Organização e Arquitetura de Computadores. Aula 1 - Introdução Juliana F. Camapum Wanderley.

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Eliza de Sá Regueira
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1 Organização e Arquitetura de Computadores Aula 1 - Introdução 2002 Juliana F. Camapum Wanderley OAC Introdução 1 Sumário Introdução a Arquitetura de Computadores Organização e Anatomia de um Computador Mudanças Tecnológicas Rápidas Conclusões OAC Introdução 2

br/docentes/juliana/cursos/oac OAC Introdução 1 Sumário Introdução a

2 Introdução Nos anos 60/70: minimizar espaço em memória melhora o desempenho Problema atual: hierarquia de memórias paralelismo dos processadores (pipeline) otimização dos compiladores sistema operacional... OAC Introdução 3 O que é "Arquitetura de Computadores"? Software Hardware Application (Netscape) Compiler Assembler Processor Memory Operating System (Linux) Datapath & Control Digital Design Circuit Design transistors I/O system AC Instruction Set Architecture Arquitetura do conjunto de instruções + Organização da máquina Coordenação de muitos Níveis de Abstração OAC Introdução 4

Software Hardware Application (Netscape) Compiler Assembler Processor Memory Operating System (Linux) Datapath & Control Digital Design Circuit

3 Abstração Maior aprofundamento revela mais informações Uma abstração omite detalhes desnecessários, ajudando a lidar com a complexidade É uma descrição simplificada ou seletiva de um sistema OAC Introdução 5 Arquitetura do Conjunto de Instruções Uma importante abstração interface entre hardware e software de baixo nível padronização das instruções, linguagem de máquina, etc... Vantagens: diferentes implementações da mesma arquitetura desvantagem: algumas vezes impossibilita o uso de inovações Modernas arquiteturas de conjunto de instruções: Intel (80x86/Pentium/K6/MMX), PowerPC, DEC Alpha, SGI MIPS, SUN SPARC, HP PA-RISC OAC Introdução 6

baixo nível padronização das instruções, linguagem de máquina, etc.

4 OAC Introdução 7 Arquitetura do Conjunto de Instruções Conjunto de instruções (ou códigos de operação). Categorias de Instruções - MIPS R3000 Carregar/Armazenar Cálculo Desvio Ponto flutuante Gerenciamento de Memória Formato das instruções. 3 formatos de instruções (32 bits) - MIPS R3000 Tipos e estruturas de dados, codificação e representação Modos de endereçamento e acesso a dados e instruções. Organização da memória. Níveis de Representação High Level Language Program (e.g., C) Assembly Language Program (e.g.,mips) Machine Language Program (MIPS) Control Signal Specification OAC Introdução 8 Compiler Assembler Machine Interpretation AC temp = v[k]; v[k] = v[k+1]; v[k+1] = temp; lw $t0, 0($2) lw $t1, 4($2) sw $t1, 0($2) sw $t0, 4($2)

3 formatos de instruções (32 bits) - MIPS R3000 Tipos e estruturas de dados, codificação e representação Modos de endereçamento e acesso a dados e instruções. Organização da memória.

5 Por trás do Programa Computadores: dois dígitos 0 e 1 (bit s). Em computadores: bits são agrupados em grupos na memória: Z-80 Grupos de 8 bits (1 byte). MIPS Grupos de 32 bits. Memória de um computador: Endereço Conteúdo Representação popular: em hexa: Endereço Conteúdo F098 Significado dos bits: Programas, números, texto, imagens, sons, etc. OAC Introdução 9 Organização da Máquina Características de performance e capacidade das principais unidades funcionais. Registradores, Unidade lógica e aritmética, Unidade de controle... Como estas unidades funcionais são conectadas. A natureza das informações trocadas entre componentes. A lógica e os meios pelos quais é controlado este fluxo de informações. OAC Introdução 10

hexa: Endereço Conteúdo 0000 0000 0000 0098 0000 0001 0000 F098 Significado dos bits: Programas, números, texto, imagens, sons, etc.

6 Anatomia: 5 componentes de qualquer Computador Computador Pessoal Computador Processador Controle Datapath Via de dados Memória (onde programas, dados vivem qdo rodando) Devices Input Entrada Output Saída Teclado, Mouse Disco (onde programas, dados vivem quando não estão rodando) Monitor, Impressora OAC Introdução 11 Nosso primeiro enfoque O processador (datapath e controle) Implementado usando milhões de transistores Impossível de entender olhando cada transistor Nós precisamos de abstrações OAC Introdução 12

quando não estão rodando) Monitor, Impressora OAC Introdução 11 Nosso primeiro enfoque O processador (datapath e controle)

7 Arquitetura de Computadores Data cache Control Branch Arquitetura Pentium Instruction cache Bus Integer data path Floatingpoint data path OAC Introdução 13 Mudanças tecnológicas Grande desenvolvimento da eletrônica Transistor: chave on/off CI: dúzias a milhões de transistores em um VLSI. OAC Introdução 14

Introdução 13 Mudanças tecnológicas Grande desenvolvimento da eletrônica

8 Circuitos Integrados Silício semicondutor. Pode ser: Excelentes condutores. Excelentes isolantes. Áreas que alternam entre condutores e isolantes (chaves). Fabricação: Bastão (ingot) diâmetro de 6 a 12 polegadas, comprimento de 12 a 24 polegadas. Fatiados em finas fatias wafers (largura de 0,1 polegada). Série de passos de processamento químico, que cria transistores, condutores e isolantes. Conectar o chip com os pinos externos. Encapsulamento. OAC Introdução Tendências Tecnológicas: Capacidade de Memória (cada chip DRAM) size Ano Tam. (Mbit) OAC Introdução 16 Year - Aprox 1.4X/ano, ou dobro a cada 2 anos X desde 1980.

Série de passos de processamento químico, que cria transistores, condutores e isolantes. Conectar o chip com os pinos externos. Encapsulamento.

9 Tendências Tecnológicas: Complexidade do Microprocessador Lei de Moore i80486 i80386 i80286 Pentium i i8080 i Year Athlon (K7): 22 Milhões Alpha 21264: 15 milhões Pentium Pro: 5.5 milhões PowerPC 620: 6.9 milhões Alpha 21164: 9.3 milhões Sparc Ultra: 5.2 milhões 2X transistores/chip Cada 1.5 anos Chamada "Lei de Moore" OAC Introdução OAC Introdução 18 Tendências Tecnológicas: Desempenho de Processador 1.54X/ano DEC Alpha 21264/600 DEC Alpha 5/500 DEC Alpha 5/300 DEC Alpha 4/266 IBM POWER 100 Intel P MHz (Prim. 2001) Desempenho Processador aumento/ano, erroneamente referido como Lei de Moore (transistores/chip)

5 anos Chamada "Lei de Moore" OAC Introdução 17 1200 1100 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 OAC Introdução 18 Tendências Tecnológicas: Desempenho de Processador 1.

10 Tecnologia do Computador Mudança Dramática! Processador 2X em veloc. cada 1.5 anos; 100X desempenho na última década. Memória Capacidade DRAM: 2x / 2 anos; 64x tamanho na última década. Disco capacidade: > 2X em tamanho cada 1 ano. Custo por bit: melhora cerca de 100% por ano. 120X tamanho na última década. OAC Introdução 19 Tecnologia do Computador Mudança Dramática PC Estado-da-arte: Velocidade Clock do Processador: 4000 MHz (4.0 GigaHertz) Capacidade da Memória: 1000 MegaByte (1.0 GigaBytes) Capacidade do Disco: 1000 GigaBytes (1.0 TeraBytes) Novas unidades! Mega => Giga, Giga => Tera OAC Introdução 20

Custo por bit: melhora cerca de 100% por ano. 120X tamanho na última década.

11 Por que Estudar Arq de Computadores? Mudança; É excitante!; nunca foi tão excitante! Impacta todos os outros aspectos de engenharia elétrica/eletrônica e ciência dos computadores. Bionics: Sensors in latex fingers instantly register hot and cold, and an electronic interface in his artificial limb stimulates the nerve endings in his upper arm, which then pass the information to his brain. The $3,000 system allows his hand to feel pressure and weight, so for the first time since losing his arms in a 1986 accident, he can pick up a can of soda without crushing it or having it slip through his fingers. One Digital Day OAC Introdução 21 AC: Então, o que aprenderei neste curso? Arq de Computadores do ponto de vista do programador O que o programador escreve Como é convertido para algo que o computador entende Como o computador interpreta o programa O que torna programas lentos OAC Introdução 22

12 AC: Então, o que será visto neste curso? Aprender as grandes idéias em CC e engenharia: 5 componentes clássicos de um computador Dados podem ser qualquer coisa (inteiros, ponto flutuante, caracteres); um programa determina o que ele é Conceito de programa armazenado: instruções são apenas dados Princípio de Localidade, explorado via hierarquia de memória (cache) Maior performance via exploração de paralelismo (pipeline). Princípio de abstração, utilizado para construir sistemas em camadas Compilação vs. Interpretação através das camadas do sistema. Princípios/Armadilhas de Medidas de Desempenho. OAC Introdução 23 C C++ O que AC não é Aprendizado de C Se você sabe uma, você deveria ser capaz de aprender outra ling. de programação praticamente sozinho. Dado que você sabe Pascal ou Java, deve ser mais ou menos fácil entender/aprender C. Java Programação em Linguagem Assembly Esta é uma habilidade que você aprenderá como um efeito colateral de entender as Grandes Idéias. Projeto de Hardware Nós trabalharemos com hardware em nível de abstração, com muito pouco de lógica física para que tenhamos uma perspectiva adequada do assunto. OAC Introdução 24

Conceito de programa armazenado: instruções são apenas dados Princípio de Localidade, explorado via hierarquia de memória (cache) Maior performance via exploração de paralelismo (pipeline).

13 Organização do curso Desempenho (Capítulo 2) Uma arquitetura de conjunto de instruções (Capítulo 3) Aritmética e como construir uma ALU (Capítulo 4) Lógica Seqüencial (Apêndice B) Construção de um processador para executar nossas instruções (Capítulo 5) Mapeamento do Controle no Hardware (Apêndice C) Pipelining para melhorar desempenho (Capítulo 6) Memória: caches e memória virtual (Capítulo 7) I/O (Capítulo 8) Chave para um bom curso: Ler o livro! OAC Introdução 25 Literatura Livro Texto: Requerido: Organização e Projeto de Computadores: A Interface Hardware/Software, Segunda Edição, Patterson and Hennessy (P&H) - Editora LTC OAC Introdução 26

melhorar desempenho (Capítulo 6) Memória: caches e memória virtual (Capítulo 7) I/O (Capítulo 8) Chave para um bom curso: Ler o livro!

14 Leitura Todo o capítulo 1 do livro texto Itens OAC Introdução 27

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