O que é Arquitetura de Computadores? Forças Coordenação de um conjunto de níveis de abstração de um computador sobre um grande conjunto de forças de mudança Arquitetura de Computadores = Arquitetura de Conjuntos de Instruções + Organização de Máquina Cenário Constante em Computação Desejo por melhor desempenho Desejo por sistemas menores e mais leves Desejo por maior capacidade de memória e armazenamento Desejo por menor consumo de energia (menor dissipação de calor) e conseqüentemente baterias menores e mais leves, fundamental em sistemas embutidos Por que melhor desempenho? Softwares cada vez mais complexos Sistemas gráficos com qualidade de imagem cada vez maior Novas aplicações Reconhecimento de voz, Processamento de imagem, (Localização, identificação,etc.) Realidade Virtual, Servidores com enorme número de usuários (Internet), etc. Aplicações clássicas Previsão de Tempo, Simulação complexa, Solução de Problemas Matemáticos, etc. Problemas e Limites Há limites físicos para a tecnologia eletrônico-digital: Custos de construção Velocidade da luz; Capacidade de integração dos circuitos; Distância entre componentes de um circuito; Superaquecimento e custo de refrigeração Alternativas Alternativas para obtenção de computadores mais poderosos: 1. Avanços na tecnologia eletrônico-digital; 2. Aperfeiçoamento da arquitetura de computadores; 3. Utilização de vários processadores num único computador; 4. Interligação de computadores entre si (redes de computadores). 1
Situando Organização de Máquina Aperfeiçoamentos na Arquitetura de Computadores Arquitetura de Conjunto de Instrução Pipeline para diminuir a ociosidade da CPU no ciclo de instrução. Emissão de várias instruções para execução, em processamento superescalar. Melhor organização dos circuitos aritméticospara se obter muitos resultados intermediários simultâneos. Aperfeiçoamentos na Arquitetura de Computadores Situando Arquitetura de Conjunto de Instruções Organização de Máquinas Memória cache para melhorar as interações entre memória e CPU. Memória entrelaçada para aumentar a largura de banda do sistema de memória Utilização de processadores de entrada e saída em paralelo com a CPU, em multiprogramação e time sharing. Por que estudar Arquitetura de Computadores? Para entender melhor a estrutura e o funcionamento dos computadores Para entender as soluções de compromisso(tradeoffs) entre vários componentes Para entender melhor o impacto das tendências da tecnologia e forças de mercado sobre a evolução dos computadores Para aprender a utilizar técnicas de otimização de desempenho em sistemas computacionais (software ou hardware) Para estar apto a fazer projeto de sistemas embutidos e desenvolvimento de software embutido de modo mais eficiente, bem como melhores decisões de compra de hardware Computação: Um pouco de História... Pré-história Máquinas de Calcular Ábacos Chineses (há mais de 2000 anos) Calculadoras Mecânicas (Pascal e Leibniz) ~1650 História O computador mecânico de Charles Babbage A primeira programadora: Ada (~1840) 2
Mais um pouco de História O computador Eletrônico: Von Neumman (década de 40) Instruções na Memória (ao contrário de cartões perfurados) usado até hoje! Primeiros Computadores (por volta de 1945...) Z-1(alemão), Mark I (americano), ENIAC (americano, 500 multiplicações por segundo!) ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Calculator) Evolução De 1946 para cá, a tecnologia eletrônico-digital evoluiu muito e continua a evoluir: Relés eletro-mecânicos, válvulas eletrônicas, transistores, circuitos impressos, circuitos integrados (MSI, LSI, VLSI, ULSI), fibra ótica, supercondutividade, raio laser, troca de silício por arsenato de gálio, etc.. O ENIAC tinha 24 metros de extensão, algumas toneladas e capacidade de operar 500 multiplicações/segundo Um ipad 2 tem capacidade de 168.9MFLOPs e um iphone 33.3 MFLOPs Evolução da Unidades Funcionais Os primeiros micros só tinham hardware para somar e subtrair números inteiros. Multiplicação e divisão de inteiros e operações com números reais eram realizadas por software. Hoje essas últimas e outras funções tais como as trigonométricas, exponenciais e logarítmicas já são implementadas por hardware. Além disso esse hardware vem sendo aperfeiçoado. Os primeiros Microprocessadores O Intel 4004 foi o primeiro chip a conter todos os elementos de uma CPU. Fabricado em 1971, trazia ao mundo os microcomputadores. Somava números de 4 bits e a multiplicação era obtida por software, através de repetidas adições. O Intel 8008 foi o primeiro microprocessador de 8 bits; introduzido no mercado em 1972; duas vezes mais complexo que o 4004. Ambos processadores, o 4004 e o 8008, foram projetados para aplicações especificas. Os processadores x86 Intel 8088 e 8086 São os primeiros microprocessadores de 16 bits da Intel; lançados no mercado em 1978. Para aritmética de ponto-flutuante, existe o coprocessador 8087, opcional. Diferenças Básicas Barramento externo: do 8088, 8 bits; do 8086, 16 bits. Buffer de instruções: do 8088, 4 bytes, do 8086, 6 bytes. 3
Registradores no 8086 Modelo de Memória do 8086 Mais Processadores x86 Intel 80486: a partir de 1989 Uso de sofisticada tecnologia de memória cache e de pipelinede instruções; Coprocessador de ponto-flutuantepassou a ser incorporado ao processador principal. Pentium: a partir de 1992 Computador superescalar; Cache de instruções separada de cache de dados; Uso de tecnologia agressiva para reduzir os efeitos negativos das instruções de desvio condicional no desempenho superescalar; Core 2: a partir de 2006 Computadores com múltiplos núcleos: Duo, quad, extreme Registradores do Pentium e de seu ancestral o 8086 A arquitetura x86 Os cinco componentes clássicos de um Computador O x86 não é tão complexo assim ele só não faz muito sentido. (Mike Johnson, Líder de projeto do 80x86 na AMD, relatório de microprocessador (1994)) Por isso, durante a maior parte do curso estaremos utilizando processadores RISC como exemplos e como veremos a maior parte do sistemas embutidos utilizam processadores RISC 4
Organização Simples Exemplo de Arquitetura de um Computador Atual O Processador em Funcionamento: Executando Instruções Em linhas gerais, a execução de uma instrução pode ser dividida nas seguintes fases: 1. Recuperação do código da operação 2. Decodificação do código da operação 3. Recuperação dos operandos 4. Execução propriamente dita 5. Armazenamento dos resultados As fases que envolvem acesso à memória podem ser dez vezes mais lentas que as demais ou até mais lentas Um processsador é um Software implementado em Hardware! Tipos de Processadores segundo posição dos operandos e resultado Processadores com Acumulador: Operações envolvem um registrador especial e [em alguns casos] a memória. Processadores com Registradores de Propósito Geral: Os operandos podem estar em vários registradores ou mesmo na memória. Processadores de Pilha: instruções e operandos ficam armazenados em uma estrutura de dados do tipo Pilha na memória. Processadores com Acumulador Exemplo de Funcionamento de um Processador com Acumulador Processador com Acumulador: Um Caso Simples Comparação simples versus Processador com Registradores de Propósito Geral 5
Microprograma da CPU com Acumulador Exemplo de programa em Processador com Acumulador Pseudo-código: T1=F+G T1=(H-I)*T1 T2=E*F X=A+B X=((C-D)*X-T2)/T1 Equivalente a: ( C D)*( A + B) ( E * F) X = ( H I)*( F + G) Qual o código assembly correspondente? Acumulador x Registradores de Propósitos Gerais Pergunta... Considerando a seguinte divisão de fases: 1. Recuperação do código da operação 2. Decodificação do código da operação 3. Recuperação dos operandos 4. Execução propriamente dita 5. Armazenamento dos resultados Há algum problema intrínseco de desempenho na arquitetura com acumulador? Qual? Novos processadores As tarefas básicas ocorrem em todos os processadores: 1. Recuperação do código da operação 2. Decodificação do código da operação 3. Recuperação dos operandos 4. Execução propriamente dita 5. Armazenamento dos resultados Como isto é feito e/ou organizado muda (muito) principalmente por: DESEMPENHO Evolução dos desempenhos dos processadores 6
Como medir desempenho? Como se mede o impacto de um melhoria no desempenho de um computador? Clock? FLOPS? Desempenho (performance) deve ser medida através de um conjunto de tarefas executadas por unidade de tempo? Quanto maior melhor Desempenho deve ser medida pelo tempo gasto para realizar uma determinada tarefa? Quanto menor melhor Medidas de Desempenho Throughput: Número de tarefas concluídas por unidade de tempo. Por exemplo, instruções/segundo. MFLOPs, Mbps. Tempo de resposta (latência): Tempo consumido para executar uma determinada tarefa ou conjunto de tarefas Perguntas? Aumentar o throughput sempre melhora o tempo de resposta? Modelo Simples Produtor-Consumidor Diminuir o tempo de resposta sempre melhora o throughput? Latência (Tempo de Resposta): tempo médio para a conclusão de uma tarefa. Para minimizar: A fila deveria estar vazia O servidor deveria estar ocioso(idle) Modelo Simples Produtor-Consumidor Aumentando o Throughput Throughput ( Taxa de Finalização ): Número de tarefas concluídas por unidade de tempo Para maximizar: A fila nunca deveria estar vazia O servidor nunca deveria estar ocioso(idle) Em geral, throughput pode ser incrementado Colocando mais hardware (reduzindo latência relacionada a carga) Tempo de resposta é muito mais difícil de reduzir É preciso otimizar a arquitetura e/ou tecnologia de implementação 7
Aumento de Throughput X Tempo de Resposta Desempenho Estejamos preocupados com throughput ou latência, o mais importante é o tempo total de conclusão dos programas de interesse do usuário. O computador mais rápido é aquele que executa suas tarefas em menor tempo O fundamental é saber especificar quais as tarefas relevantes para aquele computador Definindo Desempenho Medindo o aumento de desempenho Considerando tempo de execução, temos: Desempenho(x)= 1/TempoExecução(X) Aumento de desempenho ocorrido, devido a uma melhoria E. Logo, dizer que X é n vezes mais rápido que Y, significa: ou, Desempenho( x) = n Desempenho( y) Tempo _ Execução( Y ) = n Tempo _ Execução( X ) Existem várias técnicas, componentes e meios de comunicação que podem ser alvo de aperfeiçoamentos. Por outro lado, existem também vários tipos de instruções quais devem ser melhoradas preferencialmente. O que deve ser priorizado para possível melhoria? Caso comum e a Lei de Amdahl Lei de Amdahl O ganho de desempenho possível de um dado melhoramento é limitado pela fração de tempo que a característica melhorada é usada. Suponha que um aperfeiçoamento ofereça um ganho de desempenho S para uma fração do tempo F. Qual o ganho de desempenho? 8