ELECTRÓNICA DE COMPUTADORES. 1ª Aula. Introdução Sistemas Electrónicos de Computadores. Sumário

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1 ELTRÓNICA DE COMPUTADORES 1ª Aula Introdução Sistemas Electrónicos de Computadores 1.1 Sumário Sistemas electrónicos e electrónica de computadores Projecto parâmetros a optimizar Tecnologias Processadores IC Projecto 1.2 1

2 Sistemas de computadores Os sistemas com computadores encontram-se amiúde Pensamos imediatamente em computadores PC s Laptops Mainframes Servidores Mas há outro tipo de sistemas com computadores Muito mais utilizados Electrónica de computadores Sistemas computacionais embebidos Em dispositivos electrónicos de grande consumo Milhares de milhões de unidades produzidas anualmente Só milhões de computadores Aproximadamente 50 % para automóveis e para artigos domésticos 1.4 2

3 Sistemas Electrónicos embebidos Anti-lock brakes Auto-focus cameras Automatic teller machines Automatic toll systems Automatic transmission Avionic systems Battery chargers Camcorders Cell phones Cell-phone base stations Cordless phones Cruise control Curbside check-in systems Digital cameras Disk drives Electronic card readers Electronic instruments Electronic toys/games Factory control Fax machines Fingerprint identifiers Home security systems Life-support systems Medical testing systems Modems MPEG decoders Network cards Network switches/routers On-board navigation Pagers Photocopiers Point-of-sale systems Portable video games Printers Satellite phones Scanners Smart ovens/dishwashers Speech recognizers Stereo systems Teleconferencing systems Televisions Temperature controllers Theft tracking systems TV set-top boxes VCR s, DVD players Video game consoles Video phones Washers and dryers 1.5 Sistemas Electrónicos Embebidos Funcionalidade simples Executa um único programa, repetidamente Especificações apertadas Baixo custo, consumo de potência reduzido, rápido, Reactivo e de tempo real Reage a alterações no ambiente envolvente Deve calcular alguns resultados em tempo real, sem atraso 1.6 3

4 Câmara digital CCD Digital camera chip A2D CCD preprocessor Pixel coprocessor D2A lens JPEG codec Microcontroller Multiplier/Accum DMA controller Display ctrl Memory controller ISA bus interface UART LCD ctrl Função única câmara digital Especificações baixo custo e baixo consumo de potência, pequeno, rápido Reactivo apenas numa pequena extensão 1.7 Métricas para avaliação de projecto Métricas para avaliação do projecto de sistemas Características mensuráveis associadas à implementação de um sistema Optimizar as métricas é fundamental para o sucesso de um projecto Algumas das métricas mais usadas Custo NRE (Non-Recurring Engineering cost): custo do projecto do sistema Custo por unidade: custo de fabricação de uma cópia do sistema, exluindo o NRE Dimensão: espaço físico realmente ocupado 1.8 4

5 Métricas para avaliação de projecto Desempenho: tempo de execução ou ritmo de processamento Potência: potência consumida pelo sistema Flexibilidade: inverso do custo NRE associado a alterações na funcionalidade do sistema Time-to-prototype: tempo gasto a desenvolver um protótipo do sistema Time-to-market: tempo gasto a desenvolver um sistema de forma a poder ser colocado no mercado 1.9 Métricas para avaliação de projecto Conhecimentos e experiência simultaneamente em software (programação) e hardware (circuitos) são indispensáveis para optimizar os parâmetros de pojecto Power Performance Size lens CCD Digital camera chip A2D CCD preprocessor Pixel coprocessor D2A JPEG codec DMA controller Microcontroller Multiplier/Accum Display ctrl Memory controller ISA bus interface UART LCD ctrl Hardware Software NRE cost

6 Time-to-market Janela de mercado Período durante o qual o producto/sistema tem a mais alta taxa de vendas time-to-market médio: 8 meses Atrasos podem ser catastróficos Retorno ( ) Tempo (meses) 1.11 Perdas devido a atrasos Modelo simplificado de retorno Vida do producto = 2W (Pico em W) Área do triângulo = retorno Perdas Diferença entre as áreas dos triângulos com e sem atraso Retorno ( ) Subida do mercado A tempo Atrasado Valor máximo do retorno Valor máximo do retorno com entrada retardada Queda do mercado D W 2W Entrada no tempo Entrada atrasada Tempo

7 Perdas devido a atrasos Área = 1/2 * base * altura A-tempo = 1/2 * 2W * W Atrasado = 1/2 * (W-D+W)*(W-D) % de perdas no retorno = (D(3W-D)/2W 2 )*100% Exemplos: Tempo de vida 2W=52 sem atraso D=4 (4*(3*26 4)/2*26^2) = 22% Tempo de vida 2W=52 sem atraso D=10 (10*(3*26 10)/2*26^2) = 50% ATRASOS SAEM MUITO CAROS!! 1.13 NRE e métricas de custos Custo real: custo_total= NRE + custo_unidade * #unidades custo real por unidade= custo_total / #unidades = (NRE / #unidades) + custo_unidad Exemplo NRE= 2000, custo_unidade=100 Para 10 unidades Custo_total = *100 = 3000 Custo real por unidade = 2000/ = 300 Amortização do NRE custa 200 por unidade

8 Desempenho Medidas mais utilizada, mas não significa as melhores Frequência de relógio (F) e CPI ou 1/CPI Exemplo da câmara digital o importante é quão rápido as imagens são processadas e não F ou CPI Latência (Tempo de resposta) Tempo entre o início e o fim de uma tarefa câmara digital processa uma imagem em 100 ms Ritmo de processamento (Throughput) Nº de tarefas realizadas/s câmara digital processa 50 imagens por segundo, o que significa que processa 5 imagens em paralelo 1.15 Factores tecnológicos Aceleração (Speedup) de B em relação a A S = throughput(b) / throughput (A) S = latência (A) / latência (B) Para a optimização há três níveis fundamentais processadores IC projecto e desenho

9 Tecnologia dos processadores Arquitectura do elemento computacional Processadores programáveis (general purpose) versus processadores especializados (DSP) versus processadores dedicados (single purpose) Controller Control logic and State register IR PC Program memory Assembly code for: Datapath Register file General ALU Data memory Controller Control logic and State register IR PC Program memory Assembly code for: Datapath Registers Custom ALU Data memory Controller Control logic State register Datapath index total + Data memory total = 0 for i =1 to General-purpose ( software ) Reduzido time-to-market e NRE elevada flexibibilidade total = 0 for i =1 to Específico Single-purpose ( hardware ) Rápido, baixo consumo e pequeno 1.17 Tecnologia dos processadores Funcionalidade desejada total = 0 for i = 1 to N loop total += M[i] end loop General-purpose Especializado Single-purpose

10 Tecnologia dos IC Implementação em IC do circuito, ao nível das portas lógicas e das respectivas interligações Tecnologias IC diferem pelo nível a que os desenhos são talhadas para as aplicações Full-custom/VLSI Semi-custom/ASIC (gate array e standard cell) Programmable Logic Device (PLD) e Field Programmable Gate Array (FPGA) 1.19 Tecnologia dos IC IC s são fabricados com um número elevado de camadas (mais de 10) IC package IC source gate oxide channel drain Silicon substrate Full Custom/VLSI Todas as camadas são optimizadas para a implementação dum circuito digital em particular Localização e dimensionamento dos transistors e o routing

11 Tecnologia dos IC Semi-custom/ASIC Apenas o routing é feito manualmente, e eventualmente a localização de alguns blocos Programmable Logic Device (PLD) e Field Programmable Gate Array (FPGA) Ligações no IC são criadas, destruídas ou configuradas de forma a implementar a funcionalidade desejada Field-Programmable Gate Array (FPGA) são dispositivos muito usados, fundamentalmente para prototipagem! 1.21 Lei de Moore Previsão em 1965 de Gordon Moore (co-fundador da Intel) para a evolução da capacidade dos circuitos electrónicos IC transistor capacity has doubled roughly every 18 months for the past several decades transistores por IC (milhões) 10,000 1,

12 Lei de Moore ,000 transistores 150,000,000 transistores Leading edge chip in 2002 A duplicação a este ritmo leva a um crescimento acelerado! Um IC em 2002 pode albergar ICs dos desenvolvidos em Lei de Moore

13 Tecnologia de projecto Forma de converter uma descrição de alto nível numa implementação Compilation/ Synthesis Libraries/ IP Test/ Verification Compilation/Synthesis: Automates exploration and insertion of implementation details for lower level. System specification System synthesis Hw/Sw/ OS Model simulat./ checkers Libraries/IP: Incorporates predesigned implementation from lower abstraction level into higher level. Behavioral specification RT specification Behavior synthesis RT synthesis Cores RT components Hw-Sw cosimulators HDL simulators Test/Verification: Ensures correct functionality at each level, thus reducing costly iterations between levels. Logic specification Logic synthesis Gates/ Cells Gate simulators To final implementation 1.25 Tecnologia de projecto Tecnologias de projecto de hardware e de software muito diferentes A recente maturação de ferramentas de síntese permite uma visão unificada do hardware e do software Sequential program code (e.g., C, VHDL) Compilers (1960's,1970's) Assembly instructions Assemblers, linkers (1950's, 1960's) Machine instructions Behavioral synthesis (1990's) Register transfers RT synthesis (1980's, 1990's) Logic equations / FSM's Logic synthesis (1970's, 1980's) Logic gates Microprocessor plus program bits: software Implementation VLSI, ASIC, or PLD implementation: hardware

14 Tecnologia: Processadores ICs são independentes Processador de uso-geral ASIP Processador dedicado Flexibilidade NRE Time- to-prototype Time-to-market custo (pequeno volume) Consumo Desempenho Dimensão custo (grande volume) PLD Semi-custom Full-custom 1.27 Conclusões Sistemas e electrónica de computadores encontram-se actualmente em todos os dispositivos e productos Métricas e parâmetros de projecto Compromissos a estabelecer Tecnologias Processador: general-purpose, especializado e dedicado IC: Full-custom, semi-custom, FPGA Projecto: Compilação/síntese, bibliotecas/ip, teste/verificação do funcionamento

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