Fundamentos de las Computadoras Arquitectura de Microcomputadoras 9º Sem. – IEK Cap. 1 Lecturas recomendadas : * Tanembaum, A. Organización de computadoras. Cap. 1 * Stallings, W. Organización y arquitectura de computadores. Cap. 2

Máquina multinivel Programas en Ln interpretados y ejecutados en máquina inferior ó traducidos a lenguaje de máquina de nivel inferior Nivel 0 Nivel 1 Nivel 2 Nivel 3 Nivel n MV n MV 3 Máquina Virtual 2 Máquina Virtual 1 Máquina Real 0

Programas en Ln interpretados y ejecutados en máquina inferior ó traducidos a lenguaje de máquina de nivel inferior

Técnicas de implementación de la máquina multinivel Traducción : Se sustituye cada instrucción del programa escrito en L 1 por una instrucción equivalente de instrucciones en L 0 . Se cuenta con un nuevo programa escrito exclusivamente en L 0 . La computadora ejecuta el nuevo programa en L 0 . Interpretación : Un programa en L 0 toma programas en L 1 como datos de entrada y lo ejecuta examinando sus instrucciones una por una y ejecutando directamente la sucesión de instrucciones en L 0 equivalente a cada una.

Traducción : Se sustituye cada instrucción del programa escrito en L 1 por una instrucción equivalente de instrucciones en L 0 . Se cuenta con un nuevo programa escrito exclusivamente en L 0 . La computadora ejecuta el nuevo programa en L 0 .

Interpretación : Un programa en L 0 toma programas en L 1 como datos de entrada y lo ejecuta examinando sus instrucciones una por una y ejecutando directamente la sucesión de instrucciones en L 0 equivalente a cada una.

Computadora de 6 niveles Interpretación (microprograma) o ejecución directa Nivel de lenguaje orientado a problemas Nivel de lenguaje ensamblador Nivel de sistema operativo Nivel de arquitectura de conjunto de instrucciones Nivel de microarquitectura Nivel de lógica digital Nivel 0 Nivel 1 Nivel 2 Nivel 3 Nivel 4 Nivel 5 Traducción (compilador) Traducción (ensamblador) Interpretación (SO) Hardware

Descripción de los niveles 0 - Nivel de lógica digital Compuesto por dispositivos digitales (compuertas) 1 - Nivel de microarquitectura Colección de registros (memoria local) ALU – Unidad de aritmética lógica Camino de datos: control por hardware Control por microprograma: intérprete de las instrucciones del nivel 2

0 - Nivel de lógica digital

Compuesto por dispositivos digitales (compuertas)

1 - Nivel de microarquitectura

Colección de registros (memoria local)

ALU – Unidad de aritmética lógica

Camino de datos:

control por hardware

Control por microprograma: intérprete de las instrucciones del nivel 2

Descripción de los niveles (2) 2 - Nivel de arquitectura del conjunto de instrucciones – Nivel ISA Instrucciones que el microprograma o los circuitos de ejecución en hardware ejecutan en forma interpretativa 3 - Nivel de sistema operativo S.O.: intérprete con capacidad de ejecutar nuevas funciones (instrucciones, organización de memoria, capacidad de ejecución de dos o más programas al mismo tiempo) Puede ser un híbrido: instrucciones podrían ser ejecutadas por el microprograma o el control por hardware (similar al nivel 2)

2 - Nivel de arquitectura del conjunto de instrucciones – Nivel ISA

Instrucciones que el microprograma o los circuitos de ejecución en hardware ejecutan en forma interpretativa

3 - Nivel de sistema operativo

S.O.: intérprete con capacidad de ejecutar nuevas funciones (instrucciones, organización de memoria, capacidad de ejecución de dos o más programas al mismo tiempo)

Puede ser un híbrido: instrucciones podrían ser ejecutadas por el microprograma o el control por hardware (similar al nivel 2)

Descripción de los niveles (3) 4 – Nivel de lenguaje ensamblador Lenguaje simbólico Programas en lenguaje ensamblador se traducen a un lenguaje de nivel 1, 2 ó 3 por medio de un programa denominado ensamblador 5 – Nivel de lenguaje orientado hacia problemas Lenguajes de alto nivel (C, C++, Java), utilizados por programadores de aplicaciones que resuelven problemas Programas son traducidos a lenguajes de nivel 3 ó 4 por medio de compiladores Puede consistir en un intérprete para un dominio de aplicación específico, utilizando términos especializados (ej: matemática simbólica)

4 – Nivel de lenguaje ensamblador

Lenguaje simbólico

Programas en lenguaje ensamblador se traducen a un lenguaje de nivel 1, 2 ó 3 por medio de un programa denominado ensamblador

5 – Nivel de lenguaje orientado hacia problemas

Lenguajes de alto nivel (C, C++, Java), utilizados por programadores de aplicaciones que resuelven problemas

Programas son traducidos a lenguajes de nivel 3 ó 4 por medio de compiladores

Puede consistir en un intérprete para un dominio de aplicación específico, utilizando términos especializados (ej: matemática simbólica)

Arquitectura de una computadora Interface entre el software de bajo nivel y el hardware. Posibilita implementaciones de diverso coste/rendimiento para varios software Es definida por los atributos de la computadora visibles para el programador de lenguaje de máquina: Repertorio de instrucciones Formato de instrucciones Códigos de operación Modos de direccionamiento Registros y posiciones de memoria manipulables directamente Nº de bits (datos) Mecanismos de entrada/salida Ha posibilitado los últimos avances en rendimiento: Segmentación Paralelismo Computadoras RISC El objetivo es encontrar un lenguaje de máquina que: facilite la construcción del hardware y de los compiladores Maximice el rendimiento Minimice el costo

Interface entre el software de bajo nivel y el hardware.

Posibilita implementaciones de diverso coste/rendimiento para varios software

Es definida por los atributos de la computadora visibles para el programador de lenguaje de máquina:

Repertorio de instrucciones

Formato de instrucciones

Códigos de operación

Modos de direccionamiento

Registros y posiciones de memoria manipulables directamente

Nº de bits (datos)

Mecanismos de entrada/salida

Ha posibilitado los últimos avances en rendimiento:

Segmentación

Paralelismo

Computadoras RISC

El objetivo es encontrar un lenguaje de máquina que:

facilite la construcción del hardware y de los compiladores

Maximice el rendimiento

Minimice el costo

Estructura de una computadora Comprende las unidades operacionales Implementa las especificaciones de la arquitectura Comprende detalles del hardware transparentes para el programador: Señales de control Interfaces entre la computadora y los periféricos Tecnología de memoria utilizada Tipo de operadores aritméticos seleccionados Criterios de diseño de la estructura: Velocidad de ejecución Tamaño Consumo de potencia

Comprende las unidades operacionales

Implementa las especificaciones de la arquitectura

Comprende detalles del hardware transparentes para el programador:

Señales de control

Interfaces entre la computadora y los periféricos

Tecnología de memoria utilizada

Tipo de operadores aritméticos seleccionados

Criterios de diseño de la estructura:

Velocidad de ejecución

Tamaño

Consumo de potencia

Familia de computadoras Un conjunto de computadoras forma una familia cuando tienen la misma arquitectura y diferentes estructuras Surge el concepto de compatibilidad: Programa escrito para un modelo, se ejecuta en otro modelo de la serie con diferencias en tiempo de ejecución Sentido ascendente Características: Repertorio de instrucciones similar o idéntico Velocidad en incremento Nº de puertos E/S en incremento Tamaño creciente de la memoria Coste creciente

Un conjunto de computadoras forma una familia cuando tienen la misma arquitectura y diferentes estructuras

Surge el concepto de compatibilidad:

Programa escrito para un modelo, se ejecuta en otro modelo de la serie con diferencias en tiempo de ejecución

Sentido ascendente

Características:

Repertorio de instrucciones similar o idéntico

Velocidad en incremento

Nº de puertos E/S en incremento

Tamaño creciente de la memoria

Coste creciente

Clasificación de las computadoras Basada en la potencia de procesamiento (potencia E/S y sistema de memoria) y costo – Hennessy y Patterson: Microcomputadora (PC y estaciones de trabajo) Costo reducido (cientos o miles de dólares) Minicomputadora Tamaño medio Costo superior a 50 mil dólares

Basada en la potencia de procesamiento (potencia E/S y sistema de memoria) y costo – Hennessy y Patterson:

Microcomputadora (PC y estaciones de trabajo)

Costo reducido (cientos o miles de dólares)

Minicomputadora

Tamaño medio

Costo superior a 50 mil dólares

Clasificación de las computadoras (2) Hennessy y Patterson (cont.) Computadora (Mainframe) Propósito general de altas prestaciones Destinada a tareas de gestión comercial Aritmética decimal Soporte para grandes bases de datos Tratamiento de transacciones Mayor capacidad de soporte de terminales y discos que un minicomputador Costo superior a 500 mil dólares Supercomputadora Aritmética de punto flotante Aplicaciones científicas Mayor rendimiento Costo superior a un millón de dólares

Hennessy y Patterson (cont.)

Computadora (Mainframe)

Propósito general de altas prestaciones

Destinada a tareas de gestión comercial

Aritmética decimal

Soporte para grandes bases de datos

Tratamiento de transacciones

Mayor capacidad de soporte de terminales y discos que un minicomputador

Costo superior a 500 mil dólares

Supercomputadora

Aritmética de punto flotante

Aplicaciones científicas

Mayor rendimiento

Costo superior a un millón de dólares

Clasificación de las computadoras (3) Basada en el nº de procesadores, nº de programas y estructura de memoria – Flynn : SISD (Flujo de instrucción único, flujo de datos único) SIMD (Flujo de instrucción único, flujo de datos múltiple) MISD (Flujo de instrucción múltiple, flujo de datos único) MIMD (Flujo de instrucción múltiple, flujo de datos múltiple)

Basada en el nº de procesadores, nº de programas y estructura de memoria – Flynn :

SISD (Flujo de instrucción único, flujo de datos único)

SIMD (Flujo de instrucción único, flujo de datos múltiple)

MISD (Flujo de instrucción múltiple, flujo de datos único)

MIMD (Flujo de instrucción múltiple, flujo de datos múltiple)

Clasificación de las computadoras (4) SISD (Flynn – 1) Procesador único que interpreta una única secuencia de instrucciones para operar con datos de una única memoria Arquitectura de Von Neumann Solo una instrucción/ sólo un dato Una CPU ejecuta una instrucción por vez, busca o almacena un dato por vez

SISD (Flynn – 1)

Procesador único que interpreta una única secuencia de instrucciones para operar con datos de una única memoria

Arquitectura de Von Neumann

Solo una instrucción/ sólo un dato

Una CPU ejecuta una instrucción por vez, busca o almacena un dato por vez

Arquitectura de Von Neumann MEMORIAS ROM/RAM PUERTOS E/S PROCESADOR DIGITAL CPU BUSES DIRECCIONES DATOS CONTROL

Clasificación de las computadoras (5) SIMD (Flynn – 2) Única instrucción, múltiples datos Una unidad de control común Varias unidades de proceso Arrays de procesadores Se ejecuta una misma instrucción sobre datos diferentes Proceso distribuido sobre hardware Operación concurrente sobre muchos datos Ejecución del mismo cálculo sobre todos los elementos UC = comput. Von Neumann, controla los procesadores Puede incluir computadores host: carga de programas, configuración del array de elementos de proceso, supervisión de E/S

SIMD (Flynn – 2)

Única instrucción, múltiples datos

Una unidad de control común

Varias unidades de proceso

Arrays de procesadores

Se ejecuta una misma instrucción sobre datos diferentes

Proceso distribuido sobre hardware

Operación concurrente sobre muchos datos

Ejecución del mismo cálculo sobre todos los elementos

UC = comput. Von Neumann, controla los procesadores

Puede incluir computadores host: carga de programas, configuración del array de elementos de proceso, supervisión de E/S

Clasificación de las computadoras (6) MISD (No implementada) (Flynn – 3) Transmisión de una secuencia de datos a un conjunto de procesadores Cada procesador ejecuta una instrucción diferente sobre el mismo conjunto de datos Múltiples instrucciones, un solo dato Ejecución de diferentes programas sobre el mismo dato

MISD (No implementada) (Flynn – 3)

Transmisión de una secuencia de datos a un conjunto de procesadores

Cada procesador ejecuta una instrucción diferente sobre el mismo conjunto de datos

Múltiples instrucciones, un solo dato

Ejecución de diferentes programas sobre el mismo dato

Clasificación de las computadoras (7) MIMD (Flynn – 4) Conjunto de procesadores que ejecutan conjuntos de instrucciones diferentes sobre conjuntos de datos diferentes Múltiples instrucciones, múltiples datos Procesamiento distribuido entre procesadores independientes Distribución de recursos (memoria primaria) Operación concurrente y en paralelo Cada procesador ejecuta su propio programa Diferentes arquitecturas: red de interconexión, procesadores, direccionamiento de memoria, control y estructura de sincronización Multiprocesadores: memoria común Multicomputadores: memorias locales

MIMD (Flynn – 4)

Conjunto de procesadores que ejecutan conjuntos de instrucciones diferentes sobre conjuntos de datos diferentes

Múltiples instrucciones, múltiples datos

Procesamiento distribuido entre procesadores independientes

Distribución de recursos (memoria primaria)

Operación concurrente y en paralelo

Cada procesador ejecuta su propio programa

Diferentes arquitecturas: red de interconexión, procesadores, direccionamiento de memoria, control y estructura de sincronización

Multiprocesadores: memoria común

Multicomputadores: memorias locales

Evolución histórica Antecedentes Ábaco (China) Máquinas de calcular: Napier, Siglo XVI: multiplicación, división Pascal, Siglo XVII: suma, resta Leibnitz: suma, resta, multiplic., división Tarjetas perforadas (Jacquard, siglo XIX) Máquina analítica (Babbage, 1834) Máquinas de calcular mecánicas y electromecánicas (principios de Siglo XX) Computador electromecánico (Aiken, 1944): cálculos balísticos

Antecedentes

Ábaco (China)

Máquinas de calcular:

Napier, Siglo XVI: multiplicación, división

Pascal, Siglo XVII: suma, resta

Leibnitz: suma, resta, multiplic., división

Tarjetas perforadas (Jacquard, siglo XIX)

Máquina analítica (Babbage, 1834)

Máquinas de calcular mecánicas y electromecánicas (principios de Siglo XX)

Computador electromecánico (Aiken, 1944): cálculos balísticos

Generaciones de computadoras 100 millones Alta integración 1978- 5 10 millones Gran integración 1972-1977 4 1 millón Pequeña y mediana integración 1965-1971 3 200 mil Transistores 1958-1964 2 40 mil Válvulas 1946-1957 1 Velocidad Operac./s Tecnología Fecha aprox. Generación

Primera generación – Válvulas ENIAC – Electronic Numerical Integrator and computer, 1946 Primer computador electrónico de propósito general Destinado a cálculo de tablas de fuego de armas Máquina de Von Neumann Introdujo el concepto de máquina programada Almacenamiento de los programas y datos en memoria Computadores comerciales Compañías: Sperry e IBM Computadores orientados a los cáluclos científicos y al procesamiento de grandes cantidades de datos Memorias de ferrita Cintas magnéticas como memorias de almacenamiento masivo

ENIAC – Electronic Numerical Integrator and computer, 1946

Primer computador electrónico de propósito general

Destinado a cálculo de tablas de fuego de armas

Máquina de Von Neumann

Introdujo el concepto de máquina programada

Almacenamiento de los programas y datos en memoria

Computadores comerciales

Compañías: Sperry e IBM

Computadores orientados a los cáluclos científicos y al procesamiento de grandes cantidades de datos

Memorias de ferrita

Cintas magnéticas como memorias de almacenamiento masivo

Segunda Generación - Transistores Mayor complejidad de las UC y ALU Primeros lenguajes de alto nivel (ej: Fortran) Aparición de los compiladores TRADIC (Laboratorios Bell, 1954) Primer computador digital con transistores PDP-1 (Digital Equipment Corporation,1957) 4K x 8 bits de memoria ATLAS (Universidad de Manchester) Introducción del concepto de memoria virtual: disco magnético como memoria secundaria IBM 7094 32K x 36 bits de memoria Introducción del canal de datos: módulo independiente de E/S con CPU e instrucciones propios Aparición del multiplexor de datos hacia la CPU o la memoria

Mayor complejidad de las UC y ALU

Primeros lenguajes de alto nivel (ej: Fortran)

Aparición de los compiladores

TRADIC (Laboratorios Bell, 1954)

Primer computador digital con transistores

PDP-1 (Digital Equipment Corporation,1957)

4K x 8 bits de memoria

ATLAS (Universidad de Manchester)

Introducción del concepto de memoria virtual: disco magnético como memoria secundaria

IBM 7094

32K x 36 bits de memoria

Introducción del canal de datos: módulo independiente de E/S con CPU e instrucciones propios

Aparición del multiplexor de datos hacia la CPU o la memoria

Tercera generación - CI Consecuencias de la integración: Disminución de precio Incremento de velocidad por cercanía de componentes Menor tamaño Disminución de consumo de potencia Disminución de temperatura Conexiones más fiables Introducción de las arquitecturas segmentadas, paralelas y la microprogramación Desarrollo de sistemas operativos: varios usuarios para un mismo computador Desarrollo de las memorias virtual y caché Aparición de BASIC, Pascal (lenguajes de alto nivel) Sistema 360 IBM Costo de miles de dólares Introducción del concepto de familia de computadoras Multiprogramación, priorización de interrupciones, mecanismos de protección de la memoria, controladores DMA, memoria caché PDP 8 Tamaño para una mesa, precio reducido Introdujo el concepto de bus

Consecuencias de la integración:

Disminución de precio

Incremento de velocidad por cercanía de componentes

Menor tamaño

Disminución de consumo de potencia

Disminución de temperatura

Conexiones más fiables

Introducción de las arquitecturas segmentadas, paralelas y la microprogramación

Desarrollo de sistemas operativos: varios usuarios para un mismo computador

Desarrollo de las memorias virtual y caché

Aparición de BASIC, Pascal (lenguajes de alto nivel)

Sistema 360 IBM

Costo de miles de dólares

Introducción del concepto de familia de computadoras

Multiprogramación, priorización de interrupciones, mecanismos de protección de la memoria, controladores DMA, memoria caché

PDP 8

Tamaño para una mesa, precio reducido

Introdujo el concepto de bus

Cuarta generación - Microprocesadores Memorias semiconductoras Primer circuito con procesador completo Procesadores INTEL 4004, 8 bits, 1971 8080, 8 bits, 1974, uso general 8086, 16 bits 80286 80386, 32 bits, 1985 Procesador Motorola MC680x0 Computador Apple: primera PC Aparición de las estaciones de trabajo Aparición de la arquitectura RISC

Memorias semiconductoras

Primer circuito con procesador completo

Procesadores INTEL

4004, 8 bits, 1971

8080, 8 bits, 1974, uso general

8086, 16 bits

80286

80386, 32 bits, 1985

Procesador Motorola MC680x0

Computador Apple: primera PC

Aparición de las estaciones de trabajo

Aparición de la arquitectura RISC

Quinta generación – Integración a gran escala Utilización del microprocesador como elemento básico Aparición de computadores portátiles y supercomputadores Técnicas de segmentación y paralelismo Memoria distribuida

Utilización del microprocesador como elemento básico

Aparición de computadores portátiles y supercomputadores

Técnicas de segmentación y paralelismo

Memoria distribuida

Bases del desarrollo de los computadores Avance tecnológico Nivel de integración se ha multiplicado por 4 cada 3 años (Ley de Moore) Incremento de la velocidad operativa Precio igual para mayor densidad de integración Disminución de tamaño del computador Reducción de necesidades de potencia y refrigeración Disminución de CI por sistema: mayor rapidez y fiabilidad

Avance tecnológico

Nivel de integración se ha multiplicado por 4 cada 3 años (Ley de Moore)

Incremento de la velocidad operativa

Precio igual para mayor densidad de integración

Disminución de tamaño del computador

Reducción de necesidades de potencia y refrigeración

Disminución de CI por sistema: mayor rapidez y fiabilidad

Bases del desarrollo de los computadores Avances arquitectónicos El modelo de Von Neumann Microprogramación Memoria principal EDRAM (Enhanced DRAM) CDRAM (Cache RAM) SDRAM (Syncrhronus DRAM) RDRAM (Rambus DRAM) Memoria virtual Memoria caché Estructura RAID de memoria secundaria Computadores segmentados Procesadores superescalares y supersegmentados Supercomputadores Arquitectura RISC (Reduced Set Instruction Computer)

Avances arquitectónicos

El modelo de Von Neumann

Microprogramación

Memoria principal

EDRAM (Enhanced DRAM)

CDRAM (Cache RAM)

SDRAM (Syncrhronus DRAM)

RDRAM (Rambus DRAM)

Memoria virtual

Memoria caché

Estructura RAID de memoria secundaria

Computadores segmentados

Procesadores superescalares y supersegmentados

Supercomputadores

Arquitectura RISC (Reduced Set Instruction Computer)

Bases del desarrollo de los computadores Avances en las herramientas de diseño automático Estudio jerárquico de sistemas Utilización de herramientas automáticas Captura de esquemáticos Simulación Ubicación y enrutamiento automáticos Lenguajes de descripción de hardware

Avances en las herramientas de diseño automático

Estudio jerárquico de sistemas

Utilización de herramientas automáticas

Captura de esquemáticos

Simulación

Ubicación y enrutamiento automáticos

Lenguajes de descripción de hardware

Computadora de 6 niveles Interpretación (microprograma) o ejecución directa Nivel de lenguaje orientado a problemas Nivel de lenguaje ensamblador Nivel de sistema operativo Nivel de arquitectura de conjunto de instrucciones Nivel de microarquitectura Nivel de lógica digital Nivel 0 Nivel 1 Nivel 2 Nivel 3 Nivel 4 Nivel 5 Traducción (compilador) Traducción (ensamblador) Interpretación (SO) Hardware

Arquitectura de Von Neumann MEMORIAS ROM/RAM PUERTOS E/S PROCESADOR DIGITAL CPU BUSES DIRECCIONES DATOS CONTROL

Generaciones de computadoras 100 millones Alta integración 1978- 5 10 millones Gran integración 1972-1977 4 1 millón Pequeña y mediana integración 1965-1971 3 200 mil Transistores 1958-1964 2 40 mil Válvulas 1946-1957 1 Velocidad Operac./s Tecnología Fecha aprox. Generación