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Arquitetura de Computadores

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Academic year: 2021

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(1)

Arquitetura de Computadores

Prof. Eduardo Simões de Albuquerque

Adaptado do material do Prof. Fábio M. Costa

Instituto de Informática – UFG

1o. Semestre / 2006

Fundamentos

Roteiro

„

Fundamentos

{

Princípios de funcionamento de computadores

{

Perspectiva histórica

{

Tendências tecnológicas

{

Panorama das tecnologias atuais

{

Princípios de projeto de computadores

{

Análise do desempenho de computadores

(2)

Princípios do funcionamento

de computadores

„

Estrutura e função de um sistema de

computação

{

Estrutura

: quais os componentes e

como eles estão relacionados

{

Função

: operação de componentes

individuais como parte da estrutura

Função

„

Processamento de dados

„

Armazenamento de dados

„

Movimentação de dados

(3)

Visão funcional

(4)

Armazenamento

Processamento /

Armazenamento

(5)

Processamento/

Armazenamento / E/S

Estrutura – visão de alto nível

Computer Main Memory Input Output Systems Interconnection Peripherals Communication lines Central Processing Unit Computer

(6)

Estrutura – CPU

Computer Arithmetic and Login Unit Control Unit Internal CPU Interconnection Registers CPU I/O Memory System Bus CPU

Estrutura – Unidade de

Controle

CPU Control Memory Control Unit Registers and Decoders Sequencing Login Control Unit AL U Registers Internal Bus Control Unit

(7)

Perspectiva Histórica

Gerações de Computadores

„

Geração Zero (1642-1945):

{

computadores mecânicos e eletromecânicos

{

Pascal, Babage, Zuse, Atanasoff, Stibbitz, Aiken

„

Primeira Geração (1945-1955):

{

eletrônica baseada em válvulas

{

Colossus, ENIAC, EDVAC, IAS, EDSAC, IBM 70x

{

Turing, Mauchly & Eckert, Wilkes, von Neuman

{

memórias de ferrite (núcleo magnético)

{

design típico: máquina de von Neuman

(8)

ENIAC

„

decimal (não binary)

„

20 acumuladores de 10 dígitos

„

programado manualmente por chaves

„

18.000 válvulas

„

peso: 30 toneladas

„

ocupava uma área de aprox. 1200m

2 „

consumo de energia: 140 kW

„

desempenho: 5000 adições por segundo

A arquitetura de von Neumann

(9)

Exemplo concreto: IAS

„

1000 palavras de 40 bits

{

Representação binária para os dados

{

2 instruções de 20 bits por palavra

„

Conjunto de registradores (armaz. na CPU)

{

Memory Buffer Register

{

Memory Address Register

{

Instruction Register

{

Instruction Buffer Register

{

Program Counter

{

Accumulator

{

Multiplier Quotient

(10)

Estrutura

do IAS

A segunda geração (1955-65)

„

transistor

„

mainframes: IBM 7090, 7094, Burroughs

B5000

„

minicomputadores: DEC PDP-1, PDP-8

„

primeiro supercomputador: CDC 6600 –

{

paralelismo

{

Seymour Cray

(11)

Arquiteturas com barramento

compartilhado

Terceira Geração (1965-80):

„

circuitos integrados

„

famílias de computadores com uma arquitetura

comum (em nível ISA) e ≠s implementações

{

IBM System/360

{

compatibilidade entre máquinas diferentes

„

multiprogramação

„

emulação de outras máquinas através de

microprogramas distintos para cada arquitetura

(12)

Quarta (...) Geração (1980-????)

„

VLSI (Very Large Scale Integration)

„

primeiro microchip: Intel 4004 (1971) – LSI

„

sucessores Intel: 8080, 8086, 8088, 80x86, Pentiums

„

não-Intel: Z80, Z8000, 68000, SPARC, PowerPC,...

„

micro-computadores: Apple II, IBM PC, ...

„

estações de trabalho: Sun, DEC Alpha, ...

„

evolução em supercomputadores, paralelismo

„

interconexão em redes, clusters, grid, …

„

dispositivos computacionais embarcados, etc., etc....

Em resumo:

„

Vacuum tube - 1946-1957

„

Transistor - 1958-1964

„

Small scale integration - 1965 on

{

Up to 100 devices on a chip

„

Medium scale integration - to 1971

{

100-3,000 devices on a chip

„

Large scale integration - 1971-1977

{

3,000 - 100,000 devices on a chip

„

Very large scale integration - 1978 to date

{

100,000 - 100,000,000 devices on a chip

„

Ultra large scale integration

(13)

Espectro da computação

(14)

Influências

Computer Architecture

Tecnologia

Linguagens de

Programação

Sistemas

Operacionais

História

Aplicações

Lei de Moore

„ Aumento da densidade de componentes em chips „ Gordon Moore– co-fundador da Intel

O número de transistores em um chip dobra a cada ano

„ Desde os anos 1970 houve uma desaceleração

{ O número de transistores dobra a cada 18 meses

„ O custo de um chip permanece inalterado

„ Densidade mais alta representa circuitos de interconexao mais curtos: melhor desempenho

„ Tamanho menor: maior flexibilidade

„ Menor consumo e necessidade de resfriamento „ Menos interconexoes: aumenta a confiabilidade

(15)

Contagem de transistores em CPUs

(16)

A Lei de Moore na Intel

Processador Ano Núm. de Transistores

---4004 1971 2,250 8008 1972 2,500 8080 1974 5,000 8086 1978 29,000 286 1982 120,000 Intel386 processor 1985 275,000 Intel486 processor 1989 1,180,000

Intel® Pentium® processor 1993 3,100,000 Intel® Pentium® II processor 1997 7,500,000 Intel® Pentium® III processor 1999 24,000,000 Intel® Pentium® 4 processor 2000 42,000,000 Intel® Itanium® processor 2002 220,000,000 Intel® Itanium® 2 processor 2003 410,000,000

(17)

Contagem de transistores

„

Atualmente:

{

Tecnologia de 65nm: 0,5 bilhão de

transistores em um chip

Fonte: Intel

Mais informações e demo sobre a lei de Moore (Intel): http://www.intel.com/technology/silicon/mooreslaw/index.htm

Outros fatores que afetam o

desempenho: novas técnicas

„

Pipelining

„

Cache dentro do processador

„

Caches de nível 1 e 2

„

Previsão de desvios

„

Análise de fluxo de dados

(18)

Desempenho:

Processador X Memória

„

Grande aumento da velocidade dos

processadores

„

Grande aumento na capacidade de

armazenamento das memórias

„

Mas:

{

A velocidade de acesso à memória não

acompanhou o desenvolvimento da

tecnologia de processadores

Características de DRAMs e

Processadores

(19)

Soluções

„

Aumentar o numero de bits lidos/escritos de

uma vez

{

i.e., aumentar “largura” da memória

„

Melhorar a interface com a memória: caches

„

Reduzir a freqüência dos acessos

{

caches mais complexas, dentro do chip da

CPU

„

Aumentar a largura de banda da interconexão

{

Barramentos de alta velocidade e hierárquicos

Tendências: Aumento relativo

de desempenho

Microprocessors Minicomputers Mainframes Supercomputers 1995 Year 1990 1970 1975 1980 1985 Lo g of Perf orma nce

(20)

Melhorias de Desempenho:

Freqüência (clock) X Arquitetura

Fonte: Intel

Explorando o paralelismo em

um chip

(21)

Exemplo: Evolução do Pentium

„ 8080

{ primeiro microprocessador de propósito geral { via de dados (barramento interno) de 8 bits { Usado no primeiro computador pessoal – Altair

„ 8086

{ bem mais poderoso { 16 bits

{ cache de instruções, pré-busca de algumas instruções

{ 8088: (barramento externo de 8 bits) usado no primeiro IBM PC

„ 80286

{ 16 Mbytes de memória endereçável

„ 80386

{ 32 bits

{ Suporte para multi-tarefa

Exemplo: Evolução do Pentium

„

80486

{ esquema de caches sofisticado { pipeline de instruções

{ co-processador matemático embutido no chip

„

Pentium

{ super-escalar

{ múltiplas instruções executadas em paralelo

„

Pentium Pro

{ organização super-escalar aprimorada

{ técnica agressiva de renomeação de registradores (…) { previsão de desvios, análise de fluxo de dados, execução

(22)

Exemplo: Evolução do Pentium

„ Pentium II

{ tecnologia MMX (MultiMedia eXtensions) { processamento gráfico e de áudio & vídeo

„ Pentium III

{ instruções de ponto flutuante adicionais para gráficos 3D

„ Pentium 4

{ mais melhorias de ponto flutuante e multimídia

{ mais paralelismo (2005: “dual core” - dois procs. em um)

„ Itanium

{ 64 bits (IA-64)

„ Exercício:

{ Veja as páginas Web da Intel para mais detalhes

„ http://www.intel.com/intel/intelis/museum/online/hist_micro/hof/index.htm

Panorama das Tecnologias

Atuais de Processadores

(23)

Pentium 4

„

Clock: 2 a 3,8GHz

„

Tecnologia de integração: 0,90µm (2Q05: 65nm)

„

Barramento do sistema: até 1066MHz (real: 266MHz)

„

Hyper-pipelining & Hyper-Threading

„

Unidade de ponto flutuante de 128bits

„

Cache nível 2 de até 2MB, integrada

„

SIMD2 (1 fluxo de instruções, vários fluxos de dados)

„

P4 Extreme Edition (3,8 GHz)

{ otimizado para jogos, aplicações gráficas e multimídia de alto

desempenho

„ 2005: Extensão de 64bits para acesso a memória

(24)

Celeron D

„

Clock: 2,26MHz a 3,06GHz

„

Barramento do sistema: 533MHz

„

Cache nível 2: 256KB

„

SIMD, execução especulativa, análise

de fluxo de dados

„

Barramento interno dual (via da cache

separada da via principal de dados)

„

Segmento de baixo custo

Pentium M

®

„

Clock: 1,5MHz a 2,13GHz

„

Projetado para vários níveis de operação em

baixo consumo de energia (com taxas de clock

reduzidas) – SpeedStep

„

Até 2MB de cache de nível 2, integrada no chip

„

Barramento do sistema: 533MHz

„

Tamanho reduzido

„

Otimizado para computação móvel

{

Tecnologia Centrino:

(25)

Itanium2

„

Arquitetura de 64bits (IA-64)

„

Voltado para o mercado de servidores

„

Clock: 1,0 a 1,6GHz

„

Caches integradas no chip

{

L1: 32KB

{

L2: 256KB

{

L3: até 9MB

„

Paralelismo interno explícito (EPIC)

„

Barramento do sistema: até 533MHz,

128bits

Xeon MP

„

Também voltado para o mercado de

servidores

„

Clock: 1,4 a 3,6GHz

„

Arquitetura NetBurst (mesma do P4)

„

SIMD2, Hyper Threading

„

3 níveis de caches integradas

{

L2: até 2MB; L3: até 4MB

„

Barramento dual de memória

(26)

AMD

UltraSPARC IV

„

Sun Microsystems

„

Multi-threading com 2 pipelines UltraSPARC III no

mesmo chip

„

Super-escalar

„

64 bits

„

66M transitores

„

Clock: 1,05 a 1,2GHz

„

Caches

{ nível 1: uma por pipeline (64KB dados, 32KB instruções { nível 2: 16MB externa ao chip

(27)

PowerPC (IBM)

DSPs – Digital Signal

Processors

„ Conversão entre sinais analógicos em sinais digitais „ Processamento dos sinais em tempo real

„ Algumas aplicações:

{ sensores em automóveis, eletrodomésticos, ferramentas, etc. { processamento de voz em telefones celulares

{ video e imagem (câmeras digitais) { aviônica

{ biométrica

„ Requisitos e arquiteturas diferentes dos processadores de propósito geral

„ Mais Informações: Texas Instruments

{ http://dspvillage.ti.com/

(28)

DSPs – Digital Signal

Processors

Fonte: Texas Instruments

Leitura Recomendada

STALLINGS, W. Arquitetura e

Organização de Computadores,

Tradução da 5ª Edição, Prentice-Hall, 2002.

Cap. 1 e 2

PATTERSON, D.A.; HENNESSY, J.L. Projeto e Organização de

Computadores: A Interface

Hardware / Software, Tradução da

2a Edição, LTC, 2000.

Cap. 1

TANENBAUM, A.S. Organização

Estruturada de Computadores,

Tradução da 4a Edição, LTC, 2001.

(29)

Recursos na Internet

„

Intel: http://www.intel.com/

{

Intel Museum:

http://www.intel.com/intel/intelis/museum/index.htm „

IBM: http://www.ibm.com

„

PowerPC

{ http://www-03.ibm.com/chips/products/powerpc/

„

The History of Computing Project

Referências

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