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Evolução Tecnológica
Gerações
Evoluções
Paralelismo
Ano Componente Armazen. Linguagens O/S
54 Tubes core (8 ms)
58 Transistor (10µs) Fortran
60 Algol, Cobol Batch
64 Hybrid (1µs) thin films Lisp, APL, Basic
66 IC (100ns) (200ns) PL1, Simula,C
67 Multiprog.
71 LSI (10ns) 1k DRAM O.O. V.M.
73 (8-bit µP)
75 (16-bit µP) 4k DRAM
78 VLSI (10ns) 16k DRAM Redes
80 64k DRAM
84 (32-bit µP) 256k DRAM ADA
87 ULSI 1M DRAM
89 GAs 4M DRAM C++
92 (64-bit µP) 16M DRAM Fortran90
Evolução Tecnológica
Perspectiva da Intel
Ano Processador # Xtors
1971 4004 2300
1972 8008 3500
1974 8080 6000
1978 8086/8088 29000
1982 80286 134K
1985 80386 275K
1989 80486 1.2M
1993 Pentium 3.1M
1995 Pentium Pro 5.5M
1997 Pentium II 7.5M
1999 Pentium III 9.5M
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• Área de aplicação
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• Padrões: inovação vs. competição
– IEEE 754 (Ponto flutuante)
– Barramentos de I/O
– Redes
– Sistemas operacionais / Linguagens de programação ...
Projeto de Novas Arquiteturas
Previsões para o ano 2000
• Tecnologia
– Tamanho de RAMs dinâmicas: + 64 MBits
– Alta velocidade para RAMs estáticas: 1 MB, 10ns
• Sistemas completos em um único chip
– Por que isto é importante?
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• Paralelismo
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Previsões para o ano 2000
• “Computação integrada em rede”
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Arquitetura de Computadores - Lecom - UFMG

  • 1. Aula 01: Introdução Mario F. Montenegro Campos ICEx 4013 - mario@dcc.ufmg.br • Arquitetura de Computadores
  • 2. LECOM Laboratório de Engenharia de Computadores • Sistemas tolerantes a falhas • Projeto de sistemas digitais • Prototipação rápida de sistemas • Verificação formal • Arquitetura de computadores • arquiteturas reconfiguráveis • Hardware/Software Co-design • Ferramentas de auxílio ao projeto de sistemas digitais – microeletrônica • Sistemas de tempo real • Wearable Computing Por que estudar arquitetura de computadores? • Quem quiser trabalhar em áreas afins... – arquitetura de computadores – sistemas operacionais – sistemas paralelos e distribuídos – projeto e análise de sistemas • Quem quiser conhecer os sistemas que estarão no mercado no século seguinte • Quem desenvolve sistemas – “afinar” o software para características específicas de uma arquitetura
  • 3. O que é arquitetura de computadores? “os atributos de um sistema de computação na visão do programador, i.e., a estrutura conceitual e o comportamento funcional, … em oposição à implementação física.” Amdahl, Blaaw, and Brooks, 1964 O que é este curso? Entender as técnicas de projeto, arquitetura das máquinas correntes, fatores da tecnologia, métodos de avaliação que vão determinar a estrutura dos computadores do próximo século Tecnologia Linguagens de Programação Sistemas Operacionais História Aplicações Projeto da Interface Medidas e avaliação Paralelismo Arquitetura de Computadores: • Projeto do conjunto de instruções • Organização • Hardware
  • 4. Pré-requisitos • Conceitos em organização de computadores – Organização de Computadores I • Projeto de sistemas lógicos – Introdução aos Sistemas Lógicos • Linguagens: C e assembler • Conceitos básicos de sistemas operacionais • Conceitos básicos de compiladores Material do curso • Livro texto e papers • Listas de exercícios • Trabalhos de implementação de uma arquitetura RISC • Projeto de final de curso, envolvendo um tópico avançado
  • 5. Cursos relacionados Arquitetura de Computadores OC1 OC2 ISL Sistemas HW/SW Sistemas Operacionais Programação Paralela Graduação Pós-Graduação SW Básico Programação Hennessy and Patterson, Computer Architecture: A Quantitative Approach, 2nd Ed., Morgan Kaufman, 1995. • Introdução à arquitetura de computadores (Capítulo 1) • Conjunto de instruções (Capítulo 2) • Pipelining e paralelismo de instruções (Capítulo 3, 4) • Hierarquia do sistema de memória (Capítulo 5) • Entrada/Saída e sistema de armazenamento (Capítulo 6) • Tecnologia de interconexão e redes (Capítulo 7) • Multiprocessadores (Capítulo 8) • Aritmética de computadores (Apêndice A) • Tópicos avançados
  • 6. uRISC - Microcontrolador RISC de 16 bits • ALU de 16 bits • Decodificação otimizada para operações lógicas • Estruturas de interrupção e temporização • I/O mapeado em memória Livros de referência complementar • Patterson and Hennessy, Computer Organization and Design: the Hardware/Software Interface, Segunda edição, Morgan Kaufmann, 1997. • Sailer, P.M. and Kaeli, D.R., The DLX Instruction Set Architecture Handbook, Morgan Kaufmann, 1996. • R. Lipsett, C. Schaefer, C. Ussery, VHDL: Hardware Description Language and Design, Kluwer Academic Publishers, 1989. • Peter J Ashenden, The Designer's Guide to VHDL, Morgan Kaufmann, 1995. • manuais (SCI, SCSI, etc…) e papers
  • 7. Tópicos a serem estudados Arquitetura a nível de instrução Pipelining, resolução de hazards, superscalar, reordenamento, predição, especulação Endereçamento, Proteção, Tratamento de exceção Cache L1 Cache L2 DRAM Discos, WORM, Fitas Coerência, Bandwidth, Latência Tecnologia emergentes Interleaving Protocolos de barramento RAID VLSI I/O e armazenamento Hierarquia de memória Pipelining and paralelismo a nível de instrução Tópicos a serem estudados M rede de interconexãoS PMPMPMP ° ° ° Topologias, roteamento, bandwith, latência, reliability Interfaces de redes Memória compartilhada, Troca de mensagens, switch entre processador e memória Multiprocessadores, redes e interconexão
  • 8. Tópicos avançados • “Portable systems” •Computadores vs. comunicadores inteligentes •Alta performance vs. baixa potência •I/O de tempo real •Dispositivos portáteis de armazenamento (PCMCIA) •Baterias inteligentes •Técnicas de SW e HW para conservação de energia Tópicos avançados • Processadores de uso dedicado e Arquiteturas reconfiguráveis • Permitem customizar processador para aplicações dedicadas para maximizar performance – possível com uso de dispositivos reconfiguráveis (FPGAs) – exemplos: decodificador de mpeg, dma’s reconfiguráveis, ASIPs (Application Specific Instruction Processors) Interconexão Input/Output Unidades de processamento Estado local
  • 9. Metodologia de projeto de arquiteturas de computadores Avanços tecnológicos Metodologia de projeto de arquiteturas de computadores AvaliaAvaliaçção de sistemasão de sistemas existentes em buscaexistentes em busca dos gargalosdos gargalos Benchmarks Avanços tecnológicos
  • 10. Metodologia de projeto de arquiteturas de computadores SimulaSimulaçção de novosão de novos projetos e organizaprojetos e organizaççõesões Workloads Avanços tecnológicos AvaliaAvaliaçção de sistemasão de sistemas existentes em buscaexistentes em busca de gargalosde gargalos Benchmarks Metodologia de projeto de arquiteturas de computadores Complexidade do sistema AvaliaAvaliaçção de sistemasão de sistemas existentes em buscaexistentes em busca de gargalosde gargalos Avanços tecnológicos ImplementaImplementaççãoão dada prpróóxima geraxima geraççãoão SimulaSimulaçção de novosão de novos projetos e organizaprojetos e organizaççõesões Workloads Benchmarks
  • 11. Metodologia de projeto de arquiteturas de computadores (Idéia básica) • Regra número 1: Nada vem de graça • Regra número 2: Uma nova arquitetura ou uma nova idéia só é implementada após um estudo da sua viabilidade • Regra número 3: Nem sempre o melhor e o mais bem desenvolvido vai ganhar o mercado – Microsoft Windows vs. Mac OS + OS2 – 68000 vs. x86 – Qualquer implementação nova tenta diminuir sua dependência com a sorte o máximo o possível (isso é um esforço multi-disciplinar) Evolução Tecnológica Gerações Evoluções Paralelismo Ano Componente Armazen. Linguagens O/S 54 Tubes core (8 ms) 58 Transistor (10µs) Fortran 60 Algol, Cobol Batch 64 Hybrid (1µs) thin films Lisp, APL, Basic 66 IC (100ns) (200ns) PL1, Simula,C 67 Multiprog. 71 LSI (10ns) 1k DRAM O.O. V.M. 73 (8-bit µP) 75 (16-bit µP) 4k DRAM 78 VLSI (10ns) 16k DRAM Redes 80 64k DRAM 84 (32-bit µP) 256k DRAM ADA 87 ULSI 1M DRAM 89 GAs 4M DRAM C++ 92 (64-bit µP) 16M DRAM Fortran90
  • 12. Evolução Tecnológica Perspectiva da Intel Ano Processador # Xtors 1971 4004 2300 1972 8008 3500 1974 8080 6000 1978 8086/8088 29000 1982 80286 134K 1985 80386 275K 1989 80486 1.2M 1993 Pentium 3.1M 1995 Pentium Pro 5.5M 1997 Pentium II 7.5M 1999 Pentium III 9.5M Evolução Tecnológica Moore Law
  • 13. • Área de aplicação – Special Purpose (e.g., DSP) / General Purpose – Científico (intenso em FP) / Comercial (Mainframe) • Nível de compatibilidade de Software – Compatibilidade de código objeto/binário (custo HW vs. SW, x86) – Linguagem de máquina (modificações no código objeto/binário são possíveis no projeto da arquitetura) – Linguagens de programação (por que não?) Projeto de Novas Arquiteturas • Requisitos do sistema operacional para aplicações do tipo general purpose – Tamanho do espaço de endereçamento (Address Space) – Gerenciamento de memória e proteção – Trocas de contexto – Interrupções e Traps • Padrões: inovação vs. competição – IEEE 754 (Ponto flutuante) – Barramentos de I/O – Redes – Sistemas operacionais / Linguagens de programação ... Projeto de Novas Arquiteturas
  • 14. Previsões para o ano 2000 • Tecnologia – Tamanho de RAMs dinâmicas: + 64 MBits – Alta velocidade para RAMs estáticas: 1 MB, 10ns • Sistemas completos em um único chip – Por que isto é importante? – 10 + Milhões de transistores • Paralelismo – Superescalar, Superpipeline, Vetorial, Multiprocessadores – Arrays de processadores Previsões para o ano 2000 • Baixa potência – 50% dos PCs portáteis em 1995 – Performance por watt • I/O paralelo – Em muitas aplicações, I/O limita a performance – Poder de computação aumentando, mas I/O e memória não tem acompanhado • Multimídia – Novas interfaces – Vídeo, voz, escrita, realidade virtual, …
  • 15. Previsões para o ano 2000 • “Computação integrada em rede” – Integração a nível local e global de clusters, MPPs, e redes de alta velocidade • Tecnologias escaláveis para computadores, redes e sistemas de informação – Sistemas que escalam para cima e para baixo – Workstations de alta performance – Sistemas distribuídos – I/O massivamente paralelos Incorporação de Tecnologia Tradicional Supercomputadores vetoriais Máquinas massivamente paralelas Sistemas paralelos/escaláveis MPPs de workstations Workstations PCs Alta performance Comunicação