Infra-estrutura de Hardware. Conceitos Básicos de Arquitetura de Computadores. Motivação. Edna Barros

(1)

Cin - CENTRO DE INFORMÁTICA UFPE

GRECO

Infra-estrutura de Hardware

Edna Barros

GRECO - Grupo de Engenharia da Computação

Centro de Informática - UFPE

Cin - CENTRO DE INFORMÁTICA

UFPE

GRECO

Conceitos Básicos de Arquitetura

de Computadores

GRECO

Motivação

Porque é importante saber conceitos de

arquitetura/organização de computadores?

Revolução da Informação:

• Primeiro computador comercial no final anos 1940

• .... Multiprocessadores (SP2, Clusters,....)

• Número e complexidade crescente de aplicações:

– Caixas Eletrônicos

– Computadores em automóveis

– Laptops

– Projeto Genoma

– World Wide Web

Os computadores estão cada vez mais presentes

no nosso dia a dia....

(2)

UFPE

GRECO

Computadores no dia a dia...

Computadores estão

presentes nos mais diversos

equipamentos

UFPE

GRECO

No nosso dia a dia ....

Computadores no dia a dia...

UFPE

GRECO

E todos estes computadores/equipamentos podem

estar conectados em rede ....

Voz e Dados

GPS/AVL

Chamada

Terminais de

Dados

Rede

CDPD/GPRS

Centro de Dispatch

(3)

GRECO

Armazenamento e Processamento de

Informações....em um escritório

• Na mesa mantemos os

papéis que estamos

usando naquele

momento

• Completada uma tarefa,

pomos os papéis

alterados de volta no

fichário.

• Após o expediente, a

faxineira joga no lixo

tudo que está na mesa.

Pastas

Fichário

■

Como se dá o processamento

das informações?

• Informações que não tem uso

no momento ficam no fichário.

• A pasta sobre a mesa contém

cópias das informações que

precisaremos naquele dia.

GRECO

Fichário

Mesa

Pastas

3 timing & size

Information

2 timing & size

Information

1 Disco

_Memória

Unidade de

Controle (CPU)

Componentes de um Computador

■

O fichário representa o disco rígido, com alta capacidade de

armazenamento.

■

A pasta sobre a mesa representa a memória, de acesso rápido e fácil

■

Mesa e usuário são a CPU

■

OBS: Memória é volátil e disco não (faxineira)

UFPE

GRECO

(4)

GRECO

Abrindo o computador....

GRECO

Entrada/Saída Manual

Teclado

Mouse

Monitor de Vídeo

Joystick

Característica comum: baixa velocidade

UFPE

GRECO

(5)

UFPE

GRECO

Saída: Monitor de Vídeo

Tubo de raios

catódicos

Aumento da energia

dos elétrons

Aceleração

Colisão numa tela

de fósforo

Emissão de luz

Ponto luminoso

GRECO

Saída: Vídeo

Controle

• Densidade do fluxo

controlada por circuitos

adicionais

• Direção do feixe

controlada por campo

magnético

GRECO

Saída: Vídeo

Resolução

• Linhas: 1024

• Pontos por linha: 1280

• Resolução: 1.310.720

• 75 figuras/seg : 98.304.000 Bits/seg 100 MHz de largura de

Banda

• Intensidade

(6)

GRECO

Saída: Vídeo

Display de

cristal líquido

Matrix de pixels

Controle

Complexo

Tecnologia VLSI

GRECO

Unidade de Processamento

Placa Mãe

CPU

Memória

Disco rígido

Disco Flexível

GRECO

Placa Mãe

(7)

GRECO

O Processador

GRECO

Processador: PowerPC 750

GRECO

Processador: Tecnologia

Cooper

technology

(8)

GRECO

Processador: Tecnologia

Visão Parcial

GRECO

Processador: Tecnologia

Corte Transversal

GRECO

Processador Power-PC

(9)

GRECO

Processador

Memória

GRECO

Memória Vs. Armazenamento

O fichário representa o

disco rígido, com alta

capacidade de

armazenamento.

A pasta sobre a mesa

representa a memória, de

acesso rápido e fácil

Mesa e usuário são a

CPU

OBS: Memória é volátil e

disco não.

Fluxo de Dados

Pasta

Fichário

GRECO

Processador vs. memória

µProc

60%/ano..

DRAM

7%/ano..

1

10

100 1000

1

9

8

0

1

9

8

1

9

8

3

1

9

8

4

1

9

8

5

1

9

8

6

1

9

8

7

1

9

8

1

9

8

9

1

9

0

1

9

1

9

2

1

9

3

1

9

4

1

9

5

1

9

6

1

9

7

1

9

8

1

9

2

0

0 DRAM

CPU

1

9

8

2 Desemp. Proc-Mem:

(cresce 50% / ano)

D

e

s

e

m

p

e

n

h

o

(10)

UFPE

GRECO

Memória Principal Vs. Cache

O fichário representa o disco

rígido.

A pasta sobre a mesa

representa a memória

principal.

No quadro de avisos se

encontram informações que

podem ser acessadas de forma

muito rápida. O quadro

representa a

cache

.

Mesa e usuário são a CPU

Pasta

Quadro

Fichário

GRECO

Níveis de memória

Nível

1

2

3

4 Nome

Registrador

Cache

Memória

Principal

Secundária

Tamanho

< 1K

< 4 M

< 4 G

> 1 G

Tecnologia

BICMOS

SRAM

DRAM

Disco

Tempo de

acesso (ns)

2-5

3-10

80-400

5.000.000 Largura de

banda(MB/s)

4000-32.000

800-5000

400-2000

4-32

Gerência

Compilador

Hardware

S.O

S.O /

usuário

Copia em

Cache

Memória

Principal

Disco

Fita

GRECO

Processador

Memória

Discos

(11)

GRECO

Discos

36 Gbytes, 31/2”

GRECO

Platter

Track

Platters

Sectors

Tracks

Discos magnéticos

# discos: 1-15 (2 lados)

rotação: 3600 - 7200 rpm

diâmetro: 1-8 inch

# trilhas: 1000-5000

# setores: 64-200

setor: 512 bytes

GRECO

Discos / História

1973:

1. 7 Mbit/pol2

140 MBytes

1979:

7. 7 Mbit/pol2

2,300 MBytes

source: New York Times, 2/23/98, page C3,

(12)

GRECO

1

10

100 1000

10000

1970

1980

1990

2000

Year

A

re

a

l

D

e

n

s

it

y

Discos: história

1989:

63 Mbit/pol2

60,000 MBytes

1997:

1450 Mbit/pol2

2300 Mbytes

(2.5” diâmetro)

source: N.Y. Times, 2/23/98, page C3

1997:

3090 Mbit/p2.

8100 Mbytes

(3.5” diâmetro)

2000:

10,100

Mb/p2

25,000

MBytes

2000:

11,000

Mb/p2

73,400

MBytes

GRECO

Estado da Arte: Ultrastar 72ZX

• 73.4 GB, 3.5 inch disk

• 2¢/MB

• 16 MB track buffer

• 11 platters, 22 surfaces

• 15,110 cylinders

• 7 Gbit/sq. in. areal density

• 17 watts (idle)

• 0.1 ms controller time

• 5.3 ms avg. seek

(seek 1 track => 0.6 ms)

• 3 ms = 1/2 rotation

• 37 to 22 MB/s to media

source: www.ibm.com;

www.pricewatch.com; 2/14/00

GRECO

Discos: Limites

Capacidade crescente (60%/ano) and Taxa de

tranf. crescente (40%/ano)

Redução lenta do tempo de acesso (8%/ano)

Tempo para leitura completa:

Ano

Sequencial

Randômica

1990

4 minutos

6 horas

(13)

UFPE

GRECO

Discos: Estado da Arte

IBM microdrive para cameras digitais

• 340 Mbytes

Disco em 5 anos?

• building block: 2006

MicroDrive

– 9GB disk, 50 MB/sec

• 10,000 unidades em um rack

GRECO

Year

1000

10000

100000

1000000

10000000

100000000

1970

1975

1980

1985

1990

1995

2000

i80386

i4004

i8080

Pentium

i80486

i80286

i8086

Technologia: Capacidade de

Integração

2X transistores/Chip

A cada 1.5 anos

“Moore’s Law”:

Alpha 21264: 15 million

Pentium Pro: 5.5 million

PowerPC 620: 6.9 million

Alpha 21164: 9.3 million

Sparc Ultra: 5.2 million

Moore’s Law

GRECO

Technologia: Desempenho do

Processador

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97

DEC Alpha 21264/600

DEC Alpha 5/500

DEC Alpha 5/300

DEC Alpha 4/266

IBM POWER 100

DEC

AXP/

500 HP

9000/

750 Sun

-4/

260 IBM

RS/

6000

MIPS

M/

120 MIPS

M

2000

1.54X/yr

(14)

GRECO

Avanços na Tecnologia

Processador

• 2X velocidade a cada 1.5 ano; 1000X desempenho nos últimos

15 anos

Memória

• DRAM capacidade: 2x / 1.5 anos; 1000X tamanho nos últimos

15 anos

• Custo por bit: melhora 25% por ano

Disco

• capacidade: > 2X em tamanho a cada 1.5 ano

• Custo por bit: melhora em média 60% por ano

• 120X tamanho na última decada

UFPE

GRECO

Evolução dos Computadores

239.078.908 $4.400

47.846.890 $4.400

16.384

400.000.000

500

2 Intel

Ppro PC

200MHz

1996

16.122.356 $8.156

3.556.188 $7.400

16.384

50.000.000

500

2 HP9900

0 1991

240.000

166.000.000

330.000

500.000 1900

Desempenho

(adições por

seg.)

154.673 $4.081

42.105 $3.000

256

150

1 IBM-PC

1981

51.604 $8.459.712

21.842 $4.000.000

32.768

60.000

58 Cray-1

1976

13.135

318

1 Preço/perf

reaj.

$66.071

$4.140.257

$4.996.7499

Preço reaj.

10.855

263

1 Preço/Perf.

4

64

48 Memóri

a (KB)

$16.000

500

8 PDP-8

1965

$1.000.000

10.000

60 IBM/360

1964

$1.000.000

124.500 1000

UNIVA

C1

1951

Preço

Potência

Tama

nho

Nome

Ano

GRECO

Esforços em Arquitetura de Computadores

Arquiteturas

de Computador

Tecnologia

Linguagens de

Programação

Sistemas

Operacionais

História

Aplicações

(15)

GRECO

CPU

Mem.

I/O

Computer

Periféricos

Interconexão

Componentes de um

Computador: Hardware

GRECO

Computador: Hardware +

Software

GRECO

Computador: Hardware + Software

Coordenação de muitos níveis de abstração

I/O system

Processor

Aplicação (Netscape)

Repertório de

Instruções

Arquitetura

Memory

Hardware

Software

Sistema

Operacional

Windows

Compilador

Montador

Datapath & Control

Digital Design

Circuit Design

(16)

GRECO

Representação da Informação

Programa em

Linguagem de alto

nível (e.g., C)

Programa em

linguagem assembly

(e.g.,MIPS)

Programa em

linguagem de

Máquina (MIPS)

Hardware

Compilador

Montador

Interpretação

temp = v[k];

v[k] = v[k+1];

v[k+1] = temp;

lw$to, 0($2)

lw$t1, 4($2)

sw

$t1, 0($2)

sw

$t0, 4($2)

0000 1001 1100 0110 1010 1111 0101 1000

1010 1111 0101 1000 0000 1001 1100 0110

1100 0110 1010 1111 0101 1000 0000 1001

0101 1000 0000 1001 1100 0110 1010 1111

°

GRECO

swap(int v[], int k)

{int temp;

temp = v[k];

v[k] = v[k+1];

v[k+1] = temp;

}

swap:

muli $2, $5,4

add $2, $4,$2

lw $15, 0($2)

lw $16, 4($2)

sw $16, 0($2)

sw $15, 4($2)

jr $31

00000000101000010000000000011000

00000000100011100001100000100001

10001100011000100000000000000000

10001100111100100000000000000100

10101100111100100000000000000000

10101100011000100000000000000100

00000011111000000000000000001000

Binary machine

language

program

(for MIPS)

C compiler

Assembler

Assembly

language

program

(for MIPS)

High-level

language

program

(in C)

Representação

da Informação

GRECO

Compilação

Programa objeto

L0

Programa fonte

Ln

Compilador

(17)

GRECO

Interpretação

Instrução

Ln

Interpretador

Instrução

Ln-1

GRECO

Interpretação & Compilação

Interpretador

Instrução de máq.

_L0

Programa objeto

Lint

Programa fonte

Ln

Compilador

GRECO

Computador: Hardware e

Software

Hardware

S

ys

tem

s softw

_are

(18)

GRECO

Computador: Hardware e

Software

Aplicação

Sistema

Editores

Compiladores

Sistemas

operacionais

Montadores

Memória

virtual

Sistema de

arquivo

I/O device

drivers

gcc

as

...

GRECO

Interface entre hw e sw:

Repertório de Instruções:

Repertório de Instruções

software

hardware

GRECO

Como funciona um computador

Vídeo

Teclado

CPU

Execução das

instruções de um

programa

CPU

Execução das

instruções de um

programa

Memória

Programas

+

Dados

E/S

Buffers

(19)

UFPE

GRECO

Como funciona um computador

Vídeo

Teclado

Memória

Programas

+

Dados

E/S

Buffers

Reg

.

ALU

Endereço

Instrução

❏

Unid. processamento

❏

Unid. controle

Operando

temp

GRECO

Memória

0

15 sinal

Dado

Instrução

magnitude

0

3

15 Opcode

Endereço

4 0001

AC <- Mem.

0010

Mem. <- AC

0101

AC <- AC + Mem.

GRECO

Como funciona um computador?

Busca a próxima

instrução

Busca a próxima

instrução

Executa a

instrução

Executa a

instrução

Início

Término

(20)

GRECO

Executando um programa

1 9 4 0

5 9 4 1

2 9 4 1

0 0 0 3

0 0 0 2

3 0 0

1 9 4 0

3 0 0

9 4 1

9 4 0

3 0 2

3 0 1

PC (endereço)

AC (operando)

IR (Instrução)

Registradores da CPU

Memória

...

0001

AC <- Mem.

0010

Mem. <- AC

0101

AC <- AC + Mem.

GRECO

Executando um programa

1 9 4 0

5 9 4 1

2 9 4 1

0 0 0 3

0 0 0 2

3 0 0

1 9 4 0

3 0 0

9 4 1

9 4 0

3 0 2

3 0 1

PC

AC

IR

Registradores da CPU

Memória

...

0 0 0 3

0001

AC <- Mem.

0010

Mem. <- AC

0101

AC <- AC + Mem.

GRECO

Executando um programa

1 9 4 0

5 9 4 1

2 9 4 1

0 0 0 3

0 0 0 2

3 0 1

5 9 4 1

3 0 0

9 4 1

9 4 0

3 0 2

3 0 1

PC

AC

IR

Registradores da CPU

Memória

...

0 0 0 3

0001

AC <- Mem.

0010

Mem. <- AC

0101

AC <- AC + Mem.

(21)

GRECO

Executando um programa

1 9 4 0

5 9 4 1

2 9 4 1

0 0 0 3

0 0 0 2

3 0 1

5 9 4 1

3 0 0

9 4 1

9 4 0

3 0 2

3 0 1

PC

AC

IR

Registradores da CPU

Memória

...

0 0 0 5

16

2

5

3 +

=

0001

AC <- Mem.

0010

Mem. <- AC

0101

AC <- AC + Mem.

GRECO

Executando um programa

1 9 4 0

5 9 4 1

2 9 4 1

0 0 0 3

0 0 0 2

3 0 2

2 9 4 1

3 0 0

9 4 1

9 4 0

3 0 2

3 0 1

PC

AC

IR

Registradores da CPU

Memória

...

0 0 0 5

0001

AC <- Mem.

0010

Mem. <- AC

0101

AC <- AC + Mem.

GRECO

Executando um programa

1 9 4 0

5 9 4 1

2 9 4 1

0 0 0 3

0 0 0 5

3 0 2

2 9 4 1

3 0 0

9 4 1

9 4 0

3 0 2

3 0 1

PC

AC

IR

Registradores da CPU

Memória

...

0 0 0 5

0001

AC <- Mem.

0010

Mem. <- AC

0101

AC <- AC + Mem.

(22)

GRECO

Executando um programa

Busca instrução

Executa instrução

Busca operando

Decodifica instrução

Armazena resultado

Incrementa PC

GRECO

Arquitetura vs. Organização

Arquitetura

■

_{Estudo da CPU}

▲

Repertório de

instruções

▲

Tipos de Dados

▲

Acesso à

memória

▲

Conjunto de

registradores

Organização

■

Tecnologia de

memória

■

Interfaces

■

Implementação

das instruções

■

interconexões

GRECO

Programa

Introdução

Módulo 1:Conceitos Básicos de Arquitetura

e Projeto de uma CPU

– Conceitos Básicos de Arquitetura (6hs)

– Usando o simulador MIPS (2hs)

– Unidade de processamento e de controle (4hs)

– Projetando a via de Dados (8hs)

– Projetando a unidade de controle (8hs)

– Exercício Escolar e entrega de projeto (18/12)

(23)

UFPE

GRECO

Programa

Módulo 2: Projeto Eficiente de uma CPU

• Exceções (2hs)

• Pipeline

– Conceitos básicos (4hs)

– Otimizando implementações em Pipeline (4hs)

– Superescalares(2hs)

– Implementando uma CPU pipeline(18hs)

– Exercício Escolar e entrega de projeto (26/02/03)

Final (12/03/03)

GRECO

Monitores

Equipe:

• Viviane e outros

Acompanhamento de projetos

• Sala de aula

• Horário Extra

GRECO

Avaliação

Módulo 1:

• prova - 60%

• projeto - 40% (avaliação da equipe e avaliação

individual)

• Entrega de relatório

Módulo 2:

• prova - 60%

• projeto - 40 %

• Entrega de Relatório

(24)

GRECO

Bibliografia

VHDL - Mazor

Computer Organization and Design: The

Hardware/Software Interface: Hennessy

and Patterson

Contemporary Logic Design: Katz

Organização estruturada de computadores:

Tanenbaum

(25)

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