FUNDAMENTOS DEL DISEÑO DE COMPUTADORASfsantiag/ArqComputadoras/01_Fundamentos.pdf · de los chips...

FUNDAMENTOS DEL DISEÑO DE COMPUTADORAS

M. C. Felipe Santiago Espinosa

Marzo/2018

Maestría en ElectrónicaArquitectura de Computadoras

Unidad 1

1.1 TerminologyArchitecture & Organization 1

n Architecture is those attributes visible to the programmer (some times called ISA: Instruction Set Architecture)n Instruction set, number of bits used for data

representation, I/O mechanisms, addressing techniques.n The hardware/software interfacen e.g. Is there a multiply instruction?

n Organization is how features are implementedn Control signals, interfaces, memory technology.n e.g. Is there a hardware multiply unit or is it done by

repeated addition?

- Arquitectura de Computadoras - 2

Architecture & Organization 2

n All Intel x86 family share the same basic architecture

n The IBM System/370 family share the same basic architecture

n This gives code compatibilityn At least backwards

n Organization differs between different versions


1.2 Structure & Function

n Structure is the way in which components relate to each other

n Function is the operation of individual components as part of the structure


1.2.1 Function

n All computer functions are:n Data processingn Data storagen Data movementn Control


Functional View


Operations (a) Data movement


Operations (b) Storage


Operation (c) Processing from/to storage


Operation (d) Processing from storage to I/O


1.2.2 Structure - Top Level

Computer

Main Memory

InputOutput

SystemsInterconnection

Peripherals

Communicationlines

CentralProcessing Unit

Computer


Structure - The CPU

Computer Arithmeticand Login Unit

ControlUnit

Internal CPUInterconnection

Registers

CPU

I/O

Memory

SystemBus

CPU


Structure - The Control Unit

CPU

ControlMemory

Control Unit Registers and Decoders

SequencingLogin

ControlUnit

ALU

Registers

InternalBus

Control Unit


1.3 Evolución y tendencias

n La ley de Moore fue ideada por el co-fundador de Intel, Gordon E. Moore.

n Se trata de predicción simple: cada dos años la cantidad de transistores en un circuito integrado se multiplicará por dos.

n Básicamente es una ley que predice la potencia de los chips del futuro, indica qué podemos esperar de los fabricantes.

n Esta ley fue escrita en 1965, hace mas de 50 años.n ¿Se ha cumplido?…



Año Transistores1971 23001973 46001975 92001977 184001979 368001981 736001983 1472001985 2944001987 5888001989 11776001991 23552001993 47104001995 94208001997 188416001999 376832002001 753664002003 1507328002005 3014656002007 6029312002009 12058624002011 24117248002013 4823449600

Ley de Moore

Análisis

n La ley de Moore está límitada por la tecnología, en dispositivos basados en silicio se han alcanzado las escalas máximas de integración.

n El rendimiento en los sistemas de cómputo modernos se debe a:n La ejecución paralela en los procesadores.n Jerarquías de Memoria.n Sistemas multiprocesadores.


Evolución de las computadoras


Evoluciónde las

computadoras


Revolución de las computadoras

n El progreso en la tecnología en las computadorasn Sustentado por la Ley de Moore

n Ha hecho factible aplicaciones novedosasn Computadoras en automóvilesn Teléfonos inteligentes

n Cómputo intensivo: n Proyecto del Genoma Humanon World Wide Webn Motores de búsqueda

n Las computadoras son omnipresentes


Clases de Computadoras

n Computadoras personales:n Propósito general, variedad de softwaren Importante la relación costo/rendimiento

n Servidoresn Basados en redn Alta capacidad, rendimiento y confiabilidadn En un rango desde pequeños servidores hasta sistemas

que ocupan un edificio


Clases de Computadoras

n Supercomputadorasn Cálculos científicos y de ingeniería de alta gaman La capacidad más alta pero representa una pequeña

fracción del mercado general de computadoras

n Computadoras embebidasn Ocultas como componentes de sistemasn Restricciones estrictas de potencia/rendimiento/costo


La era PostPC


La era PostPC

- Arquitectura de Computadoras -

n Dispositivos Móviles Personales (PMD)n Operados con bateríasn Se conectan a internetn Cientos de dólaresn Teléfonos inteligentes, tabletas, smart-devices

n Cómputo en la nuben Computadoras a Escala de Almacen (WSC)n Software como un Servicio (SaaS)n Una porción del software corre en un PMD y otra

porción en la nuben Amazon y Google

27

1.4 Componentes de una Computadoran Sin importar la clase, las computadoras tienen componentes

comunesn Escritorio, servidores, embebidas

n Cinco componentes:n Procesador: Camino de datos & Controln Memorian Entrada & Salida

n Entrada/salida incluyen Dispositivos de interfaz de usuario

n Display, keyboard, mousen Dispositivos de almacenamiento

n Hard disk, CD/DVD, flashn Adaptadores de red

n Para la comunicación con otras computadoras



n El procesador obtiene instrucciones y datos de la memoria.n Los dispositivos de entrada escriben datos en la memoria y

los de salida leen datos desde la memoria.n El control envía las señales que determinan las operaciones

del camino de datos, memoria, entrada y salida.

¿Qué determina el rendimiento de una computadora?

n Algoritmon Determina el número de operaciones a ejecutar

n Lenguaje de programación, compilador, arquitecturan Determinan el número de instrucciones a nivel máquina ejecutadas

por operaciónn Procesador y sistema de memoria

n Determinan que tan rápido se ejecutan las instruccionesn Sistema I/O (incluyendo OS)

n Determinan que tan rápido se ejecutan las operaciones I/O

30- Arquitectura de Computadoras -

1.5 Generations of Computer

ENIAC - backgroundn Electronic Numerical Integrator And Computern Eckert and Mauchlyn University of Pennsylvanian Trajectory tables for weapons n Started 1943n Finished 1946

n Too late for war effortn Used until 1955

31

ENIAC - details

n Decimal (not binary)n 20 accumulators of 10 digitsn Programmed manually by switchesn 18,000 vacuum tubesn 30 tonsn 15,000 square feetn 140 kW power consumptionn 5,000 additions per second

32

von Neumann/Turing

n Stored Program conceptn Main memory storing programs and datan ALU operating on binary datan Control unit interpreting instructions from memory

and executingn Input and output equipment operated by control

unitn Princeton Institute for Advanced Studies

n IASn Completed 1952

33

Structure of von Neumann machine

34

IAS - detailsn 1000 x 40 bit words

n Binary numbern 2 x 20 bit instructions

n Set of registers (storage in CPU)n Memory Buffer Registern Memory Address Registern Instruction Registern Instruction Buffer Registern Program Countern Accumulatorn Multiplier Quotient

35

Commercial Computersn 1947 - Eckert-Mauchly Computer Corporationn UNIVAC I (Universal Automatic Computer)n US Bureau of Census 1950 calculationsn Became part of Sperry-Rand Corporationn Late 1950s - UNIVAC II

n Fastern More memory

36

IBMn Punched-card processing equipmentn 1953 - the 701

n IBM’s first stored program computern Scientific calculations

n 1955 - the 702n Business applications

n Lead to 700/7000 series

37

Transistorsn Replaced vacuum tubesn Smallern Cheapern Less heat dissipationn Solid State devicen Made from Silicon (Sand)n Invented 1947 at Bell Labsn William Shockley et al.

38

Transistor Based Computersn Second generation machinesn NCR & RCA produced small transistor machinesn IBM 7000n DEC - 1957

n Produced PDP-1

39

Microelectronicsn Literally - “small electronics”n A computer is made up of gates, memory cells and

interconnectionsn These can be manufactured on a semiconductorn e.g. silicon wafer

40

Generations of Computern Vacuum tube - 1946-1957n Transistor - 1958-1964n Small scale integration - 1965 on

n Up to 100 devices on a chipn Medium scale integration - to 1971

n 100-3,000 devices on a chipn Large scale integration - 1971-1977

n 3,000 - 100,000 devices on a chipn Very large scale integration - 1978 -1991

n 100,000 - 100,000,000 devices on a chipn Ultra large scale integration – 1991 -

n Over 100,000,000 devices on a chip41

FUNDAMENTOS DEL DISEÑO DE COMPUTADORASfsantiag/ArqComputadoras/01_Fundamentos.pdf · de los chips...

Documents

Transcript of FUNDAMENTOS DEL DISEÑO DE COMPUTADORASfsantiag/ArqComputadoras/01_Fundamentos.pdf · de los chips...