ELECTRÓNICA DE COMPUTADORES. 1ª Aula. Introdução Sistemas Electrónicos de Computadores. Sumário

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Electrónica de Computadores EC 1.1 16-09-2008

ELECTRÓNICA DE COMPUTADORES

1ª Aula

Introdução

Sistemas Electrónicos de Computadores

Sumário

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Sistemas de computadores

• Os sistemas com computadores encontram-se amiúde • Pensamos imediatamente em computadores

– PC’s – Laptops – Mainframes – Servidores

• Mas há outro tipo de sistemas com computadores – Muito mais utilizados...

Electrónica de Computadores EC

1.4

Electrónica de computadores

• Sistemas computacionais embebidos

– Em dispositivos electrónicos de grande consumo – Milhares de milhões de unidades produzidas

anualmente

• Só milhões de computadores

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Sistemas Electrónicos embebidos

Anti-lock brakes Auto-focus cameras Automatic teller machines Automatic toll systems Automatic transmission Avionic systems Battery chargers Camcorders Cell phones Cell-phone base stations Cordless phones Cruise control Curbside check-in systems Digital cameras Disk drives Electronic card readers Electronic instruments Electronic toys/games Factory control Fax machines Fingerprint identifiers Home security systems Life-support systems Medical testing systems

Modems MPEG decoders Network cards Network switches/routers On-board navigation Pagers Photocopiers Point-of-sale systems Portable video games Printers Satellite phones Scanners Smart ovens/dishwashers Speech recognizers Stereo systems Teleconferencing systems Televisions Temperature controllers Theft tracking systems TV set-top boxes VCR’s, DVD players Video game consoles Video phones Washers and dryers

Sistemas Electrónicos Embebidos

• Funcionalidade simples

– Executa um único programa, repetidamente • Especificações apertadas

– Baixo custo, consumo de potência reduzido, rápido, …

• Reactivo e de tempo real

– Reage a alterações no ambiente envolvente

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Câmara digital

Microcontroller

CCD preprocessor Pixel coprocessor

A2D D2A

JPEG codec

DMA controller

Memory controller ISA bus interface UART LCD ctrl Display ctrl Multiplier/Accum Digital camera chip

lens CCD

Função única – câmara digital

Especificações – baixo custo e baixo consumo de potência, pequeno, rápido Reactivo – apenas numa pequena extensão

1.8

Métricas para avaliação de projecto

• Métricas para avaliação do projecto de sistemas

– Características mensuráveis associadas à

implementação de um sistema

– Optimizar as métricas é fundamental para o sucesso de um projecto

• Algumas das métricas mais usadas

– Custo NRE (Non-Recurring Engineering cost): custo do projecto do sistema

– Custo por unidade: custo de fabricação de uma cópia do sistema, exluindo o NRE

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Métricas para avaliação de projecto

– Desempenho: tempo de execução ou ritmo de processamento

– Potência: potência consumida pelo sistema

– Flexibilidade: inverso do custo NRE associado a alterações na funcionalidade do sistema

– Time-to-prototype: tempo gasto a desenvolver um protótipo do sistema

– Time-to-market: tempo gasto a desenvolver um sistema de forma a poder ser colocado no mercado

Métricas para avaliação de projecto

• Conhecimentos e experiência simultaneamente em

software (programação) e hardware (circuitos) são

indispensáveis para optimizar os parâmetros de pojecto

Microcontroller CCD preprocessor Pixel coprocessor

A2D D2A

JPEG codec DMA controller

Memory controller ISA bus interface UART LCD ctrl Display ctrl Multiplier/Accum Digital camera chip

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Time-to-market

• Janela de mercado

– Período durante o qual o producto/sistema tem a mais alta taxa de vendas

• time-to-market médio:8 meses

– Atrasos podem ser catastróficos

R et or no ( €) Tempo (meses) Electrónica de Computadores EC 1.12

Perdas devido a atrasos

• Modelo simplificado de retorno

– Vida do producto = 2W (Pico em W) – Área do triângulo = retorno

• Perdas

– Diferença entre as áreas dos triângulos com e sem atraso

Entrada Entrada no tempo atrasada

Valor máximo do retorno Valor máximo do retorno com entrada

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Perdas devido a atrasos

• Área = 1/2 * base * altura – A-tempo = 1/2 * 2W * W

– Atrasado = 1/2 * (W-D+W)*(W-D)

• % de perdas no retorno = (D(3W-D)/2W2_)*100%

• Exemplos:

– Tempo de vida2W=52sem atrasoD=4

– (4*(3*26 –4)/2*26^2) = 22%

– Tempo de vida2W=52sem atrasoD=10

(10*(3*26 –10)/2*26^2) = 50%

ATRASOS SAEM MUITO CAROS!!

NRE e métricas de custos

• Custo real:

– custo_total= NRE + custo_unidade * #unidades – custo real por unidade= custo_total / #unidades

= (NRE / #unidades) + custo_unidad

• Exemplo

– NRE= 2000 €, custo_unidade=100€ – Para 10 unidades

• Custo_total = 2000 + 10*100 = 3000€

• Custo real por unidade = 2000/10 + 100 = 300€

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Desempenho

• Medidas mais utilizada, mas não significa as melhores – Frequência de relógio (F) e CPI ou 1/CPI

– Exemplo da câmara digital – o importante é quão rápido as imagens são processadas e não F ou CPI

• Latência(Tempo de resposta)

– Tempo entre o início e o fim de uma tarefa • câmara digital – processa uma imagem em 100 ms

• Ritmo de processamento(Throughput)

– Nº de tarefas realizadas/s

• câmara digital – processa 50 imagens por segundo, o que significa que processa 5 imagens em paralelo

1.16

Factores tecnológicos

• Aceleração(Speedup) de B em relação a A

– S = throughput(B) / throughput (A) – S = latência (A) / latência (B)

• Para a optimização há três níveis fundamentais

– processadores – IC

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Tecnologia dos processadores

• Arquitectura do elemento computacional

– Processadores programáveis (general purpose) versus processadores especializados (DSP) versus processadores dedicados (single purpose)

Específico Registers Custom ALU Datapath Controller Program memory Assembly code for: total = 0 for i =1 to … Control logic and State register Data memory IR PC Single-purpose (“hardware”) Datapath Controller Control logic State register Data memory index total + IR PC Register file General ALU Datapath Controller Program memory Assembly code for: total = 0 for i =1 to … Control logic and State register Data memory General-purpose(“software”) Reduzido time-to-market e NRE

elevada flexibibilidade Rápido, baixo consumo e _pequeno

Tecnologia dos processadores

total = 0

for i = 1 to N loop total += M[i] end loop

General-purpose Especializado Single-purpose

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Tecnologia dos IC

• Implementação em IC do circuito, ao nível das portas lógicas e das respectivas interligações

– Tecnologias IC diferem pelo nível a que os desenhos são talhadas para as aplicações

• Full-custom/VLSI

• Semi-custom/ASIC (gate array e standard cell)

• Programmable Logic Device (PLD) e Field Programmable

Gate Array(FPGA)

1.20

Tecnologia dos IC

– IC’s são fabricados com um número elevado de camadas (mais de 10)

• Full Custom/VLSI

– Todas as camadas são optimizadas para a implementação dum circuito digital em particular

• Localização e dimensionamento dos transistors e o

routing

source channel drain oxide

gate

Silicon substrate

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Tecnologia dos IC

• Semi-custom/ASIC

– Apenas o routing é feito manualmente, e eventualmente a localização de alguns blocos • Programmable Logic Device (PLD) e Field

Programmable Gate Array(FPGA)

– Ligações no IC são criadas, destruídas ou

configuradas de forma a implementar a

funcionalidade desejada

– Field-Programmable Gate Array (FPGA) são dispositivos muito usados, fundamentalmente para prototipagem!

Lei de Moore

• Previsão em 1965 de Gordon Moore (co-fundador da Intel) para a evolução da capacidade dos circuitos electrónicos

IC transistor capacity has doubled roughly every 18 months for the past several decades

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Lei de Moore

1981 1984 1987 1990 1993 1996 1999 2002 10,000 transistores Leading edge chip in 2002 150,000,000 transistores

• A duplicação a este ritmo leva a um crescimento acelerado! – Um IC em 2002 pode albergar 15.000 ICs dos desenvolvidos

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Tecnologia de projecto

Libraries/IP:Incorporates pre-designed implementation from lower abstraction level into higher level. System specification Behavioral specification RT specification Logic specification To final implementation Compilation/Synthesis:

Automates exploration and insertion of implementation details for lower level.

Test/Verification:Ensures correct functionality at each level, thus reducing costly iterations between levels. Compilation/ Synthesis Libraries/ IP Test/ Verification System synthesis Behavior synthesis RT synthesis Logic synthesis Hw/Sw/ OS Cores RT components Gates/ Cells Model simulat./ checkers Hw-Sw cosimulators HDL simulators Gate simulators

• Forma de converter uma descrição de alto nível numa implementação

Tecnologia de projecto

• Tecnologias de projecto de hardware e de software muito diferentes • A recente maturação de ferramentas de síntese permite uma visão

unificada do hardware e do software

Implementation Assembly instructions Machine instructions Register transfers Compilers (1960's,1970's) Assemblers, linkers (1950's, 1960's) Behavioral synthesis (1990's) RT synthesis (1980's, 1990's) Logic synthesis (1970's, 1980's) Microprocessor plus program bits: “software”

VLSI, ASIC, or PLD implementation: “hardware”

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Tecnologia: Processadores ICs são independentes

Processador

de uso-geral ASIP Processador dedicado

Semi-custom

PLD Full-custom

Consumo Desempenho

Dimensão custo (grande volume) Flexibilidade

NRE Time- to-prototype

Time-to-market custo (pequeno volume)

1.28

Conclusões

• Sistemas e electrónica de computadores encontram-se actualmente em todos os dispositivos e productos • Métricas e parâmetros de projecto

– Compromissos a estabelecer • Tecnologias

– Processador: general-purpose, especializado e dedicado

– IC: Full-custom, semi-custom, FPGA

– Projecto: Compilação/síntese, bibliotecas/IP,