O que é Arquitetura de Computadores - comp.ita.brpauloac/ce703/ce703_cap2_p1.pdf · sobre a evolução dos computadores Para aprender a utilizar técnicas de otimização de desempenho

O que é Arquitetura de

Computadores ?

Coordenação de um conjunto de níveis de abstração de um computador sobre um grande conjunto de forças de mudança

Arquitetura de Computadores = Arquitetura de Conjuntos de Instruções + Organização de Máquina

CE-703 / ITAPaulo André Castro

Forças


Cenário Constante em Computação

� Desejo por melhor desempenho

� Desejo por sistemas menores e mais leves

� Desejo por maior capacidade de memória e armazenamento


� Desejo por menor consumo de energia (menor dissipação de calor) e conseqüentemente baterias menores e mais leves, fundamental em sistemas embutidos

Por que melhor desempenho?

� Softwares cada vez mais complexos� Sistemas gráficos com qualidade de imagem cada vez

maior� Novas aplicações

� Reconhecimento de voz,Processamento de imagem, (Localização, identificação,etc.)


� Processamento de imagem, (Localização, identificação,etc.)� Realidade Virtual, Servidores com enorme número de

usuários (Internet), etc.

� Aplicações clássicas � Previsão de Tempo, Simulação complexa, Solução de

Problemas Matemáticos, etc.

Problemas e Limites

� Há limites físicos para a tecnologia eletrônico-digital:� Custos de construção

� Velocidade da luz;

� Capacidade de integração dos circuitos;

� Distância entre componentes de um circuito;

Superaquecimento e custo de refrigeração


� Superaquecimento e custo de refrigeração

Alternativas

� Alternativas para obtenção de computadores mais poderosos:

1. Avanços na tecnologia eletrônico-digital;2. Aperfeiçoamento da arquitetura de computadores;

3. Utilização de vários processadores num único computador;


computador;4. Interligação de computadores entre si (redes de

computadores).

Situando Organização de

Máquina


Aperfeiçoamentos na

Arquitetura de Computadores

� Arquitetura de Conjunto de Instrução� Pipeline para diminuir a ociosidade da CPU no ciclo de instrução.� Emissão de várias instruções para execução, em processamento

superescalar.� Melhor organização dos circuitos aritméticos para se obter muitos


� Melhor organização dos circuitos aritméticos para se obter muitos resultados intermediários simultâneos.

Aperfeiçoamentos na

Arquitetura de Computadores

� Organização de Máquinas

� Memória cache para melhorar as interações entre memória e CPU.

� Memória entrelaçada para aumentar a largura de banda do sistema de memória

� Utilização de processadores de entrada e saída em paralelo com a CPU, em multiprogramação e time sharing.


Situando Arquitetura de

Conjunto de Instruções


Por que estudar

Arquitetura de Computadores?� Para entender melhor a estrutura e o funcionamento dos computadores

� Para entender as soluções de compromisso(tradeoffs) entre vários componentes

� Para entender melhor o impacto das tendências da tecnologia e forças de mercado sobre a evolução dos computadores

� Para aprender a utilizar técnicas de otimização de desempenho em sistemas computacionais (software ou hardware)


� Para aprender a utilizar técnicas de otimização de desempenho em sistemas computacionais (software ou hardware)

� Para estar apto a fazer projeto de sistemas embutidos e desenvolvimento de software embutido de modo mais eficiente, bem como melhores decisões de compra de hardware

Computação: Um pouco de

História...

� Pré-história� Máquinas de Calcular

� Ábacos Chineses (há mais de 2000 anos)

� Calculadoras Mecânicas (Pascal e Leibniz) ~1650

� História� O computador mecânico de Charles Babbage


� O computador mecânico de Charles Babbage

� A primeira programadora: Ada (~1840)

Mais um pouco de História

� O computador Eletrônico: Von Neumman (década de 40)� Instruções na Memória (ao contrário de cartões perfurados)

� usado até hoje!

� Primeiros Computadores (por volta de 1945...)� Z-1(alemão), Mark I (americano), ENIAC (americano, 500


� Z-1(alemão), Mark I (americano), ENIAC (americano, 500 multiplicações por segundo!)

ENIAC (Electronic Numerical Integrator

and Calculator)


Evolução

� De 1946 para cá, a tecnologia eletrônico-digital evoluiu muito e continua a evoluir:

� Relés eletro-mecânicos, válvulas eletrônicas, transistores, circuitos impressos, circuitos integrados (MSI, LSI, VLSI, ULSI), fibra ótica, supercondutividade,


(MSI, LSI, VLSI, ULSI), fibra ótica, supercondutividade, raio laser, troca de silício por arsenato de gálio, etc..

� O ENIAC tinha 24 metros de extensão, algumas toneladas e capacidade de operar 500 multiplicações/segundo

� Um iPad 2 tem capacidade de 168.9MFLOPs e um iPhone 33.3 MFLOPs

Evolução da Unidades

Funcionais� Os primeiros micros só tinham hardware para somar e

subtrair números inteiros.

� Multiplicação e divisão de inteiros e operações com números reais eram realizadas por software.


� Hoje essas últimas e outras funções tais como as trigonométricas, exponenciais e logarítmicas já são implementadas por hardware.

� Além disso esse hardware vem sendo aperfeiçoado.

Os primeiros

Microprocessadores� O Intel 4004 foi o primeiro chip a conter todos os

elementos de uma CPU. � Fabricado em 1971, trazia ao mundo os microcomputadores.� Somava números de 4 bits e a multiplicação era obtida por

software, através de repetidas adições.� O Intel 8008 foi o primeiro microprocessador de 8

bits; introduzido no mercado em 1972; duas vezes


bits; introduzido no mercado em 1972; duas vezes mais complexo que o 4004.

� Ambos processadores, o 4004 e o 8008, foram projetados para aplicações especificas.

Os processadores x86

� Intel 8088 e 8086

� São os primeiros microprocessadores de 16 bits da Intel; lançados no mercado em 1978.

� Para aritmética de ponto-flutuante, existe o coprocessador 8087, opcional.

Diferenças Básicas


� Diferenças Básicas

� Barramento externo: do 8088, 8 bits; do 8086, 16 bits.

� Buffer de instruções: do 8088, 4 bytes, do 8086, 6 bytes.

Registradores no 8086


Modelo de

Memória do

8086


Mais Processadores x86

� Intel 80486: a partir de 1989� Uso de sofisticada tecnologia de memória cache e de pipeline de

instruções;� Coprocessador de ponto-flutuante passou a ser incorporado ao

processador principal.

� Pentium: a partir de 1992� Computador superescalar;


� Computador superescalar;� Cache de instruções separada de cache de dados;� Uso de tecnologia agressiva para reduzir os efeitos negativos das

instruções de desvio condicional no desempenho superescalar;

� Core 2: a partir de 2006� Computadores com múltiplos núcleos: Duo, quad, extreme

Registradores do Pentium e de seu ancestral o 8086


A arquitetura x86

� O x86 não é tão complexo assim – ele só não faz muito sentido. (Mike Johnson, Líder de projeto do 80x86 na AMD, relatório de microprocessador (1994))

� Por isso, durante a maior parte do curso estaremos utilizando


� Por isso, durante a maior parte do curso estaremos utilizando processadores RISC como exemplos e como veremos a maior parte do sistemas embutidos utilizam processadores RISC

Os cinco componentes clássicos

de um Computador


Organização Simples


Exemplo de

Arquitetura de

um Computador

Atual


O Processador em Funcionamento:

Executando Instruções

� Em linhas gerais, a execução de uma instruçãopode ser dividida nas seguintes fases:

1. Recuperação do código da operação

2. Decodificação do código da operação

3. Recuperação dos operandos

4. Execução propriamente dita



5. Armazenamento dos resultados

� As fases que envolvem acesso à memória podem ser dez vezes mais lentas que as demais ou até mais lentas

� Um processsador é um Software implementado em Hardware!

Tipos de Processadores segundo

posição dos operandos e resultado

� Processadores com Acumulador: Operações envolvem um registrador especial e [em alguns casos] a memória.

� Processadores com Registradores de Propósito Geral: Os operandos podem estar em vários registradores ou mesmo na memória.


memória.

� Processadores de Pilha: instruções e operandos ficam armazenados em uma estrutura de dados do tipo Pilha na memória.

Processadores com Acumulador

� Exemplo de Funcionamento de um Processador com Acumulador

� Comparação simples versus Processador com


� Comparação simples versus Processador com Registradores de Propósito Geral

Processador com Acumulador:

Um Caso Simples


Microprograma

da CPU com

Acumulador


Exemplo de programa

em Processador com Acumulador

� Pseudo-código:� T1=F+G

� T1=(H-I)*T1

� T2=E*F

X=A+B


� X=A+B

� X=((C-D)*X-T2)/T1

� Equivalente a:

� Qual o código assembly correspondente?)(*)(

)*()(*)(

GFIH

FEBADCX

+−−+−=

Acumulador x Registradores de

Propósitos Gerais


Pergunta...

� Considerando a seguinte divisão de fases:1. Recuperação do código da operação






� Há algum problema intrínseco de desempenho na arquitetura com acumulador? Qual?

Novos processadores

� As tarefas básicas ocorrem em todos os processadores:1. Recuperação do código da operação





Como isto é feito e/ou organizado muda (muito)


� Como isto é feito e/ou organizado muda (muito) principalmente por:� DESEMPENHO

Evolução dos desempenhos dos

processadores


Como medir desempenho?

� Como se mede o impacto de um melhoria no desempenho de um computador?

� Clock? FLOPS?� Desempenho (performance) deve ser medida através de um

conjunto de tarefas executadas por unidade de tempo ?


conjunto de tarefas executadas por unidade de tempo ?� Quanto maior melhor

� Desempenho deve ser medida pelo tempo gasto para realizar uma determinada tarefa ?� Quanto menor melhor

Medidas de Desempenho

� Throughput: Número de tarefas concluídas por unidade de tempo. Por exemplo, instruções/segundo. MFLOPs , Mbps.

� Tempo de resposta (latência): Tempo consumido para


� Tempo de resposta (latência): Tempo consumido para executar uma determinada tarefa ou conjunto de tarefas

Perguntas ?

� Aumentar o throughput sempre melhora o tempo de resposta?

� Diminuir o tempo de resposta sempre melhora o throughput?


Modelo Simples

Produtor-Consumidor


• Latência (Tempo de Resposta): tempo médio para a conclusão de uma tarefa.

•Para minimizar:

•A fila deveria estar vazia

•O servidor deveria estar ocioso(idle)

Modelo Simples

Produtor-Consumidor


• Throughput (“Taxa de Finalização”): Número de tarefas concluídas por unidade de tempo

•Para maximizar:

•A fila nunca deveria estar vazia

•O servidor nunca deveria estar ocioso(idle)

Aumentando o Throughput


• Em geral, throughput pode ser incrementado

•Colocando mais hardware (reduzindo latência relacionada a carga)

• Tempo de resposta é muito mais difícil de reduzir

•É preciso otimizar a arquitetura e/ou tecnologia de implementação

Aumento de Throughput X

Tempo de Resposta


Desempenho

� Estejamos preocupados com throughput ou latência, o mais importante é o tempo total de conclusão dos programas de interesse do usuário.� O computador mais rápido é aquele que executa suas tarefas em

menor tempo


� O fundamental é saber especificar quais as tarefas relevantes para aquele computador

Definindo Desempenho

� Considerando tempo de execução, temos:� Desempenho(x)= 1/TempoExecução(X)

� Logo, dizer que X é n vezes mais rápido que Y, significa:


ou,

nyDesempenho

xDesempenho =)(

)(

nXExecuçãoTempo

YExecuçãoTempo =)(_

)(_

Medindo o aumento de

desempenho

Aumento de desempenho ocorrido, devido a uma melhoria E.


Existem várias técnicas, componentes e meios de comunicação que podem ser alvo de aperfeiçoamentos. Por outro lado, existem também vários “tipos” de instruções quais devem ser melhoradas preferencialmente.

O que deve ser priorizado para possível melhoria?

Caso comum e a Lei de Amdahl

Lei de Amdahl

� O ganho de desempenho possível de um dado melhoramento é limitado pela fração de tempo que a característica melhorada é usada.

� Suponha que um aperfeiçoamento ofereça um ganho de � Suponha que um aperfeiçoamento ofereça um ganho de desempenho S para uma fração do tempo F. Qual o ganho de desempenho?

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