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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 1.15Extensión 1215 [email protected]

Diego Andrade Canosa (Prácticas)Despacho D 0.03

Extensión 1298 [email protected]

Emilio José Padrón González (Prácticas)Despacho S 0.2Extensión 1205 [email protected]

Objetivos

El objetivo de esta asignatura es el estudio de laarquitectura, organización, función y diseño delprocesador de un computador.

Temario

1. Introducción a los computadores

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. Introducción a los procesadores segmentados

6. Segmentación avanzada

Prácticas

1. Introducción al hardware del PC2. Introducción al lenguaje ensamblador3. Codificación de las instrucciones4. Llamadas a subrutinas5. Operaciones aritméticas6. Saltos7. Manipulación de cadenas de caracteres8. Ejecución monociclo/multiciclo9. Operaciones en punto flotante10. Introducción al procesador segmentado11. Técnicas de procesamiento de saltos12. Planificación dinámica

Simula3MShttp://simula3ms.des.udc.es/

Horario

Lunes Martes Miércoles Jueves Viernes15:30 Teoría Teoría16:30 Teoría Problemas17:30 Prácticas18:3019:30 Prácticas Prácticas Prácticas

Planificación

Lunes Martes Miércoles Jueves Viernes1 2

5 6Seminario PC(grupos 1 y 2)18:30 - Aula 2.3.

7

FESTIVO

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

9

12

FESTIVO

13 14 15SeminarioSimula3MS18:30 - Aula 2.3.

16

19 20 21 22 23

26 27 28 29 30

Comienzan loslaboratorios

Bibliografía

• Patterson, D.A. y Hennessy, J.L. Estructura y diseño decomputadores: interficie circuteria/programación. Reverté. 2000.

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

• Hennesy, J.L. y Patterson, D.A. Computer Architecture, AQuantitative Approach. Morgan Kaufmann Publishers. 4Edición. 2007.

Hennesy, J.L. y Patterson, D.A. Computer Architecture, A Quantitative Approach. MorganKaufmann 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

ENTRADA /SALIDA

MEMORIACONTROL

A.L.U.

UNIDAD CENTRALDE PROCESO


La unidad central deproceso y su disipador

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

Disquetera, unidad dedisco duro.


Placa base o placa madre

Conectores buses

Ranuras para Instalar DIMM(Dual Inline Memory Module)

Zocalo de laCPU

Procesador

Organización estructural de un computador

Evolución del software

swap(int v[], int k)

{int temp; temp = v[k];

v[k] = v[k+1];

v[k+1] = temp;

}

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

00000000101000010000000000011000

00000000100011100001100000100001

10001100011000100000000000000000

10001100111100100000000000000100

1010110011110010000000000000000010101100011000100000000000000100

00000011111000000000000000001000

Binary machinelanguageprogram(for MIPS)

C compiler

Assembler

Assemblylanguageprogram(for MIPS)

High-levellanguageprogram(in C)

HARDWARE

SOFTWARE PARA LAS APLICACIONES

SOFTWAREPARA EL SISTEMA

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

24000000VLSI1995

900Circuitointegrado

1975

35Transistor1965

1Válvula devacío

1951

RELACIÓN RENDIMIENTO/UNIDAD DE COSTETECNOLOGÍAAÑO


Ley de Moore


Evolución de las memorias:

0,74 2 8 1233

100

200 200233

333

400 400

550

1400

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1971 1974 1979 1982 1985 1989 1993 1995 1997 1998 1998 1999 1999 2000

Año

Ve

loc

ida

d (

MH

z)Evolución de la familia x86

40048080

80386

80286

80486Pentium

Pentium III

Pentium 4

Breve historia de los computadores

• Antecedentes:– Ábaco (3000 A.C.)– Regla de cálculo (1630):

• basado en logaritmos– Telar Jaquard (1801)

• Primer programa almacenado (en tarjetasmetálicas)

ÁBACO

TELAR

REGLA DE CÁLCULO


• Generación cero (-1945)– Computadoras mecánicas

(relés)– Pascal: calculadora mecánica

(1642)– Babbage: máquina analítica

(1834)• Almacenaba números• Precisión de 6 dígitos• Novedosa estructura:

– Memoria– Unidad de computo– Entrada/salida

– Calculadoras automáticas(finales de los años 30)

PASCALINA

MÁQUINA DE BABBAGE

ERA MECÁNICA

RELE


• 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!!)

Eckert y Mauchly con el ENIAC

UNIVAC

VÁLVULAS DE VACÍO


• Segunda Generación (1955-1965)– Se inventa el transistor (1948):

primer paso auténtico hacia laminiaturización

– TX0, primer computadortransistorizado

– DEC lanza el PDP-1 (1961)• Comienza la industria de los

minicomputadores– IBM saca la 7090 para cálculo

científico y la 1401 paraaplicaciones comerciales

– CDC 6600, primera máquinaparalela (1964)

• 10 veces más rápida que laanterior

• Su diseñador: CRAY

TX0

IBM 1401 PDP-1


• 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


• 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 IBMclónico

– Caída de precios

i386

PENTIUM 4


• Actualmente:- Grandes sistemas de computadores

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

- Sistemas empotrados

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, operacionesE/S, etc.

• Tiempo de ejecución de CPU

• 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

!

TCPU

= NI "CPI "T =NI "CPI

F

!

CPI =CPI

iIi"

NI


• Métricas populares del rendimiento

– MIPS (millones de instrucciones por segundo)

• Problemas:– No se pueden comparar computadores con diferentes repertorios de

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

!

MIPS=NI

TCPU

"106


• Métricas populares del rendimiento

– MFLOPS (millones de operaciones en punto flotante porsegundo)

• Problema:– Es dependiente del programa!

MFLOPS=FLOPs

TCPU

"106


• Ley de Amdahl

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

!

A =Tantes

Tdespues

!

Tdespues =Tafectado

Am

+ Tno_ afectado

!

A =1

(1" Fm) +

Fm

Am

Fracción de tiempo afectado por la mejora

Factor de mejora en la parte alterada

!

Fm

!

Am

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