28 de fevereiro de 2016

Transcrição

1 Ítalo Mendes da Silva Ribeiro UESPI 28 de fevereiro de / 72

2 Súmario Breve 2 / 72

3 Súmario Breve 3 / 72

4 Por que estudar Arquitetura e Organização de Computadores? Conhecimento do funcionamento interno do computador Componentes Características Relacionamento entre os componentes Execução de instruções 4 / 72

5 Denição: Arquitetura de um computador São os atributos de um sistema que são visíveis para o programador, em outras palavras, os atributos que têm impacto direto sobre a execução lógica de um programa. 5 / 72

6 Exemplos: Arquitetura de um computador Conjunto de instruções Número de bits usados para representação de dados Técnicas de endereçamento de memória 6 / 72

7 Denição: Organização de um computador São as unidades operacionais e suas interconexões que implementam as especicação da sua arquitetura. 7 / 72

8 Exemplos: Organização de um computador Sinais de controle de hardware Interface entre o computador e os periféricos Tecnologia do hardware da memória 8 / 72

9 Súmario Breve 9 / 72

10 Computador é um sistema complexo Milhões de componentes eletrônicos Organização em um sistema hierárquico de niveis Um nível só precisa saber alguns detalhes do nível diretamente abaixo 10 / 72

11 Denição: Estrutura É a forma como os componentes se relacionam Denição: A operação de cada componente individual como parte da estrutura 11 / 72

12 Funções básicas de um computador Processamento de dados Armazenamento de dados Movimentação de dados Controle 12 / 72

13 Figura: Visão funcional do computador. 13 / 72

14 Estrutura de um computador Computador interage com o ambiente externo Interage com: dispositivos periféricos ou linhas de comunicação 14 / 72

15 Estruturas principais de um computador CPU Memória principal Entrada/Saída (E/S) Sistema de interconexão (barramento) 15 / 72

16 Figura: Visão da organização estrutural do computador. 16 / 72

17 Súmario Breve 17 / 72

18 Breve 1 a Geração: Válvulas Eletrônicas ENIAC 1946 Cálculo de trajetória e alcance de projeteis 30 toneladas, 18 mil válvulas e 140 m quadrados 5 mil adições por segundo Armazenava números decimais Problema: codicação realizada com mudança no hardware 18 / 72

19 Breve Figura: ENIAC. 19 / 72

20 Breve 1 a Geração: Válvulas Eletrônicas Máquina de von Neumann Armazenar e executar um programa na memória do computador Modicações no programa: atribuir valores e posições na memória Estrutura de todos os computadores atuais 20 / 72

21 Breve 1 a Geração: Válvulas Eletrônicas Máquina de von Neumann: estrutura geral Memória principal: armazena dados e instruções Unid. Lógica e aritmética (ULA): operações com dados binários Unid. de Controle: intepreta e executa instruções armazenadas na mem oai Dispositivos de E/S: periféricos 21 / 72

22 Breve Figura: Arquitetura de Von Neumann. 22 / 72

23 Breve 1 a Geração: Válvulas Eletrônicas Computadores Comerciais 1950 Sperry: UNIVAC I e II IBM: 701 Backward compatible Aplicações cientícas principalmente 23 / 72

24 Breve 2 a Geração: Transistores Transistores Menores Baratos Dissipam menos calor Mais resistente 24 / 72

25 Breve Figura: Exemplo do formato de representação de um número e uma instrução. 25 / 72

26 Breve 2 a Geração: Transistores Cada nova geração Aumento no desempenho Maior capacidade de memória Menor tamanho 26 / 72

27 Breve 2 a Geração: Transistores Unidades de controle, lógicas e aritiméticas mais complexas Linguagens de programação de alto nível Sistemas Operacionais mais robustos 27 / 72

28 Breve 3 a Geração: Circuitos Integrados Computadores com 10 mil transistores Mais difícil produzir computadores Circuitos integrados: vários transistores em uma pequena placa de silício 28 / 72

29 Breve 3 a Geração: Circuitos Integrados Computadores construídos com base em: Portas lógicas Céluas de memória 29 / 72

30 Breve Portas lógicas: implementa operações lógicas e booleanas 30 / 72

31 Breve Céluas de memória: armazena 1 bit de dados 31 / 72

32 Breve 3 a Geração: Circuitos Integrados Lâmina de silício é dividida em quadrados de tamanho milimétricos Em cada quadrado são inseridos várias portas lógicas, células de memória e elementos de E/S A pastilha é quebrada e encapsulada criando assim um chip 32 / 72

33 Breve Figura: Lâmina de silício (wafer) e chip. 33 / 72

34 Breve Figura: Lâmina de silício (wafer) e chip. 34 / 72

35 Breve 3 a Geração: Circuitos Integrados Lei de Moore Número de transistores em um único chip dobraria a cada ano Proposta em 1965 O tempo de um ano durou até a década de 70 A quantidade de transistores passou a duplicar a cada 18 meses 35 / 72

36 Breve 3 a Geração: Circuitos Integrados IBM 360 Sucesso comercial da IBM 70% do mercado 1a família de computadores Mainframes caros Cliente poderia começar com um modelo simples e posteriormente o melhoraria com algumas peças novas 36 / 72

37 Breve 3 a Geração: Circuitos Integrados Características de uma família de computadores Conjunto de instruções semelhantes ou idênticas Sistema operacional semelhante ou idêntico Aumento na velocidade Aumento do número de E/S Aumento de memória Aumento do custo 37 / 72

38 Breve 3 a Geração: Circuitos Integrados DEC PDP-8 Barato Segundo mais vendido Barramento controlado pela CPU 38 / 72

39 Breve Últimas Gerações Melhoramento nos circuitos integrados ADICIONAR TABELA 2.2 DEPOIS DO ITEM 39 / 72

40 Breve Últimas Gerações Microprocessador 1971 Intel 4004 Todos os componentes da CPU em um único chip 40 / 72

41 Breve Últimas Gerações Microprocessador 1974 Intel 8080 Primeiro microprocessador de propósito geral 41 / 72

42 Breve Figura: da década de / 72

43 Breve Figura: da década de / 72

44 Breve Figura: recentes. 44 / 72

45 Súmario Breve 45 / 72

46 PCs usados para diversas tarefas Projetos de engenharia Aplicações cientícas Mesmo computador de von Neumann Melhoramento de hardware e maior complexidade desempnho 46 / 72

47 Velocidade do Processador máximo com envio constante de instruções para o processador Técnicas para envio de instruções: Pipeline: instruções em sequência, uma é executada enquanto outra é decodicada simultaneamente Previsão de desvio: verica próximas instruções para adivinhar quais serão as próximas executadas Análise do uxo de instruções: análise de depêndencia entre instruções Especulação de execução: guarda resultados para utilização em instruções futuras 47 / 72

48 Balaceamento de Processador muito mais rápido que outros componentes do computador Arquitetura precisa balancear as capacidades dos diferentes componentes Maior problema: velocidade do processador e memória 48 / 72

49 Balaceamento de Maneiras de diminuir o problema: Aumento no número de bits transferidos de uma só vez Inserção de memória cache na RAM Uso eciente de cache no processador Maior velocidade do barramento entre processador e memória 49 / 72

50 Balaceamento de Dispositivos periféricos extremamente lentos em relação a CPU Uso de caches e processadores com vários núcleos (cores) diminui o problema Preocupações do projetista: Grande variação de desempenho entre diferentes periféricos Surgimento de novos periféricos 50 / 72

51 Figura: Valores típicos de transferência de dados de alguns dispositivos. 51 / 72

52 Organização e Arquitetura do Processador Abordagens para aumento da velocidade: Aumento da velocidade do hardware: mais portas lógicas, maior clock e menor distância Melhores caches: mais rápidos e maiores Paralelismo: instruções especícas e mais núcleos 52 / 72

53 Organização e Arquitetura do Processador Problemas do aumento de portas lógicas e do clock: Dissipação do calor Maior capacitância e resistência dos conectores devido ao pequeno tamanho, diminuindo a velocidade dos elétrons 53 / 72

54 Figura: Crescimento dos elementos em um processador. Lei de Moore ainda funciona com o número de transistores dobrando dentro de um período de tempo. 54 / 72

55 Súmario Breve 55 / 72

56 Multicore Vários processadores postos em um mesmo chip Aumentar o desempenho sem aumentar a velocidade do clock O programa deve suportar uso de vários núcleos Necessidade de cache com 3 níveis: 1o nível: uma cache para cada núcleo 2o e 3 o nível: compartilhado entre vários núcleos 56 / 72

57 MIC Many Integrated Core Vários núcleos em um mesmo chip (50 núcleos) Programa especialmente desenvolvido para total desempenho do MIC 57 / 72

58 GPGPU GPU (Graphics Processing Units): processadores grácos Centenas de núcleos Processamento paralelo GPGPU (General-Purpose Computing on GPUs): programas que utilizam o grande processamento paralelo da GPU. (Não inclui jogos) 58 / 72

59 Súmario Breve 59 / 72

60 x86 Intel Lider de mercado Mantém a compatibilidade com processadores antigos Adicionadas novas instruções, sem remoções Ex: Quad-core Intel Core 2 tem 3GHz e 820 milhões de transistores 60 / 72

61 ARM RISC Mais usados em sistemas embarcados Sistemas embarcados: É a combinação do hardware, programa de computador e outros dispositivos designados para realizar uma função especíca Normalmente fazem parte de um sistema maior Ex: controle do motor de carro, câmeras de vigilância, iphone, etc 61 / 72

62 Figura: Exemplo de organização de um sistema embarcado. 62 / 72

63 ARM 1 a versão: ARM1 em 1985 Empresa: ARM muito pequenos Pequeno consumo de energia Mais usados em sistemas embarcados 63 / 72

64 Figura: Evolução processadores ARM. 64 / 72

65 Súmario Breve 65 / 72

66 Velocidade do relógio e Instruções por segundo Frequência produzida pelo relógio do processador (clock) Ciclos por segundo ou Hertz (Hz) Sinais do relógio gerados por um cristal de quartzo quando uma voltagem é aplicada ao cristal Onda analógica do cristal é convertida em sinal digital 1 GHz gera 1 bilhão de pulsos por segundo 66 / 72

67 Velocidade do relógio e Instruções por segundo Os pulsos por segundo são conhecidos como taxa do relógio (clock rate) ou velocidade do relógio (clock speed) Cada pulso é chamado de (clock tick) PROCURAR A TRADUÇÃO O tempo entre pulsos é chamado de (cycle time) PROCURAR A TRADUÇÃO 67 / 72

68 Velocidade do relógio e Instruções por segundo MIPS (Milions of instructions per second) Mede o número de instruções executadas por segundo 68 / 72

69 Benchmarks MIPS podem ser inadequadas para medir o desempenho de processadores Diferenças nas instruções e forma de execução do processador Benchmarks são programas padrões criados por pesquisadores e pela indústria Avaliam o processador para um tipo de programa ou área 69 / 72

70 Lei de Amdahl Mostra que melhoramento tecnológico não reete em um aumento de desempenho correspondente 70 / 72

71 Lei de Amdahl Aumento = 1 (1 f) + f N (1 f) é tempo para execução do código em um único núcleo f é tempo para execução do código em um número innito de núcleos N Número de processadores 71 / 72

72 Figura: Lei de Amdahl para vários processadores. 72 / 72