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  1. 1. ARQUITECTURA DE COMPUTADORESUn enfoque cuantitativo
  2. 2. CONSULTORESEDITORIALESAREA DE INFORMATICA Y COMPUTACIONAntonio Vaquero SánchezCatedrático de InformáticaFacultad de Ciencias FísicasUniversidad Complutense de MadridESPANAGerardo Quiroz VieyraIngeniero en Comunicaciones y ElectrónicaEscuela Superior de Ingeniena Mecánica y Eléctrica IPNCarter Wallace, S. A.Universidad Autónoma MetropolitanaDocente DCSAMEXICO
  3. 3. ARQUITECTURA DE COMPUTADORESUn enfoque cuantitativoJohn L. HennessyUniversidadde StanfordDavid A. PattersonUniversidadde California en BerkeleyTraducciónJUAN MANUEL SANCHEZUniversidad Complutense de MadridRevisión técnicaANTONIO GONZALEZMATE0 VALER0Universidad Politécnica de CataluñaANTONIO VAQUEROUniversidad Complutense de MadridMADRID BUENOS AIRES m CARACAS GUATEMALA LISBOA MEXICONUEVA YORK PANAMA SAN JUAN SANTAFE DE BOGOTA SANTIAGO SAO PAULOAUCKLAND HAMBURGO LONDRES MlLAN MONTREAL NUEVA DELHl PAR6SAN FRANCISCO SIDNEY SINGAPUR ST. LOUlS TOKIO TORONTO
  4. 4. ARQUITECTURADE COMPUTADORES.UN ENFOQUECUANTITATIVONo está permitida la reproducción total o parcial de este libro, ni su tratamiento in-formático,ni la transmisión de ninguna forma o por cualquier medio, ya sea electró-nico, mecánico, por fotocopia,por registro u otros métodos, sin el permiso previo ypor escritode los titulares del Copyright.DERECHOS RESERVADOS O 1993 respecto a la primera edición en español porMcGRAW-HILLPNTERAMERICANA DE ESPANA,S. A. U.Edificio Valrealty, la. plantaBasauri, 1728023 Aravaca (Madrid)Traducido de la primera edición en inglésdeCOMPUTER ARCHITECTURE. A QUANTITATIVE APPROACHCopyright O MLMXC, por Morgan Kaufmann Publishers,Inc.ISBN: 1-55860-069-8ISBN: 84-7615-912-9Depósito legal: M. 41.104-2002Editor: Mariano J. NorteCubierta: F. Piñuela. Grafismo electrónicoCompuesto en: FER Fotocomposición,S. A.Impreso en: LAVEL, Industria Gráfica, S. A.PRINTED IN SPAIN - IMPRESO EN ESPANA
  5. 5. A Andrea, Linda y nuestros cuatro hijos
  6. 6. Marcas registradasLas siguientesmarcas registradas son propiedad de las siguientes organizaciones:Alliant es una marca registrada de Alliant Computers.AMD 29000 es una marca registrada de AMD.TeX es una marca registrada de American Mathematical Society.AMI 6502 es una marca registradade AMI.Apple 1, Apple 11y Macintosh son marcas registradas de Apple Compu-ter, Inc.ZS-l es una marca registrada de Astronautics.UNIX y UNIX F77 son marcas registradas de AT&T Bell Laboratories.Turbo C es una marca registrada de Borland International.The Cosmic Cube es una marca registrada de California Institutc ofTechnology.Warp, C.mmp y Cm* son marcas registradas de Carnegie-Mellon lJni-versity.CP3100 es una marca registrada de Conner Peripherals.CDC 6600, CDC 7600, CDC STAR-100,CYBER- 180,CYBER 1801990y CYBER-205 son marcas registradas de Control Data Corporation.Convex, C-1, C-2 y C series son marcas registradas de Convex.CRAY-3 es una marca registrada de Cray Computer Corporation.CRAY-1, CRAY-IS, CRAY-2, CRAY X-MP, CRAY X-MP1416,CRAYY-MP, Cm77 V3.0, CFT y CFT2 V1.3a son marcas registradas de CrayResearch.Cydra 5 es una marca registrada de Cydrome.CY7C601,7C601,7C604 y 7C157 son marcas registradas de Cypress Se-miconductor.Nova es una marca registrada de Data General Corporation.HEP es una marca registrada de Denelcor.CVAX, DEC, DECsystem, DECstation, DECstation 3100, DECsystem10120, fort, LPI 1, Massbus, MicroVAX-1, MicroVAX-11, PDP-8, PDP-10, PDP-I 1, RS-I IMIIAS, Unibus, Ultrix, Ultrix 3.0, VAX, VAXsta-tion, VAXstation 2000, VAXstation 3100, VAX-I 1, VAX-111780, VAX-111785,VAX Model730, Model750, Model780, VAX 8600, VAX 8700,VAX 8800, VS FORTRAN V2.4 y VMS son marcas registradas de Di-gital Equipment Corporation.BlNAC es una marca registrada de Eckert-Mauchly Computer Corpora-tion.Multimax es una marca registrada de Encore Computers.ETA 10es una marca registrada de ETA Corporation.SYMBOL es una marca registrada de Fairchild Corporation.Pegasus es una marca registrada de Ferranti, Ltd.Ferran y Testarossa son marcas registradas de Ferrari Moton.AP-I2OB es una marca registrada de Floating Point Systems.Ford y Escort son marcas registradas de Ford Motor Co.Gnu C Compiler es una marca registrada de Free Software Foundation.M2361A, Super Eagle, VPlOO y VP200 son marcas registradasde FujitsuCorporation.Chevrolet y Corvette son marcas registradas de General Motors Corpo-ration.HP Precision Architecture, HP 850, HP 3000, HP 3000170, Apollo DN300, Apollo DN 10000 y Precision son marcas registradas de Hewlett-Packard Company.S810, S8101200y S820 son marcas registradas de Hitachi Corporation.Hyundai y Excel son marcas registradas de Hyundai Corporation.432,960 CA, 4004,8008,8080,8086,8087,8088,80186,80286,80386,80486, iAPX 432, i860, Intel, Multibus, Multibus 11 e Intel Hypercubeson marcas registradas de lntel Corporation.lnmos y Transputer son marcas registradas de Inmos.Clipper ClOO es una marca registrada de Intergraph.ESAl370, System/360, Systeml370, 701, 704, 709, 801, 3033, 3080. 3080series, 3080 VF, 3081, 3090, 30901100, 3090/200, 30901400, 30901600,30901600S. 3090 VF. 3330. 3380. 3380D. 3380 Disk Model AK4, 33803.3390, 3880-23, 3990,7030,7090,7094, IBM FORTRAN, ISAM, MVS,IBM PC, IBM PC-AT, PL.8, RT-PC, SAGE, Stretch, IBM SVS, VectorFacility y VM son marcas registradas de International Business MachinesCorporation.FutureBus es una marca registrada de Institute of Electrical and Electro-nic Engineen.Lamborghini y Countach son marcas registradas de Nuova AutomobiliFemcio Lamborghini, SPA.Lotus 1-2-3es una marca registrada de Lotus Development Corporation.MB8909 es una marca registrada de LSI Logic.NuBus es una marca registrada de Massachusetts Institute of Techno-~WY.Miata y Mazda son marcas registradas de Mazda.MASM, Microsoft Macro Assembler, MS DOS, MS DOS 3.1 y OS12 sonmarcas registradas de Microsoft Corporation.MIPS, MIPS 120, MIPS/I2OA, M/500. M/1000, RC6230, RC6280,R2000, R2000A, R2010, R3000 y R3010 son marcas registradasde MIPSComputer Systems.Delta Senes 8608, System VI88 R32V1, VME bus, 6809, 68000, 68010,68020,68030,68882,88000,88000 1.8.4m14, 88100 y 88200 son mar-cas registradas de Motorola Corporation.Multiflow es una marca registrada de Multiflow Corporation.National 32032 y 32x32 son marcas registradas de National Semicon-ductor Corporation.Ncube es una marca registrada de Ncube Corporation.SX/2, SX/3 y FORTRAN 77/SX V.040 son marcas registradas de NECInformation Systems.NYU Ultracomputer es una marca registrada de New York University.VAST-2 v.2.21 es una marca registrada de Pacific Sierra.Wren IV, Imprimis, Sabre 97209 e IPI-2 son marcas registradas de Sea-gate Corporation.Sequent, Balance 800, Balance 21000 y Symmetry son marcas registra-das de Sequent Computers.Silicon Graphics 4Dl60, 4D1240 y Silicon Graphics 4D Series son mar-cas registradas de Silicon Graphics.Stellar GS 1000, Stardent-1500 y Ardent Titan-I son marcas registradasde Stardent.Sun 2, Sun 3, Sun 3/75, Sun 31260, Sun 31280, Sun 4, Sun 41110, Sun41260, Sun 41280, SunOS 4.0.3c, Sun 1.2 FORTRAN compiler, SPARCy SPARCstation I son marcas registradas de Sun Microsystems.Synapse N+ es una marca registrada de Synapse.Tandem y Cyclone son marcas registradas de Tandem Computers.TI 8847 y TI ASC son marcas registradas de Texas Instmments Corpo-ration.Connection Machine y CM-2 son marcas registradas de Tbinking Ma-chines.Burroughs 6500, B5000, B5500, D-machine, UNIVAC, UNIVAC 1 yUNIVAC 1103 son marcas registradas de UNISYS.Spice y 4.2 BSD UNIX son marcas registradas de Univenity of Califor-nia, Berkeley.Illiac, Illiac IV y Cedar son marcas registradas de University of Illinois.Ada es una marca registrada de U.S. Government (Ada Joint ProgramOffice).Weitek 3364, Weitek 1 167,WTL 3110y WTL 3170 son marcas registra-das de Weitek Computen.Alto, Ethemet, PARC, Palo Alto Research Center, Smalltalk y Xerox sonmarcas registradas de Xerox Corporation.2-80 es una marca registrada de Zilog.
  7. 7. Prefaciopor C. Gordon Be11Estoy encantado y satisfechode escribir el prefacio de este libro decisivo.Los autores han ido más allá de las contribuciones de Thomas al Cálculoy de Samuelson a la Economía. Han proporcionado el texto y referencia de-finitivos para el diseñoy arquitectura de computadores. Para avanzar en com-putación, recomiendo encarecidamente a los editores que retiren los monto-nes de libros sobre este tópico de manera que, rápidamente, pueda emergeruna nueva raza de arquitecto/ingeniero. Este libro no eliminará los micropro-cesadorescomplejos y llenos de errores de las compañías de semicomputado-res, pero acelerará la educación de ingenieros que podrán diseñarlos mejor.El libro presenta las herramientas críticas para analizar los computadoresuniprocesadores. Muestra al ingeniero en ejerciciocómo cambia la tecnologíaa lo largo del tiempo y ofrece las constantes empíricas que se necesitan parael diseño. Motiva al diseñador sobre la función, que es una orientación másagradable que la habitual lista exhaustiva de los mecanismos que un diseña-dor novel ~ u e d eintentar incluir en un único diseño.Los autores establecen un punto de partida para realizar análisis y com-paraciones utilizando la máquina más importante de cada clase: computado-res grandes (IBM 360), mini (DEC VAX), y micro PC (Intel 80x86). Con estabase, muestran la línea futura de procesadores paralelos segmentados mássimples. Estas nuevas tecnologías se muestran como variantes de su procesa-dor (DLX) útil pedagógicamente, pero altamente realizable. Los autores ha-cen énfasis en la independencia de la tecnología al medir el trabajo realizadopor ciclo de reloj (paralelismo), y el tiempo para hacer el trabajo (eficiencia ylatencia). Estos métodos también mejorarán la calidad de la investigación so-bre nuevas arquitecturas y paralelismo.Por ello, el libro es necesario que lo conozca cualquiera que trabaje en ar-quitectura o hardware, incluyendo arquitectos, ingenieros de sistemas decomputadores y de circuitos integrados, e ingenieros de sistemas operativos ycompiladores. Es útil especialmente para los ingenieros de software que escri-ben programas para computadores vectoriales y segmentados. Los empresa-rios y vendedores se beneficiarán al conocer las seccionesde Falacias y Pifiasdel libro. El fracaso de muchos computadores -y ocasionalmente, de algunacompañía- se puede atribuir a ingenieros que fallan al comprender las suti-lezas del diseño de com~utadores.Los dos primeros capítulos establecen la esencia del diseño de computa-dores a través de medidas y de la comprensión de la relación preciolrendi-
  8. 8. PREFACIOmiento. Estos conceptos se aplican a la arquitectura a nivel de lenguaje má-quina y a la forma de medirla. Explican la implementación de procesadores eincluyen amplias discusiones sobre técnicas para diseñar procesadores vecto-riales y segmentados. También hay capítulos dedicadosa la jerarquía de me-moria y a las, con frecuencia, despreciadas entradas/salidas. El capítulo finalpresenta oportunidades y preguntas sobre máquinas y directrices futuras.Ahora, necesitamos su siguiente libro sobre cómo construir estas máquinas.La razón por la que este libro constituye un estándar sobre todos los an-teriores y es improbable que sea sustituido en un futuro previsible es la com-prensión, experiencia, gusto y unicidad de los autores. Han estimulado elcambio principal en arquitectura por su trabajo sobre los RISC (Pattersonacuñó la palabra). Su investigación universitaria que llevó al desarrollo deproductos en MIPS y Sun Microsystems;estableció importantes arquitecturaspara los años 90. Así, han hecho análisis, evaluado compromisos, trabajadosobre compiladoresy sistemas operativos, y visto que sus máquinas consiguenimportancia con el uso. Además, como maestros, han visto que el libro es pe-dagógicamente sólido (y han solicitado opiniones de los demás a través delprograma de examen sin precedentesBeta). Estoy convencidoque éste será ellibro de la década en sistemas de computadores. Quizás su mayor logro seaestimular a otros grandes arquitectos y diseñadores de sistemas de alto nivel(bases de datos, sistemas de comunicaciones,lenguajes y sistemas operativos)a escribir libros similares sobre sus dominios.Yo ya he aprendido y me he divertido con el libro, y usted, seguramente,también.C. Gordon Be11
  9. 9. 1 ContenidoPrefaciopor G. GORDON BELLAgradecimientosSobre los autoresFundamentos del diseño de computadoresIntroduccionDefiniciones de rendimientoPrincipios cuantitativosdel diseño de computadoresEl trabajo de un diseñador de computadoresJuntando todo: el concepto de jerarquía de memoriaFalaciasy pifiasObservaciones finalesPerspectiva históricay referenciasEjerciciosRendimientosy coste2.1 Introducción2.2 Rendimiento2.3 Coste2.4 Juntando todo: precio/rendimientode tres máquinas2.5 Falaciasy pifias2.6 Observaciones finales2.7 Perspectiva históricay referenciasEjerciciosDiseño de repertoriosde instrucciones:alternativasy principios3.1 Introduccion3.2 Clasificación de las arquitecturas a nivel lenguaje máquina3.3 Almacenamiento de operandos en memoria: clasificacióndelas máquinas de registros de propósito general3.4 Direccionamiento de memoria3.5 Operaciones del repertorio de instrucciones3.6 Tipo y tamaño de los operandos3.7 El papel de los lenguajes de alto nivel y compiladoresviixxixxvi
  10. 10. X CONTENIDO3.8 Juntando todo: cómo los programas utilizan los repertoriosde instrucciones3.9 Falacias y pifias3.10 Observaciones finales3.11 Perspectiva históricay referenciasEjerciciosEjemplosy medidas de utilizaciónde los repertoriosde instruccionesMedidas de los repertorios de instrucciones:qué y por quéLa arquitectura VAXLa arquitectura 3601370La arquitectura 8086La arquitectura DLXJuntando todo: medidas de utilización del repertorio deinstruccionesFalaciasy pifiasObservaciones finalesPerspectivahistóricay referenciasEjerciciosTécnicas básicas de implementaciónde procesadores5.1 Introducción5.2 Camino de datos del procesador5.3 Pasos básicos de ejecución5.4 Controlcableado5.5 Control microprogramado5.6 Interrupcionesy otros enredos5.7 Juntando todo: control para DLX5.8 Falacias y pifias5.9 Observacionesfinales5.10 Perspectiva histórica y referenciasEjerciciosSegmentación¿Qué es la segmentación?Segmentación básica para DLXHaciendo que funcione la segmentaciónEl principalobstáculo de la segmentación: riesgos de lasegmentaciónQué hace difícil de implementarla segmentacionExtensión de la segmentación de DLX para manipularoperaciones multicicloSegmentación avanzada: planificacióndinámica de lasegmentacionSegmentación avanzada: aprovechando más el paralelismode nivel de instrucciónJuntando todo: un VAX segmentadoFalacias y pifiasObservaciones finales
  11. 11. 6.12 Perspectiva históricay referenciasEjerciciosProcesadores vectoriales¿Por que máquinas vectoriales?Arquitectura vectorial básicaDos aspectos del mundo real: longitud del vector yseparación entre elementosUn modelo sencillo para el rendimiento vectorialTecnología de compiladores para máquinas vectorialesMejorando el rendimiento vectorialJuntando todo: evaluación del rendimiento de losprocesadoresvectorialesFalaciasy pifiasObservaciones finalesPerspectiva históricay referenciasEjerciciosDiseñode la jerarquía de memoriaIntroducción:principio de localidadPrincipios generales de jerarquía de memoriaCachesMemoriaprincipalMemoriavirtualProteccióny ejemplos de memoriavirtualMás optimizaciones basadas en el comportamientode losprogramasTópicos avanzados. Mejora del rendimiento de memoriacache8.9 Juntando todo: la ierarquia de memoria del VAX-11/7808.10 Falaciasy pifias8.11 Observaciones finales8.12 Perspectiva históricay referenciasEjerciciosIntroducciónPrediccióndel rendimiento del sistemaMedidas de rendimiento de E/STipos de dispositivos de E/SBuses. Conectandodispositivos de E/S a CPU/memorialnterfaz con la CPUlnterfaz con un sistema operativoDiseño de un sistema de E/SJuntando todo: el subsistema de almacenamiento IBM 3990Falaciasy pifiasObservaciones finalesPerspectiva históricay referenciasEjercicios
  12. 12. x¡¡ CONTENIDO10 Tendenciasfuturas10.1 Introducción10.2 Clasificaciónde Flynn de los computadores10.3 Computadores SIMD. Flujo Único de instrucciones,flujosmúltiples de datos10.4 Computadores MIMD. Flujos múltiples de instrucciones,flujos múltiples de datos10.5 Las rutas a El Dorado10.6 Procesadoresde propósito especial10.7 Direcciones futuras para los compiladores10.8 Juntando todo: el multiprocesador Sequent Symmetry10.9 Falaciasy pifias10.10 Observaciones finales. Evolución frente a revolución enarquitectura de computadores10.11 Perspectiva históricay referenciasEjerciciosApéndice A: Aritmbtica de computadorespor DAVID GOLDBERGXerox Palo Alto ResearchCenterIntroducciónTécnicas básicas de la aritmética enteraPunto flotanteSuma en punto flotanteMultiplicación en punto flotanteDivisión y restoPrecisionesy tratamiento de excepcionesAceleración de la suma enteraAceleración de la multiplicaciony división enterasJuntando todoFalaciasy pifiasPerspectiva históricay referenciasEjerciciosApéndice 6: Tablas completas de repertoriosde instruccionesB.l Repertoriode instruccionesde usuariodel VAX8.2 Repertoriode instruccionesdel sistema/360B.3 Repertoriode instruccionesdel 8086Apéndice C: Medidasdetalladas del repertoriode instruccionesC.1 Medidas detalladas del VAXC.2 Medidas detalladas del 360C.3 Medidas detalladas del lntel 8086C.4 Medidas detalladas del repertoriode instruccionesdel DLXApéndice D: Medidasde tiempo frentea frecuenciaD.l Distribución de tiempos en el VAX-111780
  13. 13. CONTENIDO xiiiD.2 Distribuciónde tiempos en el IBM 3701168D.3 Distribuciónde tiempos en un 8086 de un IBM PCD.4 Distribución de tiempos en un procesador próximo a DLXApéndice E: Visión general de lasarquitecturasRlSCIntroducciónModos de direccionamiento y formatos de instrucciónInstrucciones:el subconjunto de DLXInstrucciones:extensiones comunes a DLXlnstruccionesúnicas del MlPSlnstruccionesúnicas del SPARClnstruccionesunicas del M88000lnstruccionesÚnicas del i860Observaciones finalesReferenciasDefiniciones de arquitectura de computadores,trivialidades,fórmulas y reglas empíricasNotaciónde descripcion hardware (y algunos operadores Cesthndares)Estructura de la segmentación del DLXRepertorio de instruccionesdel DLX, lenguaje de descripción ysegmentación del DLXReferenciaslndice
  14. 14. -1 PrólogoComencé en 1962 a escribir un sencillo libro con esta secuencia de capítulos,pero pronto me di cuenta que era más importante tratar en profundidad lostemas mejor que pasar casi tocándolos ligeramente. El tamaño resultante hahecho que cada capítulo,por sí mismo, contenga suficiente material para uncurso semestral;por ello se ha hecho necesario publicar la serie en volúmenesseparados...Donald Knuth, TheArt of Computer Programming.Prólogo al Volumen 1 (de 7) (1968)¿Por que escribimos este libro?¡Bienvenidos a este libro! ¡Estamos contentos de tener la oportunidad de co-municar con usted! Hay muchas cosas excitantes que ocurren en la arquitec-tura de computadores, pero somos conscientes que los materiales disponiblesno hacen que la gente se dé cuenta de esto. Esta no es una ciencia aburrida demáquinas de papel que nunca funcionan. ¡NO!Es una disciplina de gran in-terés intelectual, que requiere equilibrar las fuerzas del mercado y del coste/rendimiento, llevando a fallos gloriosos y a algunos éxitos notables. Y es difi-cil imaginar la excitación de ver a miles de personas utilizar la máquina queusted diseñó.Nuestro objetivoprincipal al escribir este libro es ayudar a cambiar la formaen que se aprende la arquitectura de computadores. Pensamos que el campoha cambiado desde que sólo se podía enseñar con definiciones e informaciónhistórica, hasta ahora que se puede estudiar con ejemplos reales y medidasreales. Pensamos que este libro es aconsejable para un curso sobre arquitec-tura de computadores, así como un libro de texto o referencia para ingenierosprofesionales y arquitectos de computadores. Este libro incorpora una nuevaaproximación para desmitificar la arquitectura de computadores -hace én-fasisen una aproximación cuantitativa de las relaciones de coste/rendimiento.Esto no implica una aproximación demasiado formal, sino simplemente la quese basa en buen diseño de ingeniería. Para lograr esto, hemos incluido muchosdatos sobre máquinas reales, para que el lector pueda comprender la diná-mica de un diseño. de forma tanto cuantitativa como cualitativa. Un com-
  15. 15. XV¡ PROLOGOponente significativode esta aproximación se puede encontrar en las coleccio-nes de problemas al final de cada capítulo. Los ejercicios han constituido elnúcleo de la educación en ciencia e ingeniería. Con la aparición de una basecuantitativa para enseñar arquitecturade computadores, nos damos cuenta queel campo tiene potencial para desplazarse hacia los fundamentos rigurososcuantitativosde otras disciplinas.Organización y selecciónde tópicosHemos adoptado una aproximación conservadora para la selección de tópi-cos, ya que hay muchas ideas interesantesen este campo. Mejor que intentaruna visión general comprensiva de cada arquitectura que un lector pueda en-contrar en la práctica o en la literatura actual, hemos seleccionadolosconcep-tos fundamentales de arquitectura de computadores que, probablemente, sevan a incluir en cualquier máquina nueva. Para tomar estas decisiones, uncriterio clave ha sido hacer énfasis en ideas que se han examinado suficiente-mente como para ser explicadas en términos cuantitativos. Por ejemplo, nosconcentramos en los uniprocesadores hasta el capítulo final, donde se describeun multiprocesador de memoria compartida orientado a bus. Pensamos queesta clase de arquitectura de computador aumentará en popularidad, pero apesar de esta percepción, sólo respondía a nuestro criterioen un estrechomar-gen. Sólo recientementese ha examinado esta clase de arquitectura en formasque nos permiten discutirla cuantitativamente; incluso hace poco tiempo to-davía esto no se podía haber incluido. Aunque los procesadores paralelos engran escala son de importancia obvia para el futuro, creemosque es necesariauna base firme en los principios del diseño de uniprocesadores, antes quecualquier ingeniero en ejercicio intente construir un computador mejor decualquier organización; especialmente, incorporando múltiples uniprocesa-dores.Los lectores familiarizadoscon nuestra investigación pueden esperar queeste libro trate sólo sobre computadores de repertorio de instrucciones redu-cido (RISC). Esto es un juicio erróneo sobre el contenido del libro. Nuestraesperanza es que los principiosde diseno y los datos cuantitativos de este librorestrinjan las discusiones sobre estilos de arquitectura a términos como «másrápido» o «más barato», de forma distinta a debates anteriores.El material que hemos seleccionado se ha ampliado hasta una estructuraconsistenteque se sigue en cada capítulo. Después de explicar las ideas de uncapítulo, incluimos una sección de «Juntando todo», que liga las ideas ex-puestas para mostrar cómo se utilizan en una máquina real. A continuación,sigue una sección, titulada «Falacias y pifias~,que permite que los lectoresaprendan de los errores de los demás. Mostramos ejemplosde errores comu-nes y pifias en arquitectura que son difíciles de evitar aun cuando el lectorsepa que le están esperando. Cada capítulo finaliza con una sección de «Ob-servaciones finales», seguida por una sección de «Perspectiva histórica y refe-rencias~que intenta dar créditoadecuado a las ideas del capítulo y un sentidode la historia circundante a las invenciones, presentando el drama humanodel diseño de computadores. También proporciona referencias que el estu-diante de arquitectura puede desear conseguir. Si tiene tiempo, le recomen-
  16. 16. PROLOGO XV¡¡damos leer algunosde los artículos clásicos en este campo, que se mencionanen estas secciones. Es divertido y educativo oír las ideas de boca de los crea-dores. Cada capítulo finaliza con Ejercicios, unos doscientosen total, que va-rían desde revisiones de un minuto a proyectos de un trimestre.Un vistazo a la Tabla de contenidos muestra que ni la cantidad ni la pro-fundidad del material es igual de un capítulo a otro. En los primeros capítu-los, por ejemplo, tenemos material básico para asegurar una terminología yconocimientoscomunes básicos. Al hablar con nuestroscolegas,encontramosopiniones que varían ampliamente sobre los conocimientos básicos que tie-nen los lectores, el ritmo al que pueden captar el nuevo material, e incluso elorden en que se deben introducir las ideas. Nuestra hipótesis es que el lectorestá familiarizadocon el diseño lógico, y tiene conocimiento, al menos, de unrepertorio de instrucciones y conceptos básicos de software. El ritmo vana conlos capítulos, siendo la primera mitad más pausada que la segunda. Las deci-siones sobre la organizaciónse tomaron en respuesta a las advertenciasde losrevisores. La organización final se seleccionó para seguir adecuadamente lamayoría de los cursos (jademás de Berkeley y Stanford!)con sólo pequeñasmodificaciones. Dependiendo de sus objetivos, vemos tres caminos a travésde este material:Cobertura introductoria: Capítulos 1,2, 3,4, 5, 6.1-6.5, 8.1-8.5,9.1-9.5,10, y A.l-A.3.Cobertura intermedia: Capítulos 1,2, 3,4, 5,6.1-6.6,6.9-6.12,8.1-8.7,8.9-8.12, 9, 10, A (excepto la división en laSecciónA.9) y E.Cobertura avanzada: Leer todo, pero los Capítulos 3 y 5 y lasSeccionesA.1-A.2 y 9.3-9.4 pueden ser en sumayor parte una revisión, así que léalas rápi-damente.Desgraciadamente, no hay un orden ideal para los capítulos. Sería agra-dable conocer algo sobre segmentación (Cap. 6) antes de explicar repertoriosde instrucciones(Caps. 3 y 4), por ejemplo, pero es dificil comprender la seg-mentación sin comprender el repertorio completo de instruccionesque se estásegmentando.En versiones anteriores hemos intentado diversas ordenacionesde este material, y cada una tenía sus ventajas. Por ello, el material se ha es-crito para que se pueda cubrir de varias formas. La organización ha probadoser suficientementeflexible para una gran variedad de secuenciasde capítulosen el programa de examen «Betm en 18 escuelas, donde el libro se utilizó conéxito. La única restricción es que algunos capítulos deben ser leídos en se-cuencia:Capítulos 1y 2Capítulos 3 y 4Capítulos 5, 6 y 7Capítulos 8 y 9
  17. 17. XV¡¡¡ PROLOGOLos lectores deberían comenzar con los Capítulos 1 y 2 y finalizar con elCapítulo 10, pero el resto se puede cubrir en cualquier orden. La única salve-dad es que si se leen los Capítulos 5, 6 y 7 antes que los Capítulos 3 y 4, sedebería examinar primero la Sección 4.5, ya que el repertorio de instruccionesde esta sección, DLX, se utiliza para ilustrar las ideas que aparecen en esostres capítulos. Una descripción compacta de DLX y de la notación de descrip-ción hardware que utilizamos puede encontrarse en la contraportada poste-rior. (Seleccionamos una versión modificada de C para nuestro lenguaje dedescripción hardware debido a: su compacidad, al número de personas queconoce el lenguaje y a que no hay lenguaje de descripción común utilizado enlibros que se puedan considerar prerrequisitos.)Recomendamos encarecidamente a todos la lectura de los Capítulos 1 y 2.El Capítulo 1 es intencionadamente fácil de seguir, ya que puede leerse rápi-damente, incluso por un principiante. Da algunos principios importantes queactúan como temas que guían la lectura de capítulos posteriores. Aunque po-cos se saltarían la sección de rendimiento del Capítulo 2, algunos pueden estartentados.de saltar la sección de coste para ir a las cuestiones técnicas» de loscapítulos finales. Por favor, no lo haga. El diseño de computadores es casisiempre un intento de equilibrar coste y rendimiento, y pocos comprendencómo el precio se relaciona con el coste, o cómo bajar en un 10por 100 costey precio, y de qué forma se minimiza la pérdida de rendimiento. Los funda-mentos que se proporcionan, en la sección de coste del Capítulo 2, permitenque el coste/rendimiento sea la base de todos los compromisos en la segundamitad del libro. Por otro lado, probablemente sea mejor dejar algunas cuestio-nes como material de referencia. Si el libro es parte de un curso, las clasespueden mostrar cómo utilizar los datos desde estos capítulos para tomar de-cisionesen el diseño de computadores. El Capítulo 4 quizá sea el mejor ejem-plo de esto. Dependiendo de los conocimientos básicos, el lector puede estarya familiarizado con parte del material, pero tratamos de incluir algunas pe-culiaridades para cada materia. La sección sobre microprogramación delCapítulo 5 será un repaso para muchos, por ejemplo, pero la descripción delimpacto de las interrupciones sobre el control raramente se encuentra en otroslibros.También realizamos un esfuerzo especial en hacer este libro interesantepara los ingenieros en ejercicio y estudiantes avanzados. Secciones de temasavanzados se encuentran en:Capítulo 6, sobre segmentación (Secciones 6.7 y 6.8, que son aproxima-damente la mitad del capítulo).Capítulo 7, sobre vectores (el capítulo completo).Capítulo 8, sobre diseño de jerarquías de memoria (Sección 8.8, que esaproximadamente un tercio del Capítulo 8).Capítulo 10, sobre direcciones futuras (Sección 10.7, aproximadamente uncuarto de ese capítulo).Aquellos que, por presión del tiempo, quieran saltar algunas de estas sec-ciones, para hacer el salto más fácil, las seccionesde «Juntando todo» de losCapítulos 6 y 8 son independientes de los temas avanzados.
  18. 18. PROLOGO X¡XEl lector puede haber observado que el pu>to flotante se cubre en elApéndice A en lugar de en un capítulo. Como esto es muy independiente delmaterial restante, nuestra solución fue incluirlo como un apéndice cuandonuestras informaciones indicaron que un porcentaje significativo de los lec-tores tenían conocimientos sobre punto flotante.Los apéndices restantes se incluyen tanto como referencias para los pro-fesionalesde los computadores como para los Ejercicios. El Apéndice B con-tiene los repertorios de instrucciones de tres máquinas clásicas: la IBM 360, elIntel 8086 y la DEC VAX. Los Apéndices C y D dan la mezcla de instruccio-nes de programas reales para estas máquinas más DLX, medidas por frecuen-cia de instrucciones o por frecuencia de tiempo. El Apéndice E ofrece una vi-sión comparativa, más detallada, de algunas arquitecturas recientes.Ejercicios, proyectos y softwareLa naturaleza opcional del material también se refleja en los Ejercicios. Loscorchetes para cada pregunta (capítulo.sección) indican las seccionesde textode relevancia principal para responder la pregunta. Esperamos que esto ayudea los lectores a evitar ejerciciospara los cuales no han leído la sección corres-pondiente, así como suministrar la fuente para revisión. Hemos adoptado latécnica de Donald Knuth de puntuar los Ejercicios. Las puntuaciones dan unaestimación de la cantidad de esfuerzo que puede llevar un problema:[lo] Un minuto (lectura y comprensión).[20] De quince a veinte minutos para la respuesta completa.[25] Una hora para escribir la respuesta completa.[30] Proyecto corto de programación: menos de un día completo de pro-gramación.[40] Proyecto significativode programación: dos semanas de tiempo derealización.[50] Proyecto largo (de dos a cuatro semanas para dos personas).[Discusión] Tópico para discusión con otros interesados en arquitecturade computadores.Observaciones finalesEste libro es inusual, ya que no hay orden estricto en los nombres de losautores. La mitad de las veces aparecerá Hennessy y Patterson, tanto en estelibro como en los anuncios, y la otra mitad aparecerá Patterson y Hennessy.Incluso aparecerán ambas formas en las publicacionesbibliográficastales comoLibros en Impresión. (Cuando referenciamos el libro, alternamos el orden delos autores.) Esto refleja la verdadera naturaleza colaboradora de este libro:juntos, reflexionamos sobre las ideas y métodos de presentación, después, in-dividualmente, cada uno escribió una mitad de los capítulos y actuó como re-
  19. 19. XX PROLOGOvisor del borrador de la otra mitad. (¡En efecto, el número final de páginassugiere que cada uno escribió el mismo número de páginas!) Pensamos que lamejor forma de reflejar esta genuina cooperación es la de no ocultarse en laambigüedad -una práctica que puede ayudar a algunos autores pero con-funde a los bibliotecarios. Por ello, compartimosigualmente la culpa de lo queestá a punto de leer.JOHNHENNESSY DAVIDPATTERSONEnero 1990
  20. 20. 1 AgradecimientosEste libro se escribió con la ayuda de gran número de personas -tantas, enefecto, que algunos autores podrían detenerse aquí, indicando que eran de-masiadas para ser nombradas. Sin embargo, declinamos utilizar esa excusa,porque se ocultaría la magnitud de la ayuda que necesitamos. Por ello, cita-mos a las 137personasy cinco institucionesa las que tenemos que dar las gra-cias.Cuando decidimos añadir un apéndice sobre punto flotante, que caracte-rizase el estándar del IEEE, pedimos a muchos colegasque nos recomendasenuna persona que comprendieseese estándar y que pudiese escribir bien y ex-plicar con sencillezcomplejasideas. David Goldberg, de Xerox Palo Alto Re-search Center, realizó todas estas tareas admirablemente, poniendo un nivelal que esperamosse encuentre el resto del libro.Margo Seltzer de la U.C. Berkeley merece un reconocimiento especial. Nosólo porque fue la primera profesora ayudante del curso en Berkeley que uti-lizó el material, sino porque reunió todo el software, benchmarks y trazas.También ejecutó las simulacionesde las caches y del repertorio de instruccio-nes que aparecen en el Capítulo 8. Le agradecemos su prontitud y fiabilidadal seleccionar partes de softwarey juntar todo en un paquete coherente.Bryan Martin y Truman Joe de Stanford también merecen nuestro agra-decimiento especial por leer rápidamente los Ejercicios de los primeros capí-tulos poco antes de publicar el libro. Sin su dedicación, los Ejercicioshabríanestado considerablementemenos pulidos.Nuestro plan para desarrollareste material fue ensayar primero las ideas afinales de 1988en los cursos que impartíamos en Berkeley y Stanford. Crea-mos notas de clase; primero las ensayamos con los estudiantes de Berkeley(porque el año académico en Berkeley comienza antes que en Stanford), de-tectando algunos errores, y después exponiendo estas ideas a los estudiantesde Stanford. Esta puede no haber sido la mejor experiencia de sus vidas aca-démicas, por ello deseamos dar las gracias a aquellos que «voluntariamente»fueron conejillos de indias; así como a los profesores ayudantes Todd Narter,Margo Seltzer y Eric Williams, que sufrieronlas consecuencias del desarrollode esta experiencia.El siguiente paso del plan fue redactar un borrador del libro durante el in-vierno de 1989.Esperábamoshacerlo pasando a limpio las notas de clase, peronuestra realimentación de los estudiantes y la reevaluación, que es parte decualquier redacción, convirtió esto en una tarea mucho más amplia de lo que
  21. 21. XX¡¡ AGRADECIMIENTOSesperábamos. Esta versión «Alpha» se envió a los revisores en la primavera de1989. Nuestro agradecimiento especial a Anoop Gupta de la Universidad deStanford y a Forest Baskett de Silicon Graphics, que utilizaron la versión«Alpha» para impartir una clase en Stanford en la primavera de 1989.La arquitectura es un campo que tiene una cara académica y otra indus-trial. Nos relacionamos con ambos tipos de expertos para revisar el materialde este libro. Los revisores académicos de la versión «Alphm incluyen a Tho-mas Casavant de la Universidad de Purdue, Jim Goodman de la Universidadde Wisconsin en Madison, Roger Keickhafer de la Universidad de Nebraska,Hank Levy de la Universidad de Washington, Norman Matloff de la Univer-sidad de California en Davis, David Meyer de la Universidad de Purdue, Tre-vor Mudge de la Universidad de Michigan, Victor Nelson de la Universidadde Auburn, Richard Reid de la Universidad del Estado de Michigan y MarkSmotherman de la Universidad de Clemson. También deseamos dar las gra-cias a aquellos que nos comentaron nuestro borrador a finales del año 1989:Bill Dally del MIT, y Jim Goodman, Hank Levy, David Meyer y JosephPfeiffer del Estado de Nuevo México. En abril de 1989, algunos de nuestrosplanes fueron examinados en un grupo de discusión que incluía a Paul Barrde la Universidad del Noreste, Susan Eggers de la Universidad de Washing-ton, Jim Goodman y Mark Hill de la Universidad de Wisconsin, James Moo-ney de la Universidadde Virginia Oeste, y Larry Wittie de SUNY Stony Brook.Apreciamos sus valiosas sugerencias.Antes de citar a los revisores industriales, nuestro especial agradecimientoa Douglas Clark de DEC, que nos dio más comentarios sobre la versión«Alpha» que los demás revisores juntos, y cuyas observaciones fueron siem-pre escritas cuidadosamente teniendo en cuenta nuestra naturaleza sensible.Otras personas que revisaron algunos capítulos de la versión «Alpha» fueronDavid Douglas y David Wells de Thinking Machines,Joel Emer de DEC, EarlKillian de MIPS Computer SystemsInc., y Jim Smith de Cray Research. EarlKillian también explicó los misterios del analizador del repertorio de las ins-trucciones «Pixie» y nos proporcionó una versión no publicada para recogerestadísticasde saltos.También damos las gracias a Maurice Wilkes de Olivetti Research y aC. Gordon Bell de Stardent por ayudarnos a mejorar nuestras versiones de lahistoria de los computadores al final de cada capítulo.Además de aquellos que, voluntariamente, leyeron muchos capítulos,también deseamos dar las gracias a los que nos hicieron sugerenciasdel ma-terial a incluir o revisaron la versión «Alpha» de los capítulos:Capítulo 1: Danny Hillis de Thinking Machines por sus sugerenciassobre la asignaciónde recursos, de acuerdo con su contribución al rendimiento.Capítulo 2: Andy Bechtolsheim de Sun Microsystems por sus sugerencias del preciofrente al coste y las estimaciones de coste de las estacionesde trabajo; David Hodges dela Universidad de California en Berkeley, Ed Hudson y Mark Johnson de MIPS, AlMarston y Jim Slager de Sun, Charles Stapper de IBM, y David Wells de ThinkingMachinespor explicarel rendimiento y fabricación de los circuitos integrados: Ken Lutzde la U.C. Berlekey y el servicio de circuitos integrados FAST de USC/ISI por las citasde precios de los chips; Andy Bechtolsheim y Nhan Chu de Sun Microsystems, DonLewine de Data General, y John Mashey y Chris Rowen de MIPS que también revi-saron este capítulo.
  22. 22. AGRADECIMIENTOS XX¡¡¡Capítulo 4: Tom Adams de Apple y Richard Zimmermannde la Universidad del Estadode San Francisco por sus estadísticasdel Intel 8086;John Crawfordde Intel por revisarel 80x86 y otros materiales; Lloyd Dickman por revisar el material de la IBM 360.Capítulo 5: Paul Carrick y Peter Stoll de Intel por las revisiones.Capitulo 7: David Bailey de NASA Ames y Norm Jouppi de DEC por las revisiones.Capitulo 8: Ed Kelly de Sun por su ayuda en la explicación de las alternativas de lasDRAM y Bob Cmelik de Sun por las estadísticas de SPIX; Anant Agarwal de MIT,Susan Eggers de la Universidad de Washington, Mark Hill de la Universidad de Wis-consin en Madison, y Steven Przybylski de MIPS por el material de sus disertaciones;y Susan Eggers y Mark Hill por las revisiones.Capitulo 9: Jim Brady de IBM por proporcionar referencias cuantitativas para datossobre tiempo de respuesta y computadores IBM y revisar el capítulo; Garth Gibson dela Universidad de California en Berkeley por ayudarnos con las referencias del bus ypor revisar el capítulo; Fred Berkowitz de Omni Solutions, David Boggs de DEC, PeteChen y Randy Katz de la Universidad de California en Berkeley, Mark Hill de la Uni-versidad de Wisconsin, Robert Shomler de IBM, y Paul Taysom de AT&T Be11 Labo-ratones por las revisiones.Capítulo 10: C. Gordon Bell de Stardent por su sugerenciade incluir un multiprocesa-dor en la sección de «Juntando todo»; Susan Eggers, Danny Hills de Thinking Machi-nes, y Shreekant Thakkarde Sequent Computer por las revisiones.Apéndice A: Los datos sobre REM IEEE y la reducción de argumentosen la SecciónA.6,así como el teorema p6(q- 1)/2 (pág. 671)se tomaron de notas de clase no publicadasde William Kahan de la U.C. Berlekey (y no sabemos de ninguna fuente publicada quecontenga una explicaciónde estos aspectos).El dato de SDRWAVEes de David Houghde Sun Microsystems.Mark Birrnan de Weitek Corporation, Merrick Darley de TexasInstruments, y Mark Johnson de MIPS proporcionaron información sobre el: 3364,8847 y R3010, respectivamente. William Kahan también leyó un borrador de este ca-pítulo e hizo muchos comentarios útiles. También agradecemosa Forrest Brewer de laUniversidad de California en Santa Barbara, Milos Ercegovac de la Universidad de Ca-lifornia en Los Angeles, Bill Shannon de Sun Microsystems, y Behrooz Shirazi de laUniversidad Metodista del Southern por las revisiones.Aunque muchos nos advirtieron de que ahorrásemos esfuerzos y publicá-semos el libro lo antes posible, perseguíamosel objetivo de publicar el libro lomás claro posible con la ayuda de un grupo adicional de personas involucra-das en la ronda final de revisiones. Este libro no sena tan útil sin la ayuda deinstructores atrevidos, profesores ayudantes, y estudiantes trabajadores, queaceptaron el papel del examen «Beta» en el programa de examen de clase; rea-lizamos cientos de cambios como resultado del test «Betm. Las institucionese instructores del test «Beta» fueron:Universidad de Carnegie-Mellon Daniel SiewiorekUniversidad de Clemson Mark SmothermanUniversidad de Cornell Keshav PingaliUniversidad del Estado de Pennsylvania Mary Jane Irwin/Bob OwensUniversidad del Estado de San Francisco Vojin OklobdzijaUniversidad Sureste del Estado deMissouri Anthony DubenUniversidad Meridional Metodista Behreoz ShiraziUniversidad de Stanford John HennessyUniversidad del Estado de Nueva Yorkde Stony Brook Larry Wittie
  23. 23. X ~ ¡ V AGRADECIMIENTOSUniversidad de Califomia de BerkeleyUniversidad de Californiade Los AngelesUniversidad de Californiade Santa CruzUniversidad de NebraskaUniversidad de Carolina del Norte deChape1 HillUniversidad de Texas de AustinUniversidad de Water100Universidad de Wisconsin de MadisonUniversidad de Washington (St. Louis)Vojin OklobdzijaDavid RennelsDaniel HelmanRoger KieckhaferAkhilesh TyagiJosep RamehBruno PreissMark HillMark FranklinMención especial merecen Daniel Helman, Mark Hill, Mark Smother-man y Larry Wittie que fueron especialmente generosos con sus sugerencias.A la compilaciónde las solucionesde los ejerciciospara los instructoresde loscursos contribuyeron Evan Tick de la Universidad de Oregon, Susan Eggersde la Universidad de Washington,y Anoop Gupta de la Universidad de Stan-ford.Las clases en SUNY Stony Brook, Carnegie-Mellon, Stanford, Clemson yWisconsin nos proporcionaron el mayor número de descubrimientosde erro-res en la versión «Betm. Nos gustaría hacer notar que se encontraron nume-rosos errores y los corrigieron las siguientes personas: Michael Butler, RohitChandra, David Cummings, David Filo, Carl Feynman, John Heinlein, JimQuinlan, Andras Radics, Peter Schnorf y Malcolm Wing.Además de los exámenesde clase, también pedimos nuevamenteayuda anuestrosamigosde la industria. Nuestro agradecimientoa Jim Smith de CrayResearch por su minuciosa revisión y sus previsoras sugerencias del textocompleto «Betan. Las siguientespersonas también nos ayudaron a mejorar laversión «Betm, y se lo agradecemos:Ben Hao de Sun Microsystems por revisar la versión «Beta» completa.Ruby Lee de Hewlett-Packardy Bob Supnik de DEC por revisar algunoscapítulos.Capítulo 2: Steve Goldstein de Ross Semiconductory Sue Stone de Cypress Semi-conductor por las fotografíasy la oblea del CY7C601 (págs. 61-62);John Crawfordy Jacque Jarve de Intel por las fotografíasy obleas del Intel 80486 (págs. 60-62);yDileep Bhandarkarde DECpor ayudamos con la versión VMS de Spicey TeX uti-lizadas en los Capítulos 2-4.Capítulo 6: John DeRosa de DEC por ayudarnos con la segmentación del 8600.Capítulo 7: Corinna Lee de la Universidad de California en Berkeley por las me-didas de los Cray X-MP e Y-MP y por las revisiones.Capítulo 8: Steve Przybylski de MIPS por las revisiones.Capítulo 9: Dave Anderson de Impnmis por las revisiones y por suministrarnosmaterial sobre tiemposde acceso al disco;Jim Brady y Robert Shomlerde IBM porlas revisiones,y Pete Chen de Berkeley por las sugerencias en las fórmulas de ren-dimiento del sistema.Capítulo 10: C. Gordon Bell por las revisiones, incluyendo algunas sugerencias so-bre las clasificacionesde las máquinas MIMD, y David Douglas y Danny Hillis deThinking Machines por las explicaciones sobre procesadores paralelos del futuro.Apéndice A: Mark Birman de Weitek Corporation, Merrick Darley de Texas Ins-truments, y Mark Johnson de MIPS por las fotografías y planos de planta de loschips (págs. 641); y David Chenevert de Sun Microsystems por las revisiones.
  24. 24. AGRADECIMIENTOS XXVApéndice E: Se añadió después de la versión «Betan, y agradecemos a las siguientespersonas sus revisiones: Mitch Alsup de Motorola, Robert Garner y David Weaverde Sun Microsystems, Earl Killian de MIPS Computer Systems, y Les Kohn de In-tel.Aunque hemos hecho todo lo posible para eliminar los errores y para co-rregir los señaladospor los revisores, ¡Sólo nosotros somos responsables de todolo que queda!También queremos agradecer a la «Defense Advanced Research ProjectsAgency~por soportar nuestra investigación durante muchos años. Esa inves-tigación fue la base de muchas ideas que aparecen en este libro. En particular,queremos dar las gracias a los gestores actuales y anteriores del programa:Duane Adams, Paul Losleben, Mark Pullen, Steve Squires, Bill Bandy y JohnToole.Nuestro agradecimiento a Richard Swan y sus colegas de DEC Western .Research Laboratory por proporcionarnos un escondrijopara escribir las ver-siones iAlphm y «Betm, y a John Ousterhoutde la U.C.Berkeley, que siem-, pre estuvo dispuesto (e incluso un poco impaciente) para actuar como abo-gado del diablo por los méritos de las ideas de este libro durante este viaje deBerkeley a Palo Alto. También damos las gracias a Thinking Machines Cor-poration por proporcionarnos un refugio durante la revisión final.Este libro no se podna haber publicado sin un editor. John Wakerley nosdio valiosos consejos sobre cómo encontrar un editor. Seleccionamos a Mor-gan Kaufmann Publishers, Inc., y no nos arrepentimos de esa decisión. (¡NOtodos los autores piensan de esta forma acerca de su editor!)Comenzando connotas de clasejusto después del Día de Año Nuevo de 1989, completamos laversión «Alpha» en cuatro meses. En los tres meses siguientes recibimos re-visiones de 55 personas y terminamos la versión «Betax Después de los exá-menes de clase con 750 estudiantes a finales de 1989 y más revisiones de laindustria, conseguimos la versión final justo antes de las Navidades de 1989.Con todo, el libro estuvo disponible en marzo de 1990. No conocemos otroeditor que llevase el mismo paso con una planificación rigurosa. Deseamosagradecer a Shirley Jowell el aprendizaje sobre segmentación y riesgos en lasegmentación y ver cómo aplicarlos para editarlos. Nuestro agradecimientomás caluroso a nuestro editor Bruce Spatz por su guía y su humor en nuestraaventura de escritores. También queremos dar las gracias a los miembros dela amplia familia de Morgan Kaufmann: Walker Cunningham por la edicióntécnica, David Lance Goines por el diseño de la cubierta, Gary Head por eldiseño del libro, Linda Medoff por la edición de producción y copia, FifthStreet Computer Services por el mecanografiadoy Paul Medoff por las prue-bas de lectura y asistencia de producción.También debemos dar las gracias a nuestro «staffi>de la universidad,Dar-lene Hadding, Bob Miller, Margaret Rowland y Terry Lessard-Smith por losinnumerables «faxes» y correos express, así como por encargarse del trabajoen Stanford y Berkeley mientras trabajamos en el libro. Linda Simko y KimBarger de Thinking Machines también nos proporcionaron numerosos co-rreos express durante el otoño.Finalmente, graciasa nuestras familias por su paciencia a lo largo de largasnoches y tempranas mañanas de lectura, mecanografiadoy abandono.
  25. 25. 1 Sobre los autoresDAVID A. PATTERSON (Universidad de California en Berkeley) ha ense-ñado arquitectura de computadores desde su incorporación al cuerpo docenteen 1977, y actualmente es presidente de la división de Informática. Ha sidoconsultor de algunas compañías, incluyendo Digital Equipment Corporation,Intel y Sun Microsystems. El doctor Patterson es también ((CorporateFellowde Thinking Machines y miembro del ((Scientific Advisory Board» de DataGeneral. Ha sido galardonado por la Universidad de California con el «Di+tinguished TeachingAward» y es «Fellow» del Institute of Electncal and Elec-tronic Engineers.En Berkeley dirigió el diseño e implementación del RISC 1, probable-mente el primer computador VLSI de repertorio de instrucciones reducido.Más tarde, sus proyectos produjeron varias generaciones de RISC, así comodos adistinguished disertation awardsn de la Association for Computing Ma-chinery (ACM). Esta investigaciónconstituyó los fundamentos de la arquitec-tura SPARC, actualmente utilizada por AT&T, Fujitsu, ICL, LSI Logic, Phi-lips, Sun, TI y Xerox. Su investigación actual se centra en el desarrollo denuevos sistemasde entrada/salida para incrementarel rendimientode las CPU.JOHN L. HENNESSY (Universidad de Stanford) ha sido miembro del cuerpodocente desde 1977. Es director del Computer Systems Laboratory en Stan-ford, donde enseña arquitectura de computadores y supervisa un grupo de es-tudiantesde doctorado. Es el titular actual de la cátedra Willard R. e Inez KerrBe11de la Escuela de Ingeniería.El área de investigación original de Hennessy fue la optimización de com-piladores. Su grupo de investigación en Stanforddesarrollómuchas de las téc-nicas que ahora se usan comercialmente.En 1981 comenzó el proyecto MIPSen Stanford con un grupo de estudiantesgraduados. Después de completar elproyecto en 1984,dejó un año la universidad y fue uno de los fundadores deMIPS Computer Systems. La arquitectura RISC desarrolladaen MIPS ha sidoadoptada por una serie de compañías, entre las que se encuentran DEC, Ho-neywell-Bull, NEC, Siemens, Silicon Graphics y Tandem. Continúa ejer-ciendo como jefe científico en MIPS. Su investigación actual en Stanford sedirige al área del diseño y explotaciónde multiprocesadores.
  26. 26. Y ahora algo completamentediferente.Circovolante de Monty Python.IntroducciónDefinicionesde rendimientoPrincipioscuantitativos del diseño de computadoresEltrabajo de un diseñador de computadoresJuntando todo: el conceptode jerarquía de memoriaFalacias y pifiasObservaciones finalesPerspectivahistórica y referenciasEjercicios
  27. 27. de computadores1La tecnología de computadores ha progresado increíblemente en los últimoscincuenta años. En 1945, no había computadores de programa almacenado.Hoy, con unos pocos miles de dólares se puede comprar un computador per-sonal con más prestaciones, más memoria principal y más memoria de discoque un computador que, en 1965,costaba un millón de dólares. Este rápidocrecimiento en las prestaciones es consecuencia de los avances en la tecnolo-gía utilizada en la construcción de computadores y de las innovacionesen losdiseños de los mismos. El aumento del rendimiento de las máquinas se indicaen la Figura 1.1. Mientras que las mejoras tecnológicas han sido bastanteconstantes, el progreso en la obtención de mejores arquitecturas ha sido mu-cho menos consistente.Durante los veinticinco primeros años de los compu-tadores electrónicos, ambas fuerzas contribuían de forma importante; perodurante los veinte últimos años, los diseñadoresde computadores han depen-dido enormemente de la tecnología de circuitosintegrados. El crecimiento delrendimiento durante este período vana del 18 al 35 por 100por año, depen-diendo de la clase de computador.Entre todas las líneas de computadores, la velocidad de crecimiento de losgrandescomputadores (mainframes)es la que más se debe a la tecnología -lamayoría de las innovaciones en organización y arquitectura se introdujeronen estas máquinas hace muchos años. Los supercomputadores han crecidogracias a las mejoras tecnológicas y arquitectónicas (ver Cap. 7). Los avancesen minicomputadores han incluido formas innovadoras de implementar .ar-quitecturas, así como la adopción de muchas de las técnicas de los grandesFundamentos del diseiio
  28. 28. 4 ARQUITECTURA DE COMPUTADOREScomputadores. El crecimiento del rendimiento de los microcomputadores hasido el más rápido, en cierto modo porque estas máquinas aprovecharon lasventajas que ofrece la tecnología de circuitos integrados. Además, desde 1980,la tecnología de microprocesadores ha sido la tecnología elegida para las nue-vas arquitecturas y las nuevas implementaciones de arquitecturas antiguas.Dos cambios significativosen el mercado de computadores han hecho másfácil que antes el éxito comercial de las nuevas arquitecturas. En primer lugar,la eliminación virtual de la programación en lenguaje ensamblador ha redu-cido drásticamente la necesidad de la compatibilidad del código objeto. En se-gundo lugar, la creación de sistemas operativos estandarizados, independien-tes de los vendedores, como por ejemplo UNIX, ha reducido el coste y riesgode lanzar al mercado una nueva arquitectura. Por consiguiente ha habido un1o0RendimientoFIGURA 1.1 Crecimiento del rendimiento a lo largo de los últimos aiios delas diferentes clases de computadores. El eje vertical muestra el rendimiento re-lativo y el horizontalel año de introducción. Las clases de computadores están de-finidas, básicamente por su coste. Los supercomputadores son los más caros-desde, aproximadamente, un millón a decenas de millones de dólares. Diseña-dos principalmentepara aplicaciones científicas, son las máquinas de más alto ren-dimiento. Los computadores grandes(mainframes)son máquinasde propósito ge-neral de altas prestaciones, normalmentecuestan más de medio millón de dólaresy, como máximo, unos pocos millones de dólares. Los minicomputadoresson má-quinas de tamaño medio que cuestan entre cincuenta mil dólares y diez veces esacantidad. Finalmente, los microcomputadores varían desde los pequeños compu-tadores personales que cuestan unos pocos miles de dólares a las grandes y po-tentes estacionesde trabajo que cuestancincuentamil o más dólares. La velocidadde crecimiento en el rendimiento de los supercomputadores, minicomputadores yordenadores grandes ha sido del 20 por 100 por ailo, mientras que la velocidad decrecimiento en el rendimiento para los microprocesadores ha sido, aproximada-mente, del 35 por 100 por año.
  29. 29. FUNDAMENTOS DEL DISEÑO DE COMPUTADORES 5renacimiento en el diseño de computadores: hay muchas nuevas compañíastrabajando en nuevas direcciones arquitectónicas, con las nuevas familias decomputadores que emergen -mini-supercomputadores, microprocesadoresdealto rendimiento, supercomputadores gráficos y un amplio rango de multi-procesadores- a mayor velocidad que nunca.Comenzando en 1985, la industria de computadores vio un nuevo estilode arquitectura aprovechando esta oportunidad e iniciando un periodo en elcual el rendimiento ha aumentado a una velocidad mucho más rápida. Al au-nar los avances en la tecnología de circuitos integrados, las mejoras en la tec-nología de compiladores y las nuevas ideas arquitectónicas, los diseñadorespudieron crear una serie de máquinas que mejoraban el rendimiento, en unfactor de casi 2, cada año. Estas ideas están ahora proporcionando una de lasmejorasen rendimiento más significativamentesostenidas en los últimos veinteaños. Esta mejora ha sido posible al haber tenido en cuenta una serie de im-portantes avances tecnológicosjunto a un mejor conocimiento empírico so-bre la utilización de los computadores. De esta fusión ha emergido un estilode diseno de computadores basado en datos empíricos, experimentación y si-mulación. Este estilo y aproximación al diseño de computadores se reflejaráen este texto.Continuar las mejoras en costo y rendimiento de los últimos veinticinco acincuenta años requirirá innovaciones continuas en el diseño de computado-res, y los autores piensan que las innovaciones estarán basadas en esta apro-ximación cuantitativa de la arquitectura de computadores. Por consiguiente,este libro se ha escrito no sólo para documentar este estilo de diseno, sinotambién para estimular a que el lector contribuya en este campo.7 )Definicionesde rendimientoPara familiarizar al lector con la terminología y conceptos de este libro, estecapítulo introduce algunos términos e ideas clave. Ejemplos de las ideas men-cionadas aquí aparecen a lo largo del libro, y algunas de ellas -segmentación(pipelining),jerarquía de memoria, rendimiento de la CPU y medida de cos-tes- son el núcleo de capítulos completos. Comencemos con definiciones derendimiento relativo.Cuando se dice que un computador es más rápido que otro, ¿qué quere-mos significar? El usuario delcomputador puede decir que un computador esmás rápido cuando ejecuta un programa en menos tiempo, mientras que eldirector de un centro de cálculo puede decir que un computador es más rá-pido cuando completa más tareas en una hora. El usuario del computador estáinteresado en reducir el tiempo de respuesta-el tiempo transcunido entre elcomienzo y el final de un evento- denominado también tiempo de ejecucióno latencia. El director del centro de cálculo está interesado en incrementar laproductividad (throughput) -la cantidad total de trabajo realizado en untiempo determinado- a veces denominado ancho de banda. Normalmente,los términos «tiempo de respuesta», «tiempo de ejecución» y «productividad»se utilizan cuando se está desarrollando una tarea de cálculo completa. Lostérminos elatencim y «ancho de banda» casi siempre se eligen cuando se ha-
  30. 30. bla de un sistema de memoria. Todos estos términos aparecerán a lo largo deeste texto.¿Las siguientesmejoras en rendimiento incrementan la productividad, hacendisminuir el tiempo de respuesta, o ambas cosas?1. Ciclo de reloj más rápido.l 2. Múltiples procesadores para tareas separadas(tratamiento del sistema dereservas de una compañía aérea, para un país, por ejemplo).3. Procesamientoparalelo de problemas científicos.La disminución del tiempo de respuesta, habitualmente, mejora la producti-vidad. Por consiguiente, 1 y 3 mejoran el tiempo de respuesta y la produc-tividad. En 2, ninguna tarea funciona más rápida, por tanto, sólo incrementala productividad.A veces estas medidas se describen mejor con distribucionesde probabili-dad en lugar de con valores constantes. Por ejemplo, consideremosel tiempode respuesta para completar una operación de E/S en un disco. El tiempo derespuesta depende de una serie de factores no determinísticos,como lo que eldisco esté haciendo en el instante de la petición de E/S y del número de tareasque están esperando acceder al disco. Debido a que estos valores no son fijos,tiene más sentido hablar de tiempo medio de respuesta de un acceso al disco.De igual forma, la productividad efectiva del disco -el número de datos querealmente va o viene del disco por unidad de tiempo- no es un valor cons-tante. En la mayor parte de este texto, trataremos el tiempo de respuesta y laproductividad como valores determinísticos, aunque esto cambiará en elCapítulo 9, cuando hablemos de E/S.Cuando se comparan alternativasde diseño, con frecuencia, queremos re-lacionar el rendimiento de dos máquinas diferentes, por ejemplo X e Y. Lafrase «X es más rápida que Y» se utiliza aquí para significarque el tiempo derespuesta o tiempo de ejecución es inferior en X que en Y para una tarea dada.En particular, «X es n por 100más rápido que Y» significaTiempo de ejecucióny n= 1 +-Tiempo de ejecuciónx 1O0Como el tiempo de ejecución es el recíproco del rendimiento, se mantiene lasiguiente relación:1n Tiempo de ejecucióny Rendimientoy Rendimientox1 + - = -- --100 Tiempo de ejecuciónx 1 RendimientoyRendimientox
  31. 31. FUNDAMENTOS DEL DISENO DE COMPUTADORES 7Algunas personas consideran un incremento en el rendimiento, n, como la di-ferencia entre el rendimiento de la máquina más rápida y la más lenta, divi-dido por el rendimiento de la máquina más lenta. Esta definición de n esexactamenteequivalente a nuestra primera definición, como podemos ver:n Rendimientox Tiempo de ejecucióny1 +- -- --100 Rendimientoy Tiempo de ejecuciónxLa frase «la productividad de X es el 30 por 100 superior que la de Y»significa que el número de tareas completadas por unidad de tiempo en lamáquina X es 1,3veces el número de tareas completadasen la máquina Y.Si la máquina A ejecuta un programa en diez segundosy la máquina B eje-cuta el mismo programa en quince segundos, ¿cuál de las siguientes senten-cias es verdadera?iA es el 50 por 100 más rápida que B.iA es el 33 por 100 más rápida que B.Tiempo de ejecuciónB n= 1 + -Tiempo de ejecución, 1O0RespuestaTiempo de ejecuciónB- Tiempo de ejecución,n = 100Tiempo de ejecución,Que la máquina A sea el n por 100más rápida que la máquina B puede ex-presarse como1 A es, por tanto, el 50 por 100 más rápida que B.Para ayudar a prevenir malentendidos-y debido a la faltade definicionesconsistentes para «más rápido que» y «más lento que»- nunca utilizaremosla frase «más lento que» en una comparación cuantitativa de rendimiento.
  32. 32. Como rendimiento y tiempo de ejecución son recíprocos, incrementar elrendimiento hace decrecer el tiempo de ejecución. Para ayudar a evitar con-fusiones entre los términos eincrementam y «decrementan>,habitualmente,diremos «mejorar el rendimiento» o «mejorar el tiempo de ejecución» cuandoqueramos significar incremento de rendimiento y disminución de tiempo deejecución.Productividad y latencia interactúan de forma diferente en los diseños decomputadores. Una de las interacciones más importantes se presenta en lasegmentación (pipelining).La segmentación es una técnica de implementa-ción que mejora la productividad al solapar la ejecución de múltiples instruc-ciones; la segmentación se explica con detalle en el Capítulo 6. La segmenta-ción de instruccioneses análoga a utilizar una línea de ensamblajepara fabricarcoches. En una línea de ensamblaje, se pueden tardar ocho horas en construirun coche completo, pero si hay ocho pasos en la línea de ensamblaje, cadahora se fabrica un nuevo coche. En la línea de ensamblaje, no se ve afectadala latencia para construir un coche, pero la productividad aumenta proporcio-nalmente con el número de etapas de la línea, si todas las etapas son de lamisma duración. El hecho de que la segmentación en los computadores ten-ga algún gasto por etapa incrementa la latencia en cierta cantidad para cadaetapa del cauce.7.3Principioscuantitativos del dise60de computadoresEsta sección introduce algunas reglas y observaciones importantes para dise-ñar computadores.Acelerar el caso comúnQuizá el principio más importante y generalizadodel diseño de computadoressea acelerar el caso común: al realizar un diseño, favorecer el caso frecuentesobre el infrecuente. Este principio también se aplica cuando se determinacómo emplear recursos, ya que el impacto de hacer alguna ocurrencia más rá-pida es mucho mayor si la ocurrencia es frecuente. Mejorar el evento fre-cuente en lugar del evento raro, evidentemente, también ayudará a aumentarel rendimiento. Además, el caso frecuente es, a menudo, más simple y puederealizarse de forma más rápida que el caso infrecuente. Por ejemplo, cuandosumamos dos números en la unidad central de proceso (CPU), podemos es-perar que el desbordamiento (overflow) sea una circunstancia infrecuente y,por tanto, podemos mejorar el rendimiento optimizando el caso más comúnde ausencia de desbordamiento. Este hecho puede ralentizar la situación en laque se presente un desbordamiento, pero si este caso es infrecuente, el rendi-miento global mejorará al optimizar el caso normal.Veremos muchos casos de este principio a lo largo de este texto. Al aplicareste sencillo principio, hemos de decidir cuál es el caso frecuente y cómo sepuede mejorar el rendimiento haciendo este caso más rápido. Una ley fun-
  33. 33. FUNDAMENTOS DEL DISENO DE COMPUTADORES 9damental, denominada Ley de Amdahl, puede utilizarse para cuantificar esteprincipio.Ley de AmdahlEl aumento de rendimiento que puede obtenerse al mejorar alguna parte deun computador puede calcularse utilizando la Ley de Amdahl. La Ley deAm-dahl establece que la mejora obtenida en el rendimiento al utilizar algún modode ejecución más rápido está limitada por la fracción de tiempo que se puedautilizar ese modo más rápido.La Ley de Amdahl define la ganancia de rendimiento o aceleración (spee-dup) que puede lograrse al utilizar una característica particular. ¿Qué es laaceleración? Supongamosque podemos hacer una mejora en una máquina quecuando se utilice aumente su rendimiento. La aceleración (speedup)es la re-laciónAceleraciónde rendimiento =- Rendimientode la tarea completautilizando la mejora cuando sea posible-Rendimientode la tarea completasin utilizar la mejoraAlternativamente:Aceleración de rendimiento =- Tiempode ejecución de la tarea sin utilizar la mejora-Tiempode ejecución de la tarea completautilizando la mejora cuando sea posibleLa aceleración nos indica la rapidez con que se realizará una tarea utilizandouna máquina con la mejora con respecto a la máquina original.Considerar el problema de viajar desde Nevada a California a través de lasmontañas de Sierra Nevada y del desierto de Los Angeles. Hay disponibles va-rios tipos de vehículos, pero, desgraciadamente, el viaje se realiza a través deáreas ecológicamente sensibles por las montañas que hay que atravesar. Seemplean veinte horas en recorrer a pie las montañas. Sin embargo, existe laposibilidad de recorrer las últimas 200 millas en un vehículo de alta veloci-dad. Hay cinco formas de completar la segunda parte del viaje:1. Ir a pie a una velocidad media de 4 millas por hora.2. Mont