahora con unos cuantos miles de dolares se puede adquirir una máquina que en los 50 costaba alrededor del millón de dólares.

INTRODUCCIÓN Las mejoras de la tecnología y las mejoras en los diseños de la arquitectura de Computadoras es lo que ha marcado la diferencia. Al principio el crecimiento de eta área se debió a ambas fuerzas.

INTRODUCCIÓN Luego, las mejoras en la tecnología, sobretodo de los circuitos integrados es lo que marca la pauta a los diseñadores de computadoras.

INTRODUCCIÓN En todas las líneas de computadoras, -supercomputadoras, grandes computadoras, minicomputadoras y microcomputadoras -, la velocidad de crecimientos de las grandes computadoras es la que más se debe a la tecnología.

INTRODUCCIÓN La mayoría de mejoras de organización y arquitectura se implementaron primero en estas máquinas (o también llamados mainframes).

INTRODUCCIÓN Las supercomputadoras a crecido gracias a ambas fuerzas.

INTRODUCCIÓN Los avances de los minicomputadores ha incluido formas innovadoras de implementar arquitecturas, así como la adopción de las técnicas de las grandes computadoras.

INTRODUCCIÓN Las microcomputadoras deben su crecimiento vertiginoso a que se basaron en la tecnología de los circuitos integrados.

INTRODUCCIÓN Las microcomputadoras deben su crecimiento vertiginoso a que se basaron en la tecnología de los circuitos integrados.

INTRODUCCIÓN Dos cambios significativos en el mercado de computadoras han hecho más fácil el éxito comercial de las nuevas arquitecturas: Eliminación virtual de la programación en lenguaje ensamblador.

INTRODUCCIÓN La creación de sistemas operativos estandarizados, lo que ha reducido el costo y riesgo de lanzar al mercado una nueva tecnología.

INTRODUCCIÓN Comenzando en 1985, la industria de las computadoras vió un nuevo estilo de arquitectura aprovechando esta oportunidad e iniciando un periodo en el cual el rendimiento ha aumentado a una velocidad mucho más rápida.

INTRODUCCIÓN Al aunar los avances de la tecnología de circuitos integrados, las mejoras en la tecnología de compiladores y las nuevas ideas arquitectónicas , los disseñadores pudieron crear una serie de máquinas que mejoraban en el rendimiento en un factor de casi 2, cada año.

DEFINICIONES DE RENDIMIENTO Cuando se dice que un computador en más rápido que otro, que se quiere decir. Cuando se ejecuta un programa en menos tiempo. Cuando completa más tareas en un intervalo de tiempo

DEFINICIONES DE RENDIMIENTO Cuando se reduce el tiempo de respuesta (tiempo transcurrido entre el comienzo y fin de un evento), también llamado tiempo de ejecución o de latencia.

DEFINICIONES DE RENDIMIENTO Todas son válidas, y están relacionadas a la productividad y al rendimiento como tal.

DEFINICIONES DE RENDIMIENTO ¿La siguientes mejoras en rendimiento incrementan la productividad, hacen disminuir el tiempo de respuesta, o ambas cosas?

DEFINICIONES DE RENDIMIENTO Ciclo de reloj más rápido. Múltiples procesadores para tareas separadas. Procesamiento paralelo de problemas científicos.

DEFINICIONES DE RENDIMIENTO La disminución del tiempo de respuesta, habitualmente, mejora la productividad. Por consiguiente, 1 y 3 mejoran el tiempo de respuesta y la productividad. En dos, ninguna tarea funciona más rápida, por tanto solo incrementa la productividad.

DEFINICIONES DE RENDIMIENTO Cuando se comparan alternativas de diseño, con frecuencia, queremos relacionar el rendimiento de dos máquinas diferentes, por ejemplo X y Y.

DEFINICIONES DE RENDIMIENTO Si decimos de X es más rápida que Y, se interpreta que el tiempo de ejecución de X es menor comparado con el tiempo de ejecución de Y.

DEFINICIONES DE RENDIMIENTO En particular si decimos X es n por 100 más rápido que Y, significa que:

DEFINICIONES DE RENDIMIENTO Y como el tiempo de ejecución es recíproco al rendimiento:

RENDIMIENTO Por ejemplo, si la máquina A ejecuta un programa en diez segundos y la máquina B ejecuta el mismo programa en quince segundos, ¿cuál de las siguientes sentencias es verdadera? A es el 50 por 100 más rápida que B A es el 33 por 100 más rápida que B

RENDIMIENTO El rendimiento y el tiempo de ejecución son recíprocos, incrementar el rendimiento hace decrecer el tiempo de ejecución. Productividad se maneja igual que el tiempo de latencia???

Principio cuantitativos del diseño de computadoras Acelerar el caso común El principio más importante en el diseño de computadoras es el acelerar el caso común: al realizar un diseño favorecer al caso más frecuente sobre el infrecuente.

Principio cuantitativos del diseño de computadoras Este principio también se aplica cuando se determina como emplear recursos, ya que el impacto de hacer alguna ocurrencia más rápida es mucho mayor si la ocurrencia es frecuente.

Principio cuantitativos del diseño de computadoras Ley de Amdahl La Ley de Amdahl establece que la mejora obtenida en el rendimiento al utilizar algún modo de ejecución más rápido está limitada por la fracción de tiempo que se pueda utilizar ese modo más rápido.

Principio cuantitativos del diseño de computadoras La Ley de Amdahl define la ganancia de rendimiento o aceleración que puede lograrse al utilizar una característica particular.

Principio cuantitativos del diseño de computadoras

Principio cuantitativos del diseño de computadoras

Principio cuantitativos del diseño de computadoras Por ejemplo, suponer que estamos considerando una mejora que corra diez veces más rápida que la máquina original, pero solo es utilizable el 40 por 100 del tiempo. ¿Cuál es la aceleración global lograda al incorporar la mejora?

Principio cuantitativos del diseño de computadoras Fracción Mejorada = 0.40 Aceleración Mejorada = 10

Principio cuantitativos del diseño de computadoras Ejercicios en Clases

Localidad de referencia La propiedad más importante proveniente de los programas es la localidad de referencia: los programas tiendes a reutilizar los datos e instrucciones que han utilizado recientemente.

Localidad de referencia Una regla empírica es que un programa emplea el 90 por 100 de su tiempo de ejecución en solo el 10 por 100 del código. Una implicación de la localidad es que, basándose en el pasado reciente del programa, se puede predecir con una precisión razonable qué instrucciones y datos utilizará un programa en el futuro próximo.

Localidad de referencia La localidad temporal especifica que los elementos accedidos recientemente, probablemente serán accedidos en eun futuro próximo.

Localidad de referencia La localidad espacial establece que los elementos cuyas direcciones son próximas tienden a ser referenciados juntos en el tiempo.

Localidad de referencia La localidad espacial establece que los elementos cuyas direcciones son próximas tienden a ser referenciados juntos en el tiempo.

FUNCIONES DEL DISEÑO DE COMPUTADORAS Un arquitecto de computadoras diseña máquinas para ejecutar programas. La tarea de diseñar incluyen: Diseño del repertorio de instrucciones. La organización funcional. El diseño lógico. La implementación.

FUNCIONES DEL DISEÑO DE COMPUTADORAS La implementación puede incluir: Diseño de circuitos integrados. Encapsulamiento. Potencia. Disipación térmica.

FUNCIONES DEL DISEÑO DE COMPUTADORAS La implementación de una máquina tiene dos componentes: organización y hardware. Organización: sistema de memoria, estructura del bus y diseño interno de la CPU.

FUNCIONES DEL DISEÑO DE COMPUTADORAS Hardware: diseño lógico y tecnología de encapsulamiento en la máquina.

FUNCIONES DEL DISEÑO DE COMPUTADORAS Requerimientos funcionales Conceptos que van ligados con los conceptos de rendimiento y precios. Los requerimientos funcionales pueden ser características específicas inspiradas en el mercado.

FUNCIONES DEL DISEÑO DE COMPUTADORAS El software de aplicaciones conduce, con frecuencia, a la elección de ciertos requerimientos funcionales, al determinar como se utilizará la máquina.

FUNCIONES DEL DISEÑO DE COMPUTADORAS Requerimientos funcionales Características típicas requeridas o soportadas Área de Aplicación Propósito especial Propósito general Científica Comercial Objetivo del computador Rendimiento más alto para aplicaciones específicas. Rendimiento equilibrado para un rango de tareas. Punto flotante de alto rendimiento. Soporte para lenguaje de programación, base de datos y otros.

FUNCIONES DEL DISEÑO DE COMPUTADORAS Requerimientos funcionales Características típicas requeridas o soportadas Nivel de compatibilidad Software En lenguaje de programación. Código objeto o binario compatible. Determina la cantidad de Software existente Nuevos compiladores. La arquitectura está completamente definida.

FUNCIONES DEL DISEÑO DE COMPUTADORAS Requerimientos funcionales Características típicas requeridas o soportadas Requerimientos del sistema operativo. Tamaño del espacio de direcciones. Gestión de memoria. Protección. Cambio de contexto. Interrupciones y traps. Características necesarias para soportar el SO escogido. Características muy importante. Requerida por SO modernos, puede ser plana, paginada, segmentada. Diferentes SO y necesidades de aplicación: protección de páginas frente a protección de segmentos. Requerido para interrumpir y recomenzar un programa; el rendimiento varía. Tipo de soporte impactan sobre el diseño de HW y SO.

FUNCIONES DEL DISEÑO DE COMPUTADORAS Requerimientos funcionales Características típicas requeridas o soportadas Estándares Punto flotante. Bus de E/S. Sistemas operativos. Redes. Lenguajes de Programación. Ciertos estándares pueden ser requeridos por el mercado. Formato y aritmética: IEEE, DEC, IBM. Para dispositivos de E/S: VME, SCSI UNIX, DOS o patente del vendedor. Soporte requerido para distintas redes: Ethernet, FDDI. Lenguajes afectan al reportorio de instruciones.

Este axioma se cumple sobretodo en la memoria. JERAQUÍA DE MEMORIA Axioma básico de hardware: “Mientras más pequeño más rápido” Este axioma se cumple sobretodo en la memoria.

JERAQUÍA DE MEMORIA En las máquinas de alta velocidad la propagación de la señal es causa importante de retardo; las memorias más grandes tienen más retardo de señal, por ende necesitan más niveles para decodificar las direcciones.

JERAQUÍA DE MEMORIA Porque el diseñador puede usar más potencia por por celda de memoria.

JERAQUÍA DE MEMORIA Incrementar el ancho de banda de la memoria y decrementar la latencia de acceso a memoria son cruciales para el rendimiento del sistema.

JERAQUÍA DE MEMORIA Esto se logra juntando varios conceptos vistos: Mientras más pequeño más rápido. El principio de localidad de referencia.

JERAQUÍA DE MEMORIA Por ello se tratará de encontrar elementos recientemente accedidos em la memoria más rápida.

Niveles de Jerarquía típica de memoria Referencia memoria de disco JERAQUÍA DE MEMORIA Niveles de Jerarquía típica de memoria caché Bus de memoria CPU Bus de E/S Memoria Registros Dispositivo E/S Referencia registro Referencia memoria Referencia caché Referencia memoria de disco