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Arquitectura de Computadores Dr. Yván Jesús Túpac Valdivia [email protected] http://www.ucsp.edu.pe/~ytupac Programa Profesional de Ciencia de la Computación Enero 2014 Taller de Ciencia de la Computación TÚPAC, Y. (CS/UCSP) Arquitectura de Computadores Enero 2014, Pág 1/16 Arquitectura de Computadores Introducción Arquitectura de Computadores Definición Arquitectura de Computadores es el arte y ciencia de seleccionar e interconectar componentes de hardware para crear computadoras que satisfagan objetivos funcionales, de rendimiento y de costo.a a Arquitectura de computadores no se refiere a usar computadora para el diseño de edificaciones (CAD). Client’s requirements: function, cost, . . . Client’s taste: mood, style, . . . Goals Interface Architect Means Construction tec hnology: material, codes, . . . Engineering Arts The world of arts: aesthetics, trends, . . . Interface Taller de Ciencia de la Computación TÚPAC, Y. (CS/UCSP) Arquitectura de Computadores Enero 2014, Pág 2/16 Arquitectura de Computadores Sistemas de Computación Sistemas de Computación Sistemas Personales/trabajo Taller de Ciencia de la Computación TÚPAC, Y. (CS/UCSP) Arquitectura de Computadores Enero 2014, Pág 3/16 Arquitectura de Computadores Sistemas de Computación Sistemas de Computación Sistemas Móviles Taller de Ciencia de la Computación TÚPAC, Y. (CS/UCSP) Arquitectura de Computadores Enero 2014, Pág 4/16 Arquitectura de Computadores Sistemas de Computación Sistemas de Computación Sistemas incorporados (Empotrados, embebidos) Taller de Ciencia de la Computación TÚPAC, Y. (CS/UCSP) Arquitectura de Computadores Enero 2014, Pág 5/16 Arquitectura de Computadores Sistemas de Computación Sistemas de Computación Partes de un sistema de computación Memory Control Processor Input Link Datapath CPU Taller de Ciencia de la Computación TÚPAC, Y. (CS/UCSP) Input/Output Output To/from network I/O Arquitectura de Computadores Enero 2014, Pág 6/16 Arquitectura de Computadores Sistemas de Computación Sistemas de Computación Ley de Moore TIPS Tb ×1.6 / yr ×2 / 18 mos ×10 / 5 yrs Memory GIPS 80486 R10000 Pentium II Pentium 256Mb 68040 64Mb Gb 1Gb 16Mb 80386 68000 MIPS 80286 4Mb Mb 1Mb Memory chip capacity Processor performance Processor ×4 / 3 yrs 256kb 64kb kIPS 1980 1990 2000 kb 2010 Calendar year Taller de Ciencia de la Computación TÚPAC, Y. (CS/UCSP) Arquitectura de Computadores Enero 2014, Pág 7/16 Instrucciones y ejecución Microprocesador Microprocesadores conocidos en el mercado Taller de Ciencia de la Computación TÚPAC, Y. (CS/UCSP) Arquitectura de Computadores Enero 2014, Pág 8/16 Instrucciones y ejecución Microprocesador Diagrama de un microprocesador típico Reloj (GHz) Unidad de Control Unidad A/L Ejecución (Paso 3) Decodificación (Paso 2) Microprocesador Memoria Cache L3 (12ns) Memoria Cache L1 (1ns) Store (Paso 4) Fetch (Paso 1) Registros del microprocesador Unidad Central de Proceso (CPU) Taller de Ciencia de la Computación TÚPAC, Y. (CS/UCSP) Memoria Cache L2 (6ns) Arquitectura de Computadores Enero 2014, Pág 9/16 Instrucciones y ejecución Instrucciones y ejecución Instrucción de alto nivel y equivalente en MIPS a = b + c Lı́nea de código de alto nivel add $t8, $s2, $s1 Instrucción en ensamblador Instrucción en lenguaje máquina PC Caché de instrucciones 000000 10010 10001 11000 00000 100000 Instrucción de ALU Registro $18 Registros Registro $17 Registro $24 Caché de datos (inactivo) $17 $18 No Código de usado adición Registros ALU $24 Extracción de instrucción Taller de Ciencia de la Computación TÚPAC, Y. (CS/UCSP) Lectura de registros Operación Lect/Almac de datos Escritura en registro Arquitectura de Computadores Enero 2014, Pág 10/16 Instrucciones y ejecución Instrucciones y ejecución Instrucciones aritméticas Ejemplo: sea la sentencia g = (b + c) - (e + f), que en MIPS podría escribirse como: add add sub $t8 , $s2 , $s3 $t9 , $s5 , $s6 $s7 , $t8 , $t9 # poner la suma b + c en $t8 # poner la suma e + f wn $t9 # hacer g = ( $t8 ) -( $t9 ) Una instrucción máquina usualmente contiene - Un código de operación - Uno o más operandos - Un posible destino Taller de Ciencia de la Computación TÚPAC, Y. (CS/UCSP) Arquitectura de Computadores Enero 2014, Pág 11/16 Instrucciones y ejecución Instrucciones y ejecución Ejecución de Instrucciones – Secuencial Memoria RAM (40 ns) 0 00 000 00 Microprocesador (0.3 ns) Caché de instrucciones Reservado Programa PC 0 04 000 00 Registros Caché de datos $17 $18 Registros ALU $24 1 00 000 00 1 00 080 00 1 00 0f f f f Datos estáticos Extracción de instrucción Lectura de registros Operación Lect/Almac de datos Escritura en registro Datos dinámicos Pila 7f f f f f f c Taller de Ciencia de la Computación TÚPAC, Y. (CS/UCSP) Arquitectura de Computadores Enero 2014, Pág 12/16 Instrucciones y ejecución Instrucciones y ejecución Ejecución de Instrucciones – Pipeline Memoria RAM (40 ns) 0 00 000 00 Reservado Microprocesador en pipelining (0.3 ns) Instr cache Reg file ALU Instr cache Reg file ALU Instr cache Reg file ALU Data cache Reg file Instr cache Reg file ALU Data cache Instr cache Reg file Data cache Reg file 0 04 000 00 Programa 1 00 000 00 1 00 080 00 1 00 0f f f f Datos estáticos Datos dinámicos ... ... Data cache Reg file ALU Reg file Data cache Reg file Pila 7f f f f f f c Taller de Ciencia de la Computación TÚPAC, Y. (CS/UCSP) Arquitectura de Computadores Enero 2014, Pág 13/16 Instrucciones y ejecución Instrucciones y ejecución Ejecución de Instrucciones – Multicore Memoria RAM (40 ns) Microprocesador en multicore (0.3 ns) Instr cache 0 00 000 00 Reservado Reg file ALU Instr cache Reg file Instr cache Programa 1 00 080 00 1 00 0f f f f Datos estáticos Datos dinámicos ALU ... ... 0 04 000 00 1 00 000 00 Data cache Instr cache Reg file ALU Instr cache Reg file Data cache Instr cache Reg file Reg file ALU Data cache Reg file Instr cache Reg file ALU Data cache Instr cache Reg file Data cache ALU ... ... Instr cache Reg file ALU Data cache Reg file Instr cache ALU Data cache Reg file Instr cache Reg file ALU Data cache Instr cache Reg file ALU Reg file ALU Instr cache Reg file Data cache Reg file ALU Reg file Data cache Reg file Reg file ALU Data cache Reg file Instr cache Reg file ALU Data cache Instr cache Reg file Data cache ALU ... ... Instr cache Reg file Data cache ... ... Reg file Reg file Reg file ALU Reg file Instr cache Reg file Data cache Reg file Instr cache ALU Reg file Data cache Reg file Reg file Data cache Reg file Reg file ALU Data cache Reg file Instr cache Reg file ALU Data cache Instr cache Reg file ALU Reg file Data cache Reg file Pila 7f f f f f f c Taller de Ciencia de la Computación TÚPAC, Y. (CS/UCSP) Arquitectura de Computadores Enero 2014, Pág 14/16 Instrucciones y ejecución Instrucciones y ejecución Cambio de contexto e Interrupciones Interrupción Avisos de I/O Noción de interrupciones e interrupciones anidadas Jugar Grand Theft Auto V 18:55 19:40 20:01 21:46 : 20:42 Estómago avisa por hambre e interrumpe Llegada de e-mail Cenar Leer y enviar e-mail 20:53 21:20 Llamadas de ofertas Llamada del mejor amigo Conversar por teléfono Taller de Ciencia de la Computación TÚPAC, Y. (CS/UCSP) Arquitectura de Computadores Enero 2014, Pág 15/16 Instrucciones y ejecución Sistemas de Computación Previsiones falladas en Tecnología de Computación “DOS addresses only 1 MB of RAM because we cannot imagine any applications needing more.” (Microsoft, 1980) Taller de Ciencia de la Computación TÚPAC, Y. (CS/UCSP) Arquitectura de Computadores Enero 2014, Pág 16/16 Instrucciones y ejecución Sistemas de Computación Previsiones falladas en Tecnología de Computación “DOS addresses only 1 MB of RAM because we cannot imagine any applications needing more.” (Microsoft, 1980) “640K ought to be enough for anybody” (Bill Gates, 1981) Taller de Ciencia de la Computación TÚPAC, Y. (CS/UCSP) Arquitectura de Computadores Enero 2014, Pág 16/16 Instrucciones y ejecución Sistemas de Computación Previsiones falladas en Tecnología de Computación “DOS addresses only 1 MB of RAM because we cannot imagine any applications needing more.” (Microsoft, 1980) “640K ought to be enough for anybody” (Bill Gates, 1981) “Computers in the future may weigh no more than 1.5 tons.” (Popular Mechanics) Taller de Ciencia de la Computación TÚPAC, Y. (CS/UCSP) Arquitectura de Computadores Enero 2014, Pág 16/16 Instrucciones y ejecución Sistemas de Computación Previsiones falladas en Tecnología de Computación “DOS addresses only 1 MB of RAM because we cannot imagine any applications needing more.” (Microsoft, 1980) “640K ought to be enough for anybody” (Bill Gates, 1981) “Computers in the future may weigh no more than 1.5 tons.” (Popular Mechanics) “I think there is a world market for maybe five computers.” (Thomas Watson, IBM Chair, 1943) Taller de Ciencia de la Computación TÚPAC, Y. (CS/UCSP) Arquitectura de Computadores Enero 2014, Pág 16/16 Instrucciones y ejecución Sistemas de Computación Previsiones falladas en Tecnología de Computación “DOS addresses only 1 MB of RAM because we cannot imagine any applications needing more.” (Microsoft, 1980) “640K ought to be enough for anybody” (Bill Gates, 1981) “Computers in the future may weigh no more than 1.5 tons.” (Popular Mechanics) “I think there is a world market for maybe five computers.” (Thomas Watson, IBM Chair, 1943) “There is no reason anyone would want a computer in their home.” (Ken Olsen, fundador de DEC, 1977) Taller de Ciencia de la Computación TÚPAC, Y. (CS/UCSP) Arquitectura de Computadores Enero 2014, Pág 16/16 Instrucciones y ejecución Sistemas de Computación Previsiones falladas en Tecnología de Computación “DOS addresses only 1 MB of RAM because we cannot imagine any applications needing more.” (Microsoft, 1980) “640K ought to be enough for anybody” (Bill Gates, 1981) “Computers in the future may weigh no more than 1.5 tons.” (Popular Mechanics) “I think there is a world market for maybe five computers.” (Thomas Watson, IBM Chair, 1943) “There is no reason anyone would want a computer in their home.” (Ken Olsen, fundador de DEC, 1977) “The 32-bit machine would be an overkill for a personal computer.” (Sol Libes, ByteLines, 1980) http://library.thinkquest.org/22522/quotes.html Taller de Ciencia de la Computación TÚPAC, Y. (CS/UCSP) Arquitectura de Computadores Enero 2014, Pág 16/16