PDF de programación - Estructura de Computadores I

Estructura de Computadores I

Profesores

Patricia González Gómez (Coordinadora, Teoría)

Despacho D 1.13

Extensión 1363 [email protected]

Margarita Amor López (Problemas, Prácticas)

Despacho D 1.15
Extensión 1215 [email protected]

Diego Andrade Canosa (Prácticas)

Despacho D 0.03

Extensión 1298 [email protected]

Emilio José Padrón González (Prácticas)

Despacho S 0.2
Extensión 1205 [email protected]

Objetivos

El objetivo de esta asignatura es el estudio de la
arquitectura, organización, función y diseño del
procesador de un computador.

Temario

Introducción a los computadores

1.
2. El repertorio de instrucciones
3. Formatos de datos y aritmética de los computadores
4. El procesador: camino de datos y unidad de control
5.
6. Segmentación avanzada

Introducción a los procesadores segmentados

Prácticas

Introducción al hardware del PC
Introducción al lenguaje ensamblador

1.
2.
3. Codificación de las instrucciones
4. Llamadas a subrutinas
5. Operaciones aritméticas
6. Saltos
7. Manipulación de cadenas de caracteres
8. Ejecución monociclo/multiciclo
9. Operaciones en punto flotante
10. Introducción al procesador segmentado
11. Técnicas de procesamiento de saltos
12. Planificación dinámica

Simula3MS

http://simula3ms.des.udc.es/

Horario

Lunes

Martes

15:30
16:30
17:30
18:30
19:30 Prácticas

Miércoles Jueves
Teoría
Teoría
Problemas
Teoría

Viernes

Prácticas

Prácticas

Prácticas

Planificación

Lunes

Martes

Miércoles

Jueves
1

Viernes
2

5

12

6
Seminario PC
(grupos 1 y 2)
18:30 - Aula 2.3.
13

7

FESTIVO
14

Comienzan los
laboratorios

FESTIVO
19

26

20

27

21

28

8
Seminario PC
(grupos 3 y 4)
18:30 - Aula 2.3.
15
Seminario
Simula3MS
18:30 - Aula 2.3.
22

29

9

16

23

30

Bibliografía

• Patterson, D.A. y Hennessy, J.L. Estructura y diseño de

computadores: interficie circuteria/programación. Reverté. 2000.

Patterson, D.A. y Hennessy. J.L.. Computer organization and desing. Morgan Kaufmann
Publishers. 3Edición. 2005.

• Hennesy, J.L. y Patterson, D.A. Computer Architecture, A

Quantitative Approach. Morgan Kaufmann Publishers. 4Edición. 2007.

Hennesy, J.L. y Patterson, D.A. Computer Architecture, A Quantitative Approach. Morgan
Kaufmann Publishers. 3Edición. 2003.

Evaluación

• Parte de prácticas (20% nota final)

– Asistencia obligatoria al laboratorio
– Entrega de boletines a petición de los profesores de laboratorio

• Parte de teoría (80% nota final)

– Examen escrito

Tema 1.
Introducción a los computadores

Índice

•

Introducción
– Unidades funcionales básicas
– Organización estructural de un computador
– Evolución del software
– Evolución del hardware

• Perspectiva histórica
• Evaluación del rendimiento

– Medidas del rendimiento
– Programas de evaluación del rendimiento
– Ley de Amdahl

Unidades funcionales básicas

UNIDAD CENTRAL

DE PROCESO

CONTROL

A.L.U.

MEMORIA

ENTRADA /

SALIDA

Unidades funcionales básicas

La unidad central de
proceso y su disipador

Disquetera, unidad de
disco duro.

La memoria RAM de
los computadores PC-compatibles.
Conectores de los buses ISA, PCI y AGP

Unidades funcionales básicas

Conectores buses

Zocalo de la
CPU

Ranuras para
Instalar DIMM
(Dual Inline
Memory
Module)

Placa base
o placa madre

Procesador

Organización estructural de un computador

Evolución del software

HARDWARE

SOFTWARE
PARA EL SISTEMA

SOFTWARE
PARA LAS APLICACIONES

High-level
language
program
(in C)

Assembly
language
program
(for MIPS)

swap(int v[], int k)
{int temp;
temp = v[k];
v[k] = v[k+1];
v[k+1] = temp;
}

C compiler

swap:
muli $2, $5,4
add $2, $4,$2
lw $15, 0($2)
lw $16, 4($2)
sw $16, 0($2)
sw $15, 4($2)
jr $31

Assembler

Binary machine
language
program
(for MIPS)

00000000101000010000000000011000
00000000100011100001100000100001
10001100011000100000000000000000
10001100111100100000000000000100
10101100111100100000000000000000
10101100011000100000000000000100
00000011111000000000000000001000

Evolución del hardware

• La evolución de los computadores se ha caracterizado por:

– Aumento de la velocidad del procesador
– Disminución del tamaño de los componentes
– Aumento del tamaño de memoria
– Aumento de la capacidad de E/S y de su velocidad

RENDIMIENTO

COSTE

AÑO

1951

1965

1975

1995

TECNOLOGÍA

RELACIÓN RENDIMIENTO/UNIDAD DE COSTE

Válvula de
vacío
Transistor

Circuito
integrado
VLSI

1

35

900

24000000

Evolución del hardware

Ley de Moore

Evolución del hardware

Evolución de las memorias:

Evolución de la familia x86

Pentium 4

1400

Pentium III

80486Pentium

80386

80286

8080

4004

0,74

2

8

12

100

33

200

200

233

550

400

400

333

1971

1974

1979

1982

1985

1989

1993 1995

1997

1998

1998

1999

1999

2000

Año

1600

1400

1200

1000

800

600

400

200

0

)
z
H
M

(


i

d
a
d
c
o
e
V

l

Breve historia de los computadores

•

Antecedentes:
– Ábaco (3000 A.C.)
– Regla de cálculo (1630):
basado en logaritmos

•

– Telar Jaquard (1801)

• Primer programa almacenado (en tarjetas

metálicas)

ÁBACO

TELAR

REGLA DE CÁLCULO

Breve historia de los computadores

– Pascal: calculadora mecánica

– Babbage: máquina analítica

(relés)

(1642)

(1834)

• Generación cero (-1945)

– Computadoras mecánicas

• Almacenaba números
• Precisión de 6 dígitos
• Novedosa estructura:

– Memoria
– Unidad de computo
– Entrada/salida

– Calculadoras automáticas

(finales de los años 30)

RELE

ERA MECÁNICA

PASCALINA

MÁQUINA DE BABBAGE

Breve historia de los computadores

• Primera Generación (1945-1955)

– Los computadores usaban válvulas

de vacío

– ENIAC, primer ordenador

electrónico digital

• 30 toneladas, 140 Kw
• 6000 interruptores

– Sucesores:

• EDVAC (1945): programa
almacenado en memoria
IAS Machine (1946): máquina
de von Neumann

•

• UNIVAC (1951): primer

ordenador digital comercial
(¡¡48 unidades!!)

VÁLVULAS DE VACÍO

Eckert y Mauchly con el ENIAC

UNIVAC

Breve historia de los computadores

• Segunda Generación (1955-1965)

– Se inventa el transistor (1948):
primer paso auténtico hacia la
miniaturización

– TX0, primer computador

transistorizado

– DEC lanza el PDP-1 (1961)

• Comienza la industria de los

minicomputadores

– IBM saca la 7090 para cálculo

científico y la 1401 para
aplicaciones comerciales

– CDC 6600, primera máquina

paralela (1964)

• 10 veces más rápida que la

anterior

• Su diseñador: CRAY

TX0

IBM 1401

PDP-1

Breve historia de los computadores

• Tercera Generación (1960-1980)
– Se inventa el circuito integrado de

silicio

– Computadores más pequeños, más

rápidos y más baratos

– IBM S/360 (1964)
– DEC distribuye el PDP-8 por las

universidades

• Primer miniordenador comercial de

éxito inmediato
– Intel 4004 (1971)

• 2300 transistores
• 4bits

PRIMER CIRCUITO INTEGRADO

IBM S/360

Intel 4004

Breve historia de los computadores

• Cuarta Generación (1980 - )

– VLSI: Decenas y centenas de

millones de transistores en un chip

– Nace el microprocesador
• Unidad de control + ALU

– IBM PC

• Componentes estándares
• Arquitectura abierta
• Documentado
• Sin patentes
• Sistema operativo independiente

– En 1983 Compaq saca el primer IBM

clónico

– Caída de precios

PENTIUM 4

i386

Breve historia de los computadores

• Actualmente:

- Sistemas empotrados

- Grandes sistemas de computadores

- Múltiples procesadores
(Supercomputadores)
- Múltiples computadores (clusters,
grids).

La crisis del hardware

Procesadores multicore

GPU (Graphic Processing Unit)

Evaluación del rendimiento

Medidas del rendimiento

• Tiempo de reloj: incluye accesos a disco, a memoria, operaciones

E/S, etc.

• Tiempo de ejecución de CPU

TCPU = NI " CPI " T =

NI " CPI

F

CPI =

"

CPIiIi

NI

!

• Se puede aumentar el rendimiento:
– Aumentando la frecuencia de reloj
!
– Disminuyendo el número de ciclos por instrucción
– Disminuyendo el número de instrucciones para ejecutar un programa

Evaluación del rendimiento

• Métricas populares del rendimiento

– MIPS (millones de instrucciones por segundo)

MIPS=

NI

TCPU " 10

6

• Problemas:

– No se pueden comparar computadores con diferentes repertorios de

!

instrucciones

– Varía entre programas en el mismo computador
– Puede variar inversamente al rendimiento

Evaluación del rendimiento

• Métricas populares del rendimiento

– MFLOPS (millones de operaciones en punto flotante por

segundo)

MFLOPS=

FLOPs

TCPU " 10

6

• Problema:
!

– Es dependiente del programa

Evaluación del rendimiento

Evaluación del rendimiento

Evaluación del rendimiento

• Ley de Amdahl

La mejora obtenida en el rendimiento al utilizar algún modo de
ejecución rápido está limitada por la fracción de tiempo que se
puede utilizar ese modo más rápido

A =

Tantes
Tdespues

Tdespues =

Tafectado

Am

+ Tno _ afectado

!

!

A =

1
!

(1" Fm ) +

Fm

Am

Fm

Am

Fracción de tiempo afectado por la mejora

Factor de mejora en la parte alterada

!

!