Capítulo 9. Arquitecturas Reais e Alternativas

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Fernanda da Cunha Sequeira
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1 Capítulo 9 Arquitecturas Reais e Alternativas Adaptado dos transparentes das autoras do livro The Essentials of Computer Organization and Architecture

2 Ábaco (3000 AC) do Lat. abacu < Gr. abax, quadro, mesa s. m., mesa coberta de areia para as crianças aprenderem a ler; Mat., espécie de contador mecânico; tabuada antiga; 2

3 Charles Babbage Máquina diferencial (1822) Calculadora enorme (nunca terminada) Máquina analítica (1833) Podia guardar números Utilizava cartões perfurados metálicos para especificar as instruções/operações Movida a vapor Precisão de 6 casas decimais 3

números Utilizava cartões perfurados metálicos para especificar

4 ENIAC ENIAC: Electronic Numerical Integrator And Computer Autores: Eckert e Mauchly (Universidade da Pensilvânia) Decimal (não era binário) 20 acumuladores (registos) de 10 dígitos Podia ser reprogramado para resolver um grande número de problemas válvulas, 30 toneladas, 180 metros quadrados, consumo de 174 kw adições por segundo 4

(registos) de 10 dígitos Podia ser reprogramado para resolver um grande número de

5 UNIVAC 1951 Computador universal (generalista) O primeiro computador digital Desenvolvido na Universidade da Pensilvânia Custo de $9,500,000 (em 1951 ) 5

6 Intel 4004 (1971) O primeiro microprocessador transístores Palavra de 4 bits 108 khz Foi chamado de microchip Poder de cálculo semelhante ao do ENIAC 6

7 Intel Em 1971 criou o 4004 Primeiro microprocessador Todos os componentes do CPU num único chip 4 bit Concebido para uma calculadora Em 1972 criou o bit Concebido para uma calculadora Em 1974 criou 8080 O primeiro microprocessador generalista da Intel 7

calculadora Em 1972 criou o 8008 8 bit Concebido para uma

8 Intel 80x86 Em 1978 criou o 8086 (5, 8, 10 MHz) 16 bit 29,000 transístores Capacidade de endereçamento de 1 MB Em 1979 criou o bit interno, 8 bit data bus Em 1982 criou o ( MHz) 16 bit Capacidade de end. de 16 MB Memória virtual até 1 GB 8

8088 16 bit interno, 8 bit data bus Em 1982 criou o 80286 (6-12.

9 Intel Pentium Em 1985 criou o (16-33 MHz) Primeiro processador de 32 bit transístores Capacidade de endereçamento de 4 GB (64 TB) Em 1989 criou o (25-50 MHz) 32 bit 1,2 milhões de transístores Em 1993 criou o Pentium ( MHz) 32 bit 3,1 milhões de transístores 1995 Pentium Pro, 1997 Pentium II 1998 Celeron 1999 Pentium III, Merced (IA-64) 2000 Celeron II, Pentium IV 2006 Pentium Core Duo 9

1,2 milhões de transístores Em 1993 criou o Pentium (60-166 MHz) 32 bit 3,1 milhões de transístores

10 Número de transístores 1,000,000 K Mil milhões de transístores 100,000 10,000 1, i486 Pentium i Pentium III Pentium II Pentium Pro

i486 Pentium i386 80286 Pentium III Pentium II

11 Número de transístores Processador N Transístores Data comercialização Fabricante Intel Intel Intel Intel Intel Intel Intel Intel Intel Intel Intel Intel Intel Intel Pentium Intel AMD K AMD Pentium II Intel AMD K AMD Pentium III Intel AMD K6-III AMD AMD K AMD Pentium Intel Atom Intel Barton AMD 11

Pentium 3 100 000 1993 Intel AMD K5 4 300 000 1996 AMD Pentium II 7 500 000 1997 Intel AMD K6 8 800 000 1997 AMD Pentium III 9 500 000 1999 Intel

12 Número de transístores Processador N Transístores Data Comercialização Fabricante AMD K AMD Itanium Intel Cell Sony/IBM/Toshiba Core 2 Duo Intel AMD K AMD Core 2 Quad Intel Itanium 2 c/ 9 MB cache Intel G NVIDIA POWER IBM RV AMD (ATI) GT NVIDIA Dual Core Itanium Intel Quad Core Itanium KTukwila Intel 12

Intel Itanium 2 c/ 9 MB cache 592 000 000 2004 Intel G80 681 000 000 2006 NVIDIA POWER6 789 000 000 2007 IBM RV770 956 000 000 2008 AMD

13 Evolução do processador MIPS Modelo Frequência [Mz] Ano Tecnologia [µm] Transistores [milhões] Tamanho [mm²] Tensão D cache [k] I cache [k] S cache [k] R R R R R R R R R R R

3 186 5 16 16 1024 R4600 100-133 1994 0.64 2.2 77 5 16 16 512 R5000 150-200 1996 0.35 3.7 84 3.3 32 32 1024 R8000 75-90 1994 0.5 2.6 299 3.

14 Número de registos generalistas Processador Nº de registos generalistas Arquitectura Ano EDSAC 1 Acumulador 1949 IBM Acumulador 1953 CDC Load-store 1963 IBM Registo-memória 1964 DEC PDP-8 1 Acumulador 1965 DEC PDP-11 8 Registo-memória 1970 Intel Acumulador 1972 Motorola Acumulador 1974 DEC VAX 16 Registo-memória, Memória-memória 1977 Intel Acumulador extendido 1978 Motorola Registo-memória 1980 Intel Registo-memória 1985 MIPS 32 Load-store 1985 HP PA-RISC 32 Load-store 1986 SPARC 32 Load-store 1987 PowerPC 32 Load-store 1992 DEC Alpha 32 Load-store

Acumulador 1974 DEC VAX 16 Registo-memória, Memória-memória 1977 Intel 8086 1 Acumulador extendido 1978 Motorola 68000 16 Registo-memória 1980 Intel 80386

15 Instruções por segundo Processador Instruções por Segundo Ano Papel e lápis Intel kips at 2 MHz 1974 Motorola MIPS at 8 MHz 1979 Intel 386DX 8.5 MIPS at 25 MHz 1988 Intel 486DX 54 MIPS at 66 MHz 1992 PowerPC 600s (G2) 35 MIPS at 33 MHz 1994 Intel Pentium Pro 541 MIPS at 200 MHz 1996 ARM 7500FE 35.9 MIPS at 40 MHz 1996 PowerPC G3 525 MIPS at 233 MHz 1997 Zilog ez80 80 MIPS at 50 MHz 1999 Intel Pentium III 1354 MIPS at 500 MHz 1999 AMD Athlon 3561 MIPS at 1.2 GHz 2000 AMD XP MIPS at 2.0 GHz 2002 Pentium 4 Extreme Edition 9726 MIPS at 3.2 GHz 2003 ARM Cortex A MIPS at 1.0 GHz 2005 Xbox360 IBM "Xenon" Single Core 6400 MIPS at 3.2 GHz 2005 AMD Athlon FX MIPS at 2.8 GHz 2005 AMD Athlon X2 (Dual Core) MIPS at 2.2 GHz 2005 AMD Athlon FX-60 (Dual Core) MIPS at 2.6 GHz 2006 Intel Core 2 X MIPS at 2.93 GHz 2006 IBM Cell BE 25.6 GIPS (FLOPS) at 3.2 GHz

9 MIPS at 40 MHz 1996 PowerPC G3 525 MIPS at 233 MHz 1997 Zilog ez80 80 MIPS at 50 MHz 1999 Intel Pentium III 1354 MIPS at 500 MHz 1999 AMD Athlon 3561 MIPS at 1.

16 Frequência Frequência (MHz) Duplica cada 2 anos P6 Pentium proc Ano Fonte: Intel A frequência dos microprocessadores duplica cada 2 anos 16

17 Dissipação de energia 100 Power (Watts) P6 Pentium proc Year Fonte: Intel Os processadores continuam a usar e dissipar cada vez mais energia 17

1 1971 1974 1978 1985 1992 2000 Year Fonte: Intel Os

18 A energia será um problema Power (Watts) Pentium proc 18KW 5KW 1.5KW 500W Year Fonte: Intel A consumo e dissipação de energia será proibitiva 18

1 286 8086 8085 386 486 8080 8008 4004 Pentium proc 18KW 5KW 1.

19 Densidade energética Densidade Energética (W/cm2) Rocket Nozzle Nuclear Reactor Hot Plate P6 Pentium proc Ano Densidade energética demasiado alta para manter as conexões a temperaturas baixas Fonte: Intel 19

486 P6 Pentium proc 1970 1980 1990 2000 2010 Ano Densidade energética

20 Diferencial no desempenho Velocidade do processador aumenta Capacidade de memória aumenta Velocidade da memória aumenta mais devagar que a do processador 20

21 (Possíveis) soluções Aumentar o número de bits transferidos em cada acesso Tornar os circuitos de DRAM mais largos em vez de mais longos Alterar a ligação aos circuitos DRAM Inovações nas memórias cache Reduz a frequência de acessos à memória DRAM Memórias cache mais complexas, maiores, mais níveis, e internas ao chips Aumentar a velocidade do canal de interligação à memória Buses de alta velocidade, hierarquia de buses 21

22 Capacidade de armazenamento Cresce mais depressa que a Lei de Moore 22

23 Exemplos reais de ISA s [1] Os processadores da Intel suportam vários modos de endereçamento (m.e.) O 8086 suportava 17 m.e. diferentes (variantes dos modos já apresentados) De modo a ser compatível, o Pentium também suporta os mesmos 17 m.e. O Itanium, sendo RISC, suporta apenas um m.e. (indirecto por registo) A família 80x86 e os seus clones são little endian 23

24 Exemplos reais de ISA s [3] O MIPS é um acrónimo de Microprocessor Without Interlocked Pipeline Stages Em ASC irá ser estudado o que é um pipeline A arquitectura é little endian Tem instruções com 3 endereços com tamanho fixo Apenas as instruções de LOAD e STORE podem aceder à memória O modo de endereçamento é baseado (base addressing mode) 24

25 Exemplos reais de ISA s [4] A linguagem de programação Java é compilada para um microprocessador virtual denominado JVM (Java Virtual Machine) Há implementações da JVM para diferentes processadores com diferentes arquitecturas (incluindo versões simplificadas em hardware) Tal como uma máquina real, a JVM também tem uma ISA, denominada de bytecode, que é independente da ISA do processador real (e compatível com todas as JVM s disponíveis) 25

26 RISC vs. CISC A grande diferença entre processadores CISC e RISC torna-se evidente através da equação básica do desempenho do processador: Os processadores RISC reduzem o tempo de execução reduzindo o número de ciclos por instrução Os processadores CISC melhoram o desempenho reduzindo o número de instruções por programa 26

27 RISC vs. CISC RISC Múltiplos conjuntos de registos Três operandos por instrução Passagem de parâmetros através de janelas de registos Instruções executadas em um ciclo de relógio Instruções implementadas em hardware Múltiplas optimizações (e.g., pipeline) CISC Um único conjunto de instruções Um ou dois operando por instrução Passagem de parâmetros em memória Instruções executadas em múltiplos ciclos de relógio Instruções microprogramadas Múltiplas optimizações (e.g., pipeline) 27

28 RISC vs. CISC RISC Suporta um pequeno número de instruções Instruções simples Instruções de tamanho fixo e regular Complexidade transferida para o compilador Apenas as instruções LOAD/STORE acedem à memória Menos modos de endereçamento CISC Suporta um grande número de instruções Instruções complexas Instruções de tamanho variável e irregular Complexidade no microcódigo Muitas instruções acedem à memória Muitos modos de endereçamento 28

29 Taxonomia de Flynn Muitas tentativas de definir uma forma de categorizar as arquitecturas de computadores A taxonomia de Flynn é a que há mais tempo persiste, se bem que tenha algumas limitações A taxonomia de Flynn tem em consideração o número de processadores e o número de grupos de dados incorporados na arquitectura Um processador pode ter um ou mais processadores, que manipulam um ou mais grupos de dados 29

30 Taxonomia de Flynn Quatro combinações processadores / dados SISD: Single instruction stream, single data stream Os computadores clássicos single-core SIMD: Single instruction stream, multiple data stream Processadores vectoriais (GPUs) MIMD: Multiple instruction stream, multiple data stream Os computadores multiprocessador (multi-cores) MISD: Multiple instruction stream, single data stream Não existe 30

31 Taxonomia de Flynn Computadores SMP (symmetric multiprocessors ) e MPP (massively parallel processors) são ambos MIMD Sistemas SMP partilham a memória Menos processadores + partilha de memória + comunicação por memória Sistemas MPP não partilham a memória Mais processadores + memória distribuída + comunicação via rede (mensagens) 31

32 Taxonomia de Flynn 32

33 Arquitecturas multiprocessadores 33

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