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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
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Arquitectura de Computadores
Sistemas de Computación
Sistemas de Computación
Sistemas Personales/trabajo
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Arquitectura de Computadores
Sistemas de Computación
Sistemas de Computación
Sistemas Móviles
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Arquitectura de Computadores
Sistemas de Computación
Sistemas de Computación
Sistemas incorporados (Empotrados, embebidos)
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Arquitectura de Computadores
Sistemas de Computación
Sistemas de Computación
Partes de un sistema de computación
Memory
Control
Processor
Input
Link
Datapath
CPU
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Input/Output
Output
To/from network
I/O
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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
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Instrucciones y ejecución
Microprocesador
Microprocesadores conocidos en el mercado
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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)
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Memoria Cache
L2 (6ns)
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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
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Lectura de
registros
Operación
Lect/Almac
de datos
Escritura en
registro
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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
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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
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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
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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
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Data
cache
Reg
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Instr
cache
ALU
Reg
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Data
cache
Reg
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Reg
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Data
cache
Reg
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Reg
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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
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TÚPAC, Y. (CS/UCSP)
Arquitectura de Computadores
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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
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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
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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
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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)
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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)
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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)
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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
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