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
Unidades funcionales básicas
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.
Unidades funcionales básicas
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
Evolución del hardware
Ley de Moore
Evolución del hardware
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
Breve historia de los computadores
• 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
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!!)
Eckert y Mauchly con el ENIAC
UNIVAC
VÁLVULAS DE VACÍO
Breve historia de los computadores
• 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
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 IBMclónico
– Caída de precios
i386
PENTIUM 4
Breve historia de los computadores
• 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
Evaluación del rendimiento
• 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
Evaluación del rendimiento
• Métricas populares del rendimiento
– MFLOPS (millones de operaciones en punto flotante porsegundo)
• Problema:– Es dependiente del programa!
MFLOPS=FLOPs
TCPU
"106
Evaluación del rendimiento
Evaluación del rendimiento
Evaluación del rendimiento
• 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