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  • 1. Arquitectura de Computadoras Clase #1 Introducción Dr. Wladimir Rodríguez Departamento de Computación wladimir@ula.vehttp://sistemas.ing.ula.ve/~wladimir/AC.html
  • 2. Objetivos • Conocer y comprender la arquitectura y organización básica de un computador. • Conocer y comprender las implicaciones del juego de instrucciones en el diseño de la ruta de datos y la unidad de control. • Conocer y comprender distintas técnicas de aceleración de la unidad aritmética. • Conocer y comprender los mecanismos de diseño de una unidad de control, contrastando los mecanismos de control cableado con los de control microprogramado.Dr. Wladimir Rodríguez 2 Arquitectura de Computadoras
  • 3. Objetivos • Analizar y estudiar la jerarquía de memoria presente en cualquier computador. • Conocer y comprender el funcionamiento de la memoria asociativa, entrelazada, cache y virtual. • Estudiar el sistema de entrada/salida de un computador. • Analizar y estudiar la evolución de los sistemas de buses.Dr. Wladimir Rodríguez 3 Arquitectura de Computadoras
  • 4. Temario 1. Introducción a la Arquitectura de Computadoras 2. Estructura del Conjunto de Instrucciones 3. Introducción a la Lógica Digital 4. Aritmética para computadoras 5. Técnicas de Implementación de la Unidad Central de Procesamiento 6. Sistema de Memoria 7. Sistema de Entrada/SalidaDr. Wladimir Rodríguez 4 Arquitectura de Computadoras
  • 5. Horario • Clases: • Jueves: 8 am a 10 am (1O12) • Viernes: 8 am a 10 am (1O12) • Consultas: • Jueves: 10 am a 12 m • Viernes: 10 am a 12 m • En el Postgrado en Computación, Tercer Piso, Ala SurDr. Wladimir Rodríguez 5 Arquitectura de Computadoras
  • 6. Evaluación • Tres exámenes parciales: • Primer parcial: Temas 1 y 2 • Segundo parcial: Temas 3, 4 y 5 • Tercer parcial: Tema 6 y 7Dr. Wladimir Rodríguez 6 Arquitectura de Computadoras
  • 7. Bibliografía • D.A. Patterson, J.L. Hennessy : Organización y diseño de computadores. Interfaz hardware/ software. MacGraw-Hill, 1995. • Stallings, W: Organización y Arquitectura de Computadores. Diseño para optimizar prestaciones. 5 ed. Prentice-Hall, 2000. • Hamacher; Vranesic; Zaky: Organización de Computadoras 3ed. McGraw-Hill, 1996. • Tanenbaum: Organización de Computadoras. Un Enfoque Estructurado. 4ed. Prentice-Hall, 2000.Dr. Wladimir Rodríguez 7 Arquitectura de Computadoras
  • 8. Definición • COMPUTADOR (RAE 1992): • "Máquina electrónica dotada de una memoria de gran capacidad y de métodos de tratamiento de la información, capaz de resolver problemas aritméticos y lógicos gracias a la utilización automática de programas registrados en ella."Dr. Wladimir Rodríguez 8 Arquitectura de Computadoras
  • 9. Computadora como Fabrica • Pascal, Babbage, Von Neumann, Wilkes • Siempre nos olvidamos de Henry Ford Proceso Materia Prima Productos Modelo de Ejecución Datos, Programa Datos, ProgramasDr. Wladimir Rodríguez 9 Arquitectura de Computadoras
  • 10. Arquitectura de Computadoras • Arquitectura (RAE 1992) • "Arte de proyectar y construir edificios" • Dos aspectos: • Ver el edificio desde cómo se ha construido: arquitectura de estilo gótico • Ver el edificio desde el uso: arquitectura funcional, polivalenteDr. Wladimir Rodríguez 10 Arquitectura de Computadoras
  • 11. Arquitectura de Computadoras • Arquitectura de computadoras • La computadora vista desde el programador • ¿Qué instrucciones y datos es capaz de procesar? ¿A qué velocidad? • Organización de computadoras • ¿Cómo está organizada por dentro para procesar esos datos según esas instrucciones? • Esta materia: Arquitectura y OrganizaciónDr. Wladimir Rodríguez 11 Arquitectura de Computadoras
  • 12. Arquitectura de Computadoras Aplicación Sistema Operativo Software Compilador Firmware Arquitectura del Conjunto de Instrucciones Hardware Conjunto de Instrucciones Sistema de E/S Camino de datos & Control Diseño Digital Diseño de Circuitos Arquitectura de Computadoras TransistoresDr. Wladimir Rodríguez 12 Arquitectura de Computadoras
  • 13. Niveles de Representación Programa en temp = v[k]; Lenguaje de Alto v[k] = v[k+1]; Nivel (C, java) v[k+1] = temp; Compilador Programa en lw $t0, 0($2) Lenguaje lw $t1, 4($2) Ensamblador sw $t1, 0($2) (MIPS) sw $t0, 4($2) Ensamblador Programa en 0000 1001 1100 0110 1010 1111 0101 1000 Lenguaje de 1010 1111 0101 1000 0000 1001 1100 0110 Máquina (MIPS) 1100 0110 1010 1111 0101 1000 0000 1001 0101 1000 0000 1001 1100 0110 1010 1111 Interpretación de la Máquina wire [31:0] dataBus; Descripción de la regFile registers (databus); Arquitectura de ALU ALUBlock (inA, inB, databus); Hardware (Verilog) Implementación de la Arquitectura Descripción de la wire w0; Circuitos Lógicos XOR (w0, a, b); (Verilog) AND (s, w0, a);Dr. Wladimir Rodríguez 13 Arquitectura de Computadoras
  • 14. Los Componentes de una Computadora Teclado, Ratón Computador Disco Procesador Memoria Dispositivos (Donde residen los Control Entrada programas (donde residen y datos los programas cuando no Camino y datos cuando Salida de Datos en ejecución) estan en ejecución) Pantalla, ImpresoraDr. Wladimir Rodríguez 14 Arquitectura de Computadoras
  • 15. Tecnología de las Computadoras • Procesador • 2X en velocidad cada 1,5 años (desde ‘85); 100X rendimiento en la última década. • Memoria • DRAM capacidad: 2x / 2 años (desde ‘96); 64x tamaño en la última década. • Disco • Capacidad: 2X / 1 año (desde ‘97) 250X tamaño en la última década.Dr. Wladimir Rodríguez 15 Arquitectura de Computadoras
  • 16. Ley de Moore • El número de transistores se doblara cada 18 meses (Gordon Moore, cofundador de Intel) • El POWER5 de IBM tiene “256 millones” de transistoresDr. Wladimir Rodríguez 16 Arquitectura de Computadoras
  • 17. Lo que ve un Programador Ver resultados Escribir Computador programa en el editor Memoria Variables Fuente CPU Datos Instrucciones Compilar Direcciones Sistema operativo Compilador Objeto: Instrucciones Editor Variables Solo entiende secuencias de 1s y 0s - Datos Introducir datos Ejecutar - InstruccionesDr. Wladimir Rodríguez 17 Arquitectura de Computadoras
  • 18. Modelo de Programación con mas DetalleDr. Wladimir Rodríguez 18 Arquitectura de Computadoras
  • 19. Lo que ve un Arquitecto de Computadores Modelo de Von Neumann Unidad de Memoria Unidad Unidad de Aritmético y Unidad de Entrada Lógica Salida (UAL) Unidad de Control CPUDr. Wladimir Rodríguez 19 Arquitectura de Computadoras
  • 20. Ciclo de Instrucción • Dos pasos: • Búsqueda o captura de la instrucción • Ejecución de la instrucción Ciclo de Búsqueda Ciclo de Ejecución Buscar Ejecutar Inicio Siguiente Parar Instrucción InstrucciónDr. Wladimir Rodríguez 20 Arquitectura de Computadoras
  • 21. Ciclo de Búsqueda • El Contador de Programa (PC) contiene la dirección de la próxima instrucción a ejecutar. • El procesador lee la instrucción de memoria. • El PC se incrementa • Salvo en las instrucciones de salto • La instrucción se carga en el Registro de Instrucciones (RI) • Se interpreta la instrucción y se generan las señales de control (decodificación de la instrucción)Dr. Wladimir Rodríguez 21 Arquitectura de Computadoras
  • 22. Ciclo de Ejecución • Diferentes operaciones. • Transferencia de procesador a memoria. • Transferencia de procesador a E/S. • Procesado de datos • La ULA (Unidad Lógico Aritmética) efectúa una operación sobre los datos. • Instrucciones de control • Alteran la secuencia del programa • por ejemplo JUMP • Combinación de las anterioresDr. Wladimir Rodríguez 22 Arquitectura de Computadoras
  • 23. Programa Ejemplo • CPU con un solo Acumulador (A), 16 bits • Memoria de 16 bits por posición • Suma (940) + (941) en (941) • Lenguaje simbólico Binario mov A, (940) 1940 (H) add A, (941) 5941 (H) mov (941), A 2941 (H) • Formato de InstrucciónDr. Wladimir Rodríguez 23 Arquitectura de Computadoras
  • 24. Organización a Nivel de Bloques y Buses • Modelo Von Neumann ampliado • Bus: • Conjunto de líneas común a varios bloques que permite la comunicación entre ellos. UCP (ULA, Registros Memoria Entrada/Salida y Control) Desde el CPU todo se como direcciones. El mapa de memoria es un vector donde el índice es la dirección Bus de Datos Bus de Direcciones Bus de ControlDr. Wladimir Rodríguez 24 Arquitectura de Computadoras
  • 25. Interrupciones • Mecanismo por el cual otros módulos (e.g. I/O) pueden alterar la secuencia normal de programa • Ejemplos: En el propio programa • División por cero • Temporizadores: • Con el rebose de un temporizador • Base de los S.O. multitarea • I/O • Del controlador E/S (dato en memoria) • Supervisión de Hardware • Error de paridad (dato en memoria)Dr. Wladimir Rodríguez 25 Arquitectura de Computadoras
  • 26. Interrupciones UCP (ULA, Registros Memoria Entrada/Salida y Control) Bus de Datos Bus de Direcciones Bus de Control Línea de InterrupciónDr. Wladimir Rodríguez 26 Arquitectura de Computadoras
  • 27. Ejemplo de Computador Personal Procesador Display Gráfico Procesador Cache Controlador Controlador Memoria Memoria de de PCI Gráfica Principal Memoria E/S D A i B U L u s I S A d c O B N i o S o sDr. Wladimir Rodríguez 27 Arquitectura de Computadoras
  • 28. Arquitectura de Buses Tradicional Bus Local Procesador Cache Controlador Memoria de E/S local Principal Bus del Sistema Interfase bus de Disco Serial expansión SCSI Modem Bus de ExpansiónDr. Wladimir Rodríguez 28 Arquitectura de Computadoras
  • 29. Arquitectura de Buses de Altas Prestaciones Memoria Principal Bus Local Cache/ Procesador Bus del Sistema Puente SCSI Fire Wire Gráficos Video LAN Bus del Alta Velocidad Interfase bus FAX de Serial expansión Modem Bus de ExpansiónDr. Wladimir Rodríguez 29 Arquitectura de Computadoras
  • 30. Ejemplo Pentium IVDr. Wladimir Rodríguez 30 Arquitectura de Computadoras
  • 31. Ejemplo PowerMacG4Dr. Wladimir Rodríguez 31 Arquitectura de Computadoras
  • 32. Ejemplo PowerMacG5 1. Frontside bus de 1GHz 2. Frontside bus de 1GHz 3. Bus gráfico AGP 8X Pro 4. Controlador de Sistema 5. Memoria doble canal de 400MHz 6. PCI-X de 133MHz 7. E/S de altas prestaciones 8. Almacenamiento ATA serialDr. Wladimir Rodríguez 32 Arquitectura de Computadoras
  • 33. Ejemplo Sony Playstation 2Dr. Wladimir Rodríguez 33 Arquitectura de Computadoras
  • 34. Niveles de Estudio de un Computador • Centrado en la UCP • Nivel de Usuario: programas de aplicación • Lenguaje de alto nivel Ensamblador / Código máquina Arquitectura • Microcódigo Organización Unidades funcionales: memoria, ULA, buses • Puertas lógicas Transistores y conexiones • • Falta incorporar la Entrada y Salida • Y el Sistema OperativoDr. Wladimir Rodríguez 34 Arquitectura de Computadoras
  • 35. Conexión con el Sistema Operativo Programas de usuario y aplicaciones Llamadas al sistema Control de dispositivos Núcleo del SO Disp. de Disp. de Disp. de Window Control de Caracter Bloques RED Manager Dispositivos Sistema Teclado Discos RED GráficoDr. Wladimir Rodríguez 35 Arquitectura de Computadoras