Conteúdo Tópicos Breve história dos computadores. Capítulo 2 Evolução do Computador e Desempenho. Desempenho
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- Maria das Neves Sabala Regueira
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1 Capítulo 2 Evolução do Computador e Desempenho Conteúdo Tópicos Breve história dos computadores Tubos de Vácuo Transístores Circuitos Integrados Desempenho velocidade do microprocesador balanceamento Evolução: Pentium e PowerPC Recursos para Estudo António Pina 11/05 1 António Pina 11/05 2 Tópicos Evolução dos computadores aumentar a velocidade do processador diminuir o tamanho dos componentes aumentar o tamanho da memória aumentar a capacidade de E/S e a velocidade Aumento da velocidade do processador reduzir o tamanho dos componentes encadeamento e execução paralela técnicas de execução especulativa Balancear o desempenho dos vários elementos ganhos numa área não prejudicados por defeitos noutras áreas velocidade do processador vs. tempo de acesso à memória caches, barramentos mais largos, etc.. ENIAC -História Electronic Numerical Integrator And Computer primeiro computador electrónicico digital Eckert e Mauchly Universidade de Pennsylvania Trajectórias de balas para canhões Início em 1943 Conclusão em 1946 Usado até 1955 António Pina 11/05 3 António Pina 11/05 4
2 ENIAC - detalhes Máquina Decimal (não binária) 20 accumuladores de 10 dígitos dígito representado por 10 tubos de vácuo Programação manual por interruptores 18,000 tubos de vácuo 30 toneladas 15,000 pés quadrados 140 KW de potência 5,000 adições por segundo Eniac António Pina 11/05 6 António Pina 11/05 5 Máquina de von Neumann Estrutura da máquina de von Neumann Conceito de programa armazenado Em vez de interruptores manuais Guardar as instruções e os dados John von Neumann computador IAS Início em 1946, conclusão em1952 Protótipo de todos os computadores subsequentes Estrutura Geral do Computador IAS Memória principal guarda programas e dados ALU opera em dados binários Unidade de controlo interpreta as instruções Equipamento de E/S operado pela unidade de controlo António Pina 11/05 7 António Pina 11/05 8
3 IAS - detalhes Palavras de 1000 x 40 bit Números Binários Instruções de 2 x 20 bit Conjunto de registos (dentro do CPU) Tampão de Memória (MBR) Endereçamento de Memória (MAR) Instrução (IR) Tampão de Instrução (IRB) Contador de Programa (PC) Acumulador (AC) Multiplicador e Quociente (MQ) António Pina 11/05 9 António Pina 11/05 10 Estrutura do IAS detalhe IAS - instruções Total de 21 instruções (Tabela 2.1) Movimento de Dados Derivação (salto) Incondicional Derivação (salto) Condicional Aritméticas e Lógicas Modificação de Endereços António Pina 11/05 11 António Pina 11/05 12
4 Computadores Comerciais - UNIVAC Eckert-Mauchly Computer Corporation UNIVAC I (Universal Automatic Computer) US Bureau of Census 1950 calculations Sperry-Rand Corporation Fins de 1950s - UNIVAC II Mais rápido, mais memória Compatível com as máquinas mais antigas Computadores Comerciais - IBM Processamento de cartões perfurados Primeiro computador IBM (actual) Cálculos Científicos Aplicações comerciais Conduziu à série 7000 António Pina 11/05 13 António Pina 11/05 14 Transístor Substitui os tubos de vácuo Mais pequeno Mais barato Menor dissipação de calor Dispositivo de silício: física do estado sólido Inventado em 1947 pela Bell Labs William Shockley e outros. Computadores Baseados em Transístores Máquinas de Segunda Geração NCR & RCA produziram máquinas com transístores IBM acompanharam com a série 7000 DEC Produziram PDP-1 Primeiro mini-computador António Pina 11/05 15 António Pina 11/05 16
5 IBM 7094 Da série 7000 para a 7094 aumento de desempenho aumento da capacidade redução de custo Micro-electrónica O que é necessário para fazer um computador digital? armazenamento, movimento, processamento e funções de controlo células de memória e portas lógicas (gates) Gate um dispositivo que realiza uma função lógica elementar Célula de Memória um dispostivo que armazena 1 bit de dados Que funções são suportadas pelos dispositivos? Armazenamento : célula de memória Processamento : gates Movimento : interconnexões (caminhos) entre componentes Controlo: sinais transportados através dos caminhos António Pina 11/05 17 António Pina 11/05 18 Gerações Computadores Tubos de Vácuo: Transístores: (SSI) Integração de pequena escala, início em 1965 Até 100 dispositivos num integrado (MSI)Integração de média escala - em ,000 dispositivos num integrado (LSI)Integração de grande escala , ,000 dispositivos num integrado (VLSI)Integração de muito grande escala - desde , ,000,000 dispositivos num integrado (ULSI)Integração de ultra grande escala Ultrapassa 100,000,000 dispositivos num integrado António Pina 11/05 19 António Pina 11/05 20
6 Lei de Moore Crescimento em nº Transístores por CPU Aumento de densidade de componentes por integrado Gordon Moore: co-fundador da Intel Número de transístores por integrado duplica todos os anos Desde 1970 o crescimento reduziu um pouco Número de transístores duplica todos os 18 meses Consequências da lei de Moore Custo do integrado quase fixo Maior densidade de empacotamento -> fios eléctricos mais curtos ->aumenta a velocidade de operação Redução tamanho -> mais conveniente para uma grande variedade de ambientes Redução dos requisitos de potência e arrefecimento Caminhos mais curtos -> aumento de fiabilidade António Pina 11/05 21 António Pina 11/05 22 IBM 360 series 1964 Substitui não sendo compatível com a série 7000 sistema que investe numa nova tecnologia de CIs Primeira família planeada de computadores Instruções semelhantes E/S semelhante Velocidade crescente Número crescente de portas de E/S (i.e. mais terminais) Tamanho crescente de memória Custo crescente António Pina 11/05 23 António Pina 11/05 24
7 DEC PDP-8 DEC - PDP-8 Bus Structure 1964 Primeiro minicomputer menos poderosos que os "mainframe" Tamanho compatível com um laboratório $16,000 $100k+ que IBM 360 Console Controller CPU Main Memory I/O Module I/O Module Usa estrutura de barramento Omnibus OMNIBUS António Pina 11/05 25 António Pina 11/05 26 Memória de Semicondutores 1970 : dos núcleos de ferro para os CIs (quando comparada com os núcleos de ferro) Uma única pastilha podia conter 256 bits Leitura não-destrutiva Muito mais rápida Capacidade duplica cada 2 anos desde 1970, cerca de11 generations 1K, 4K, 16K, 64K, 256K, 1M, 4M, 16M, 64M, 256M, 1G Aumentando a velocidade Além do aumento em número de transístores por CI Encadeamenti (Pipeline) Memória no processador (cache) L1 & L2 cache Prognóstico de derivação Se adivinharmos a maior parte das vezes, podemos pré-extrair as instruções correctas Data flow Análise do fluxo de dados conhecer as dependências entre instruções para obter um escalonamento óptimo de instruções Execução Especulativa execução de instruções sem saber se vão ser necessárias António Pina 11/05 27 António Pina 11/05 28
8 Desajuste de Desempenho DRAM e Características do Processador Aumentou a velocidade do Processador Aumentou a capacidade da memória Velocidade da Memória << Velocidade do Processador António Pina 11/05 29 António Pina 11/05 30 Soluções Extrair > número de bits por unidade de tempo Usando caminhos de dados mais largos Modificar o interface com a DRAM Utilizar memória Cache Reduzir a frequência de acessos à memória Maior complexidade no projecto da cache Aumentar a largura de banda da interligação Barramentos de elevada velocidade Hierarquia de barramentos Pentium: Evolução (1) 8080 primeiro microprocessor de uso generalizado caminho de dados de 8 bits Utilizado no primeiro computador pessoal Altair 8086 muito maior potêncial caminho de dados e registos de 16 bits cache de instruções para pré-extracção de instrções 8088 (8 bit barramento externo) primeiro IBM PC MB memória endereçavel primeiro processador de 32 bits da Intel Suporte a multitarefa António Pina 11/05 31 António Pina 11/05 32
9 Pentium: Evolução (2) cache sofisticada e poderosa de instruções e encadeamento co-processador matemático incorporado Pentium técnica super escalar múltiplas instruções executadas em paralelo Pentium Pro organização super escalar melhorada renomeaçãoagressiva de registos prognóstico de derivação análise de fluxo de dados execução especulativa Pentium: Evolução (3) Pentium II MMX technology gráficos, vídeo & processamento áudio Pentium III Novas instruções de vírgula flutuante para gráficos 3D Pentium 4 Numerais em notação árabe em vez de romana Melhoramentos de instruções: vírgula flutuante e multimédia Itanium Arquitetcura IA-64 Mais detalhes no cap. 15 Consultar sítio da Intel António Pina 11/05 33 António Pina 11/05 34 PowerPC (1) Sistema RISC superscalar participam as seguintes companhias IBM, Motorola, Apple usado nas máquinas Apple Macintosh bit máquina 603 para computadores de secretária e portáteis 604 técnicas superscalares avançadas António Pina 11/05 35 António Pina 11/05 36
10 PowerPC (2) 620 para sistemas servidores arquitectura de 64 bit 64 bit registers and data paths 740/750 também conhecido pelo processador G3 2 níveis de cache G4 paralelismo e velocidade melhorados António Pina 11/05 37 António Pina 11/05 38 Internet: Recursos Procurar Intel Museum Charles Babbage Institute PowerPC Intel Developer Home ENIAC António Pina 11/05 40 António Pina 11/05 39
11 Integração Placas-Mãe PC -XT Pentium PC António Pina 11/05 41 António Pina 11/05 42 Processadores Main/Mini/Micro Relógio Encaixe (socket 7) Slot 1 Pentium II ENIC II 1 chip (main) António Pina 11/05 43 PDP -8 (mini) Altair 8008 Intel (micro) António Pina 11/05 44
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