PDF de programación - Tema 1 - Introducción. Conceptos fundamentales - Arquitectura de Computadores

Arquitectura de Computadores
Arquitectura de Computadores

Tema 1

I ntroducción. Conceptos fundamentales

Departamento de Arquitectura de Computadores y Automática

Unversidad Complutense de Madrid (Spain)
Unversidad Complutense de Madrid (Spain)

José I gnacio Hidalgo

[email protected]

José I gnacio Hidalgo. DACYA. UCM, AC,
José I gnacio Hidalgo. DACYA. UCM, AC, 2009

2009--2010
2010

11

Í ndice
Í ndice

1.

I ntroducción. La asignatura

2. Perspectiva Histórica

3. Rendimiento, Coste y Potencia

4. Ley de Moore, Tendencias

5. Benchmarks

6. Ley de Ahmdal

7. Consumo

22

1. I ntroducción. La asignatura.
1. I ntroducción. La asignatura.

Aplicación

Lenguaje de alto nivel
Lenguaje de alto nivel

Sistema Operativo /

Compilador

Arquitectura del repertorio

de instrucciones

Organización
Organización

Hardware del sistema

Circuito Digital

Físico

Ofimática (MS-Office, Contaplus, D-Base)
Comunicaciones (Netscape, Explorer, Mail)
Di ñ (A t CAD ) M lti
Diseño (AutoCAD, ...), Multimedia, Juegos, etc.

di

J

t

FOR, WHILE, REPEAT, PROCEDURE, ...
PASCAL, FORTRAN, C, COBOL, BASIC, ...
MODULA C++ JAVA
MODULA, C++, JAVA, ...

Gestión de memoria
Gestión de procesos
Gestión de ficheros

Compilación
Enlazado
Ubicación

Registros

Loop move #$10, R0

Registro Estado

Contador Programa
Contador Programa

load R1(dir1), R2
add R2, R0
sub #1, R1
#1 R1
beq Loop

b

R0



R7

CPU
CPU

Mem
Mem.

Bus

E/S

33

Niveles de descripción de un computador
Niveles de descripción de un computador

Aplicación

Lenguaje de alto nivel

Sistema Operativo /

Compilador

Arquitectura del repertorio

de instrucciones

Organización

Hardware del sistema

¿Dónde se estudia?
¿Dónde se estudia?

Casa, auto-aprendizaje en ratos libres,

Academias de informática/ofimática

Fundamentos de Programación

Programación, EDI

Sistemas Operativos (NO compiladores)
Sistemas Operativos (NO compiladores)

ESTRUCTURA DE COMPUTADORES,

Arquitectura de Computadores

Circuito Digital
Circuito Digital

Circuitos Digitales, Tecnología, F. Computadores
Circuitos Digitales Tecnología F Computadores

Físico

Instrumentación,

Diseño y Test de Circuitos Integrados

44

Arquitectura de computadores
Arquitectura de computadores

• Los atributos de un computador tal y como los ve un

programador en lenguaje ensamblador
programador en lenguaje ensamblador.

• La estructura conceptual y el modelo funcional (modelo de

programación).
Amdahl, Blaaw, Brooks 1964
programación). Amdahl, Blaaw, Brooks 1964

• El concepto ha cambiado en el tiempo.

– Hasta la mitad de los 80. El énfasis era el diseño de juego de

instrucciones orientado a los LAN.

– Desde entonces el énfasis es el diseño de CPU, Jerarquía de memoria,

sistema de I / O. Aspectos clave coste-rendimiento-tecnología-potencia

• Tres aspectos

– Arquitectura del juego de instrucciones

– Organización ( diferentes organizaciones P6, Netbrust, AMD)
t AMD)

P6 N tb

ió ( dif

i

i

O

i

t

– I mplementación ( PentiumI I I , Celeron, Pentium4, Pentium Xeon )

55

Evolución de los juegos de instrucciones
Evolución de los juegos de instrucciones

Acumulador (EDSAC 1950)

Acumulador + Registros índices

(Manchester Mark I, IBM 700 series 1953)

Separación del modelo de programación
Separación del modelo de programación

de la implementación

O i
LAN
Orientadas a los LAN

t d

l
(B5000 1963)

C
ili
Concepto de Familia

t d F
(IBM 360 1964)

Arquitecturas con Reg de propósito general
Arquitecturas con Reg de propósito general

Arquitecturas CISC

(Vax, Intel 432, x86 1977-80)

Arquitecturas Load/Store
(CDC 6600, Cray 1 1963-76)
)
(

y

,

RISC

(Mips,Sparc,HP-PA,IBM RS6000, . . .1987)

66

Metodología de Diseño
Metodología de Diseño

Complejidad de la
Implementación

E l
E l
Evaluar Sistemas
Evaluar Sistemas

Si t
Si t

existentes
existentes

Benchmarks

Tendencias

Implementar Nuevo
Implementar Nuevo
Implementar Nuevo
Implementar Nuevo

Sistema
Sistema

Simular Nuevos
Simular Nuevos

Diseños
Diseños

Carga de Trabajo

77

La asignatura
La asignatura

Entrada/salida y almacenamiento

Discos, WORM, Cintas

RAID

DRAM- Memoria Central

Jerarquía
de Memoria

L2 Cache

Organización de
Organización de
memoria
Protocolos de Bus

Coherencia,
Ancho de banda,
Latencia

VLSI

L1 Cache

Segmentación y ILP

Arquitectura del Procesador

DSP
DSP

Segmentación, Riesgos,
Superescalar, Ejecución fuera de orden,
Predicción Especulación
Predicción, Especulación,

88

La asignatura
La asignatura

Que estudia la asignatura

MPMP

° ° °

MPMP

i C

M
Memoria Compartida,
id
Paso de Mensajes,
Paralelismo de Datos
Paralelismo de Datos

S

Red de interconexión

Red

Switch Procesador Memoria

Multiprocesadores
Redes de Interconexión

Topología,
Routing
Routing,
Ancho de Banda,
Latencia,

99

Í ndice
Í ndice

1.

I ntroducción. La asignatura

2. Perspectiva Histórica

3. Rendimiento, Coste y Potencia

4. Ley de Moore, Tendencias

5. Benchmarks

6. Ley de Ahmdal

7. Consumo

1010

2. Perspectiva histórica
2. Perspectiva histórica

Generaciones de computadores
Generaciones de computadores

Generación
Generación

Fechas
Fechas

Características Tecnológ
Potencia de cálculo
Características Tecnológ. Potencia de cálculo

Primera

1946-1957 Válvula de vacío

Segunda

1958-1964

Transistores

Tercera

Cuarta

1965-1971 Circuitos integrados

1972-1988 Microprocesador

Quinta
1ª Generación (1946--1957)
1ª Generación (1946
1957)

1988-

Sistema basados en micro

0,04 MIPS

0,2 MIPS

1 MIPS

10 MIPS

> 100 MIPS

•

ENI AC (1946)

p

p

p p

– Primer computador de propósito especial
– Peso: 30 toneladas; Superficie: 1.400 m2; Consumo: 140 KW
– Potencia cálculo: 5000 sumas/ seg
– Difícil de programar. Mediante conmutadores y cables

•
•

Primeros computadores comerciales (Años 50)
Primeros computadores comerciales (Años 50)

– UNI VAC I y I I (Eckert & Mauchly)
–
– Programación en lenguaje máquina

I BM Serie 700

1111

Máquina de Pascal
Máquina de Pascal

1212

Máquina de Leibnitz
Máquina de Leibnitz

1313

Charles Babbage
Charles Babbage

1414

Ramón Verea
Ramón Verea

1515

Leonardo Torres Quevedo
Leonardo Torres Quevedo

1616

Colossus
Colossus

Primera computadora totalmente electrónica

1717

Primeras válvulas de vacío
Primeras válvulas de vacío

•

I BM RAMAC

1818

Perspectiva histórica
Perspectiva histórica

2ª Generación (1958 -- 1964)
2ª Generación (1958
1964)

• El transistor

El t

i t

– I nventado por los laboratorios Bell en 1947

– Más pequeños, baratos y menor consumo que las válvulas de vacío

p q

q

,

y

– Computadores de menor coste y tamaño, más fiables mayores prestaciones

• Principales computadores comerciales

– DEC PDP-1
DEC PDP 1

– I BM Serie 7000

– UNI VAC 1100

• Otras innovaciones

– Programación en lenguajes de alto nivel (Fortran, Cobol, ...)

– Canales de E/ S
Canales de E/ S

– Memoria virtual

– I nterrupciones para la E/ S

1919

Transistor
Transistor

••

I BM 7030
I BM 7030

2020

Perspectiva histórica
Perspectiva histórica

3ª Generación (1965 -- 1971)
3ª Generación (1965
1971)

•

El circuito integrado (CI )

–

I ntegración de múltiples componentes (transistores, resistencias, condensadores, .. )

en un mismo CI de silicio

– Reduce enormemente el tiempo de fabricación, el tamaño y el coste del computador

– Aumenta aún más la fiabilidad y las prestaciones

•

Principales computadores comerciales

– DEC PDP-8
DEC PDP 8

–

I BM Series 360 y 370

– UNI VAC 1108

– CDC series 6600, 7800 y Cyber
CDC series 6600, 7800 y Cyber

• Otras innovaciones

– Microprogramación

–

I nterrupciones con prioridades

– Memoria cache

– Controladores DMA

– Nuevos lenguajes de programación (Basic, APL, Pascal)

– Sistemas operativos robustos (MVS de I BM, VMS de DEC)
(MVS d I BM VMS d DEC)

b t

Si t

ti

2121

I BM 360
I BM 360

2222

Perspectiva histórica
Perspectiva histórica

4ª Generación (1972 -- 1988)
4ª Generación (1972
1988)

•

•

•
•

•

•

•

El
El microprocesador

d

i

– Aumento constante en escala de integración (LSI , VLSI ): se duplica cada año
–

La escala LSI permite integrar todos los componentes de un procesador en un mismo chip

• Nace el MI CROPROCESADOR

– Primer microprocesador: intel 4004 (procesador de 4 bits, 1971)

Aparece el computador personal (I BM/ PC)

– Microsoft desarrolla el primer sistema operativo para PC: MS-DOS

Principales procesadores de esta generación
Principales procesadores de esta generación

– De 8 bits: intel 8008, 8080; Motorola 6502, 6800
– De 16 bits (año 78): intel 8086, 80286; Motorola 68000, 68010
– De 32 bits (años 85): intel 80386; Motorola 68020, 68030
Surge el procesador con conjunto reducido de instrucciones (RI SC)
– MI PS R2000 (32 bits, año 1986)

Supercomputadores vectoriales y paralelos

– Basados en tecnología ECL
Basados en tecnología ECL
– Muy caros de fabricar y mantener
– Cray, NEC, Hitachi, Fujitsu
p
p

Aparecen las redes de computadores

i4004

2323

I ntel 4004
I ntel 4004

P ocesado de 4 bits
Procesador de 4 bits

2300 Transistores

8 micras

2424

I ntel 8008
I ntel 8008

•

I ntel 8008

– Procesador de 8 bits

d 8 bit

P

d

– 3500 Transistores

– 16 K bytes de memoria

– O,5 MHz

2525

4ª Generación
4ª Generación

•• MI TS Altair 8800
MI TS Altair 8800

•• Apple I I ( MC6502)
Apple I I ( MC6502)

2626

CRAY 1
CRAY 1

2727

Perspectiva histórica
Perspectiva histórica

5ª Generación (1988
5ª Generación (1988 -- ...)...)

•
•

Sistemas basados en microprocesador
Sistemas basados en microprocesador

– Continúa crecimiento en la escala de integración:

– Más de 15 millones de transistores por chip

– Se abaratan los precios de los microprocesadores y aumentan sus prestaciones

– Aparece el procesador superescalar, capaz de lanzar varias instrucciones por ciclo de reloj

–

La increíble relación coste-prestaciones del microprocesador hace de éste el elemento básico de:

– Computadores personales

– PC (i486, Pe