PARTE I - FUNDAMENTOS DE PROJETOS DE COMPUTADORES ARQUITETURA DE COMPUTADORES ANTONIO RAMOS DE CARVALHO JÚNIOR

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1 PARTE I - FUNDAMENTOS DE PROJETOS DE COMPUTADORES ARQUITETURA DE COMPUTADORES ANTONIO RAMOS DE CARVALHO JÚNIOR

2 Introdução Entender a arquitetura de computadores do ponto de vista do programador Entender como o que o programador escreve é convertido para algo que o computador entende Como o computador interpreta o programa O que torna os programas lentos ou rápidos

3 Introdução Estrutura básica de um computador

4 Estrutura 1. A evolução da informática e a tarefa do projetista de computadores 2. Custo, preço e suas tendências 3. Medidas e relatórios de desempenho 4. P r i n c í p i o s q u a n t i t a t i v o s d o p ro j e t o d e computadores 5. Juntando tudo: desempenho e preço-desempenho

5 1. A EVOLUÇÃO DA INFORMÁTICA E A TAREFA DO PROJETISTA DE COMPUTADORES

6 A tarefa do projetista de computadores Determinar quais atributos são importantes para uma nova máquina. Projetar uma máquina para maximizar o desempenho, ao mesmo tempo que permanece dentro das restrições de custo e energia.

7 A tarefa do projetista de computadores Alguns requisitos funcionais que um arquiteto se depara Requisitos Funcionais Área de aplicação Nível de compatibilidade de software Requisitos do Sistema Operacional Padrões Características Típicas Destino do computador Determina a quantidade de software existente para a máquina Recursos necessários para dar suporte ao SO escolhido Certos padrões podem ser exigidos pelo mercado

8 2. CUSTO, PREÇO E SUAS TENDÊNCIAS

9 O impacto do tempo Gráfico do número de bits por dólar no decorrer dos anos i.e. quantos bits é possível comprar com 1 Obama.

10 Custo de um circuito integrado Embora o custo de circuitos integrados tenham caído exponencialmente, o procedimento básico de fabricação dos chips de silício se mantém inalterado. Um wafer ainda é testado e cortado em matrizes que são encapsuladas.

11 Fabricação de um chip CUSTO DE UM CIRCUITO INTEGRADO

12 Custo de um circuito integrado

13 Custo de um circuito integrado O custo de um circuito integrado embalado é obtido pela seguinte fórmula: Custo do circuito integrado = Custo do wafer Chips por wafer X rendimento

14 Custo de um circuito integrado O número de chips por wafer é basicamente a área do wafer dividida pela área do chip. Chips por wafer = Área do wafer Área do chip

15 Exercício Encontre o número de chips para um wafer de 30,0 cm de diâmetro e um chip de 0,7 cm de lado. Dica: Encontrar a área total do chip. A área total do chip é 0,49 cm 2. Dica: Utilizar a equação do número de chips por wafer. Resposta: O número de chips por wafer é 1,347

16 Custo de um circuito integrado O Exercício 1 só nos dá o número máximo de matrizes por wafer. Qual a fração ou porcentagem de matrizes de boa qualidade em um número de wafers, ou o rendimento dos chips?

17 Custo de um circuito integrado Um modelo empírico simples de rendimento de circuitos integrados, nos leva a: Rendimento = 1 (1+(Defeitos por área X Área do chip)/2) 2 Defeitos por área sempre será fornecido pelo problema.

18 Medidas e relatórios de desempenho Como medir desempenho? O que é desempenho?

19 Medidas e relatórios de desempenho O desempenho depende da necessidade do público alvo (cliente) Algumas métricas importantes: Tempo de resposta: Tempo que um programa leva para ter sua execução concluída Throughput: Quantidade de trabalho executado em um determinado intervalo de tempo.

20 Tempo de execução Métrica mais básica para medir desempenho de computadores. Quanto menor o tempo, melhor é o desempenho do computador. Performancex > Performancey Tempo de execuçãoy > Tempo de execuçãox } Inversamente proporcionais

21 Tempo de execução Como determinar entre duas implementações (computadores e não programas) qual a mais rápida? Como determinar o quanto uma implementação é mais rápida que outra? Performancex Tempo de execuçãoy = = n Performancey Tempo de execuçãox n é o número de vezes que a máquina x é mais rápida que a máquina y

22 Exercício O programa A roda em 10 s e B em 15 s. Qual das máquina é mais rápida? Determine quantas vezes uma máquina é mais rápida que a outra. (Considere SEMPRE a melhor performance para comparação: X é mais rápida N vezes que Y).

23 Observações a respeito de tempo de execução O tempo de execução de um programa em uma máquina depende de muitos fatores, podemos destacar alguns como: Sistema Operacional Concorrência da processos

24 Clocks / ciclos O que é um clock? Sinal analógico versus sinal digital

25 Sinal analógico Sinal contínuo com variação em função do tempo Pode assumir diferentes valores não discretos

26 Sinal digital Sinal com valores discretos no tempo e em longitude É definido para determinados instantes de frequência (no caso de computadores 0 ou 1)

27 Sinal digital versus analógico Qual dos dois sinais um computador utiliza? O que impede que um computador utilize um sinal analógico?

28 Clocks / ciclos Processadores executam suas atividades mais fundamentais em ciclos com períodos constantes O período de um ciclo de clock é o tempo necessário para completá-lo Ex: um processador com clock de 1GHz tem o período de 1 ns

29 Clocks / ciclos Em resumo, um ciclo de clock em um processador é o tempo entre o dois inícios de subida de sinal 1 ciclo de clock

30 Clocks / ciclos Relação entre o ciclo de clock e o tempo de execução. Tempo de execução Número de ciclos no processador = de clock para o X Período do clock para o programa programa A equação acima considera o tempo em relação o período do ciclo de clock. Qual seria a fórmula para considerarmos a frequência de clock?

31 Clocks / ciclos A frequência é o inverso do período, sendo assim, temos a equação abaixo Tempo de execução no processador para o programa = Número de ciclos de clock Frequência do clock Sobre desempenho: Como comparar desempenho de computadores utilizando a frequência e o período de clock?

32 Exercício Nosso programa favorito roda em 10 segundos em um computador A que tem clock de 400 MHz. Estamos tentando ajudar um projetista de computador em início de carreira a construir uma máquina B, que deverá rodar nosso programa em 6 segundos. O projetista já sabe que pode contar com a tecnologia para aumentar a frequência do clock de sua máquina, mas este aumento vai provocar reflexos em outros parâmetros de performance, fazendo com que a máquina B precise de 1,2 vez mais ciclos do que a máquina A para executar o tal programa. Qual a frequência do clock que nosso projetista deve implementar em sua máquina? Resposta: 800 MHz

33 Ciclos por instrução - CPI Além do número de ciclos de clock necessários para executar um programa, também podemos contar o número de instruções executadas Se soubermos o número de ciclos de clock e a contagem de instruções, podemos calcular o número médio de ciclos de clock por instrução (CPI) O CPI é calculado pela fórmula: CPI = Ciclos de clock da CPU para o programa Número de instruções

34 Ciclos por instrução - CPI Para obtermos o tempo por meio do CPI, é necessário isolar o tempo na fórmula do número de instruções e substituir na fórmula do CPI, obtendo a equação: Tempo = Número de instruções X Período do clock X CPI Ou então utilizando a frequência: Tempo = Número de instruções X CPI Frequência do clock

35 Ciclos por instrução - CPI Como obter o CPI de uma arquitetura? Instruções diferentes têm quantidades de ciclos diferentes para executá-las O número de CPI depende do programa que está sendo executado Para calcular o número total de ciclos de um programa é necessário fazer a soma dos produtos do CPI pelo número de instruções de um determinado tipo Número de ciclos = (CPIi X Ci) n i=1

36 Exercício Um projetista de compilador está tentando decidir entre duas sequências de código para uma determinada máquina. Para tanto, obteve com a equipe de hardware os seguintes dados: Classe de instrução CPI para esta classe de instrução A 1 B 2 C 3 Considerando o código a ser gerado por uma particular declaração de uma linguagem de alto nível, o responsável pelo projeto do compilador está considerando duas possíveis sequências de código, com ase seguintes contagens de instruções: Sequência Número de instrução para a classe A B C Qual das duas sequências executa mais instruções? Qual a mais rápida? Qual a CPI para cada sequência?

37 Resposta do exercício Sequência 1 executa 5 instruções e sequência 2 executa 6 instruções Total de ciclos para as sequências: Ciclos de clock 1 = 10 ciclos Ciclos de clock 2 = 9 ciclos Sequência 2 mais rápida com mais instruções CPIS: CPI 1 = 2 CPI 2 = 1,5