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?
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