ARQUITECTURA DE COMPUTADORAS

Unidad 1: Diseo y Rendimiento del Procesador

Profesor: Freddy Enriquez Caballero

SESION 2

OBJETIVOS

El objetivo de esta sesin es conocer el diseo y rendimiento de procesador del computador.

Indice

Resumen : Diagrama del procesador Tema 2 : Introduccin a los computadores Unidades funcionales bsicas Organizacin estructural de un computador Evolucin del Software Evolucin del Hardware Medidas de Rendimiento

Tema 2: Parte2

Resumen: Aplicaciones

Aplicaciones: Diagnosis e investigacin mdica Prtesis e implantes Control de vehculos, de produccin Entretenimiento Prediccin del tiempo, terremotos Anlisis aerodinmico Anlisis molecular Fsica nuclear Oceanografa Exploracin petrolfera Militar / defensa Socio-economa Inteligencia Artificial

Clasificacin

Procesador: Trmino genrico Microprocesador(P): Procesador dentro de un chip de silicio, de propsito general. Ejemplos: familia i80x86(Pentium), AMD, PowerPC... Microcontrolador(C): Diseado para sistemas empotrados, integra ms elementos. Tpicamente: CPU + memoria + perifricos. Ejemplos: 8051, familiaMotorola HCxx, Zilog, ARM Digital signal processor(DSP): Optimizado para aplicaciones de procesamiento de seal discreta en el tiempo. Ejemplos: TI's320Cxx, series deMotorola 5600x, dsPIC

Han evolucionado en: Encapsulamiento Velocidad Capacidad

Resumen: La Arquitectura del Microprocesador

Arquitectura del Microprocesador - Diseo

Registros de propsito general Registros de ndice Registros de segmento y Registro de comunicacin de

instrucciones Lgica del control Cola de instrucciones.

ALU (Unidad Aritmtico-Lgica) Bus de direcciones Bus de datos Bus de control F: Registros de bandera (Flags).

Unidades funcionales bsicas Arquitectura: Tipos

Familia de arquitectura de computadoras que utilizan la memoria tanto para instrucciones como para los datos

Unidades funcionales bsicas Arquitectura: Tipos

Familia de arquitectura de computadoras que utilizan una memoria para instrucciones y otra para datos

Arquitectura Harvard

Arquitectura: Comparaciones

Instrucciones: El Ciclo de Instruccin

Bsqueda de Instruccin

Decodificacin de la Instruccin

Bsqueda de Operandos

Ejecucin de la Instruccin

Almacenamiento de Resultados

Un ciclo de instruccin : Tambin llamado ciclo de fetch-and-execute en ingls (busqueda y ejecucin) es el perodo que tarda la unidad central de proceso (CPU) en ejecutar una instruccin de lenguaje mquina.

Instrucciones : El Ciclo de Instruccin

Instrucciones : Tipos de Instrucciones

Dependiendo de cmo el procesador almacena los Operandos de las instrucciones de la CPU, existen tres tipos de juegos de instrucciones: Juego de instrucciones para arquitecturas basadas en pilas. Juego de instrucciones para arquitecturas basadas en acumulador. Juego de instrucciones para arquitecturas basadas en registros.

Las arquitecturas RISC y CISC son ejemplos de CPU con un conjunto de instrucciones para arquitecturas basadas en registros.

Instrucciones : CISC

CISC (Complex Instruction Set Computer - Computador con Conjunto de Instrucciones Complejas). Tienen un conjunto de instrucciones que se caracteriza por ser muy amplio y permitir operaciones complejas entre Operandos situados en la memoria o en los registros internos, en contraposicin a la arquitectura RISC.

Este tipo de arquitectura dificulta el paralelismo entre instrucciones, por lo que, en la actualidad, la mayora de los sistemas CISC de alto rendimiento implementan un sistema que convierte dichas instrucciones complejas en varias instrucciones simples del tipo RISC, llamadas generalmente microinstrucciones

Multiples nodos

Direccionamientos directos e indirectos

Predominio de instrucciones con 2 operandos

Soporte entre 0 a mas operandos

Instrucciones mltiples a ciclos de reloj

Antes de ejecutar procesos primero se busca en memoria

Instrucciones de Longitud variable

Dependiendo del modo de direccionamiento

Instrucciones : CISC

Unidad de Bsqueda de Instrucciones

Unidad de decodificacin

de instrucciones

Unidad de Operandos

ALU-LOAD-STORE-PUNTO

FLOTANTE

Unidad de estructura de

datos

Como funciona:

Instrucciones : RISC

RISC (Reduced Instruction Set Computer - Computador con Conjunto de Instrucciones Reducidas) es un tipo de diseo de CPU con las siguientes caractersticas fundamentales:

1 Pequeo conjunto de instrucciones

2 Instrucciones simples

3 Instrucciones de Longitud fija

4 Predominan instrucciones que se ejecutan en un ciclo

5 Procedimiento de segmentaciones para mltiples instrucciones

Adems estos procesadores suelen disponer de muchos registros de propsito general. Las mquinas RISC protagonizan la tendencia actual de construccin de microprocesadores PowerPC DEC Alpha, MIPS, ARM, SPARC son ejemplos de algunos de ellos.

Instrucciones : RISC

Unidad de Busqueda de Instrucciones

Unidad de Busqueda de Operandos

ALU-LOAD-STORE-PUNTO

FLOTANTE

Unidad de Estructura de

datos

Como funciona:

Instrucciones : CISC vs RISC

Instrucciones : Repertorio de Instrucciones

Las instrucciones soportan la siguiente clasificacin

Instrucciones : Repertorio de Instrucciones

Parte 2: Medidas de Rendimiento

Repertorio de Instrucciones (InstructionSet ArchitectureISA-)

Algoritmo- Codificacin- Compilador- Sistema Operativ

InstructionSet (ISA)(CISC-orRISC-like)

MemoryOrganization

Microarchitectural Internal Parallelism (execute instructions simultaneo usly)

Technology circuit design Microarchitecture Design (pipelining degree)

Throughput(productividad)

Y: 3.20 programas/hora X: 2.3 programas/hora Y es N veces ms rpido que X N es Speedup(mejora):

P.Un microp. multi-core con dos procesadores Y, que ejecute dos programas a la vez qu productividad consigue y cul es el tiempo de respuesta?

Throughput(el doble): Y: 3.20 2 = 6.4 programas/hora Tiempo de respuesta (el mismo): Y: 1 / 3.2 = 0.3125 horas

Throughput = 1 Programa . Tiempo de CPU

N= Throughput (y) = Tiempo de CPU (Y) = 1.39 . Throughput (X) Tiempo de CPU (X)

Parte 2: Medidas de Rendimiento

Problema Ejemplo (1)

Procesador A:2,5 GHz, 0,4 instrucciones/ciclo (CPI) , el recuento de instrucciones es: 100 mil millones Procesador B: Tiempo de ciclo = 0,5 ns, CPI medio = 2, recuento de instrucciones un 15% mayor Tiempo de ejecucin y productividad en A y B? Mejora(speedup) de A respecto a B?

Participacin

Parte 2: Medidas de Rendimiento

Parte 2: Medidas de Rendimiento

CPI: DESCOMPOSICION EN TIPOS

Parte 2: Medidas de Rendimiento

Que Operaciones consume mas tiempo el programa?

CPI: Como Herramienta analtica de Diseo

Parte 2: Medidas de Rendimiento

Que Operaciones consume mas tiempo el programa?

LEY DE AMDAHL

Si la operacin de multiplicar se acelera 2.5 veces y el tiempo para el resto de instrucciones no se modifica, cul es la mejora (speedup) total obtenida?