Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1

Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1

Infra-Estrutura de Hardware
Edna Barros GRECO - Grupo de Engenharia da Computação Centro de Informática - UFPE Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1

Roteiro da Aula Os computadores no nosso dia a dia Conhecendo os componentes de um computador CPU Memória Disco Evolução dos computadores Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1

Roteiro da Aula Computador: Hardware e Software Como funciona o computador Executando um programa Programa do curso Opcional: Evolução Histórica dos computadores Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1

Conceitos Básicos de Arquitetura e Organização de Computadores
Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1

Motivação Porque é importante saber conceitos de arquitetura/organização de computadores? Revolução da Informação: Primeiro computador comercial no final anos 1940 .... Multiprocessadores (SP2, Clusters,....) Número e complexidade crescente de aplicações: Caixas Eletrônicos Computadores em automóveis Laptops Projeto Genoma World Wide Web Os computadores estão cada vez mais presentes no nosso dia a dia.... Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1

Computadores no dia a dia...
Computadores estão presentes nos mais diversos equipamentos Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1

No nosso dia a dia .... Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1

Voz e Dados GPS/AVL Chamada Terminais de Dados Rede CDPD/GPRS Centro de Dispatch E todos estes computadores/equipamentos podem estar conectados em rede .... Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1

Armazenamento e Processamento de Informações....em um escritório
Como se dá o processamento das informações? Informações que não tem uso no momento ficam no fichário. A pasta sobre a mesa contém cópias das informações que precisaremos naquele dia. Na mesa mantemos os papéis que estamos usando naquele momento Completada uma tarefa, pomos os papéis alterados de volta no fichário. Após o expediente, a faxineira joga no lixo tudo que está na mesa. Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1

Componentes de um Computador
Fichário Disco Memória Unidade de Controle (CPU) Pastas 3 timing & size Information 2 1 Mesa O fichário representa o disco rígido, com alta capacidade de armazenamento. A pasta sobre a mesa representa a memória, de acesso rápido e fácil Mesa e usuário são a CPU OBS: Memória é volátil e disco não (faxineira) Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1

Abrindo o computador.... Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1

Entrada/Saída Manual Teclado Mouse Monitor de Vídeo Joystick Característica comum: baixa velocidade Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1

Entrada: Mouse Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1

Saída: Monitor de Vídeo
Tubo de raios catódicos Aumento da energia dos elétrons Aceleração Colisão numa tela de fósforo Emissão de luz Ponto luminoso Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1

Saída: Vídeo Controle Densidade do fluxo controlada por circuitos adicionais Direção do feixe controlada por campo magnético Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1

Saída: Vídeo Resolução Linhas: 1024 Pontos por linha: 1280 Resolução: 75 figuras/seg : Bits/seg MHz de largura de Banda Intensidade 8 bits/cor 24 bits/pixel bits (Memória de Vídeo) Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1

Saída: Vídeo Display de cristal líquido Matrix de pixels Controle Complexo Tecnologia VLSI Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1

Unidade de Processamento
Placa Mãe CPU Memória Disco rígido Disco Flexível Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1

Placa Mãe Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1

O Processador Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1

Processador: PowerPC 750 Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1

8051 transistores 8 mm2 Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1

transistores 8 mm2 8051 Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1

Memória Processador Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1

Memória Vs. Armazenamento
Fichário O fichário representa o disco rígido, com alta capacidade de armazenamento. A pasta sobre a mesa representa a memória, de acesso rápido e fácil Mesa e usuário são a CPU OBS: Memória é volátil e disco não. Pasta Fluxo de Dados Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 31

Processador vs. memória
60%/ano.. 1000 CPU 100 Desemp. Proc-Mem: (cresce 50% / ano) Desempenho 10 DRAM 7%/ano.. Y-axis is performance X-axis is time Latency Cliché: Not e that x86 didn’t have cache on chip until 1989 DRAM 1 1980 1981 1982 1983 1984 1985 1986 1987 1988 1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 32

Memória Principal Vs. Cache
O fichário representa o disco rígido. A pasta sobre a mesa representa a memória principal. No quadro de avisos se encontram informações que podem ser acessadas de forma muito rápida. O quadro representa a cache. Mesa e usuário são a CPU Pasta Quadro Fichário Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 33

Níveis de memória Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 34

Memória Discos Processador Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1

Discos 36 Gbytes, 3 1/2” Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1

Discos magnéticos # discos: 1-15 (2 lados) rotação: rpm diâmetro: 1-8 inch # trilhas: # setores: setor: 512 bytes Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1

Discos / História 1973: 1. 7 Mbit/pol2 140 MBytes 1979: 7. 7 Mbit/pol2 2,300 MBytes source: New York Times, 2/23/98, page C3, “Makers of disk drives crowd even more data into even smaller spaces” Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1

Discos: história 2000: 10,100 Mb/p2 25,000 MBytes 2000: 11,000 Mb/p2 73,400 MBytes 1989: 63 Mbit/pol2 60,000 MBytes 1997: 1450 Mbit/pol2 2300 Mbytes (2.5” diâmetro) 1997: 3090 Mbit/p2. 8100 Mbytes (3.5” diâmetro) Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 source: N.Y. Times, 2/23/98, page C3 39

Discos: Limites Capacidade crescente (60%/ano) and Taxa de transf. crescente (40%/ano) Redução lenta do tempo de acesso (8%/ano) Tempo para leitura completa: Ano Sequencial Randômica minutos 6 horas minutos 1 semana Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1

Tendências e Desafios no Desenvolvimento de Computadores
Processadores, Memória e Discos Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1

Tecnologia: Capacidade de Integração
Alpha 21264: 15 million Pentium Pro: 5.5 million PowerPC 620: 6.9 million Alpha 21164: 9.3 million Sparc Ultra: 5.2 million Moore’s Law 2X transistores/Chip A cada 1.5 anos “Moore’s Law”: Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1

Tecnologia: Capacidade de Integração
Date Event Comments 1947 1st transistor Bell Labs 1958 1st IC Jack Kilby (MSEE Winner of 2000 Nobel prize 1971 1st microprocessor Intel 1974 Intel 4004 2300 transistors 1978 Intel 8086 29K transistors 1989 Intel 80486 1.M transistors, pipelined 1995 Intel Pentium Pro 5.5M transistors 2005 Intel Montecito 1B transistors Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1

Tecnologia: Desempenho do Processador
1.54X/yr Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1

Tecnologia: Desempenho do Processador

Avanços na Tecnologia Processador 2X velocidade a cada 1.5 ano; 1000X desempenho nos últimos 15 anos Memória DRAM capacidade: 2x / 1.5 anos; 1000X tamanho nos últimos 15 anos Custo por bit: melhora 25% por ano Disco capacidade: > 2X em tamanho a cada 1.5 ano Custo por bit: melhora em média 60% por ano 120X tamanho na última decada Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 46

Evolução dos Computadores

Avanços na tecnologia O que estes intervalos de tempo tem em comum? (224 anos) (2 anos) Resposta:Progresso similar no desempenho dos processadores! Crescimento exponencial (Lei de Moore) Projetistas trabalham para melhorar velocidade de reduzir consumo de potência dos processadores. Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1

Avanços na tecnologia Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1

Esforços em Arquitetura de Computadores
Tecnologia Linguagens de Programação Aplicações Arquiteturas de Computador History/Applications matters because 1) People buy computers to run programs 2) Most people don;’t write own programs 3) Documented IDA interface means people ship binary machine code Sistemas Operacionais História Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 52

Componentes de um Computador: Hardware
Periféricos Computador CPU Mem. Interconexão E/S Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1

Computador: Hardware + Software Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1

Computador: Hardware + Software
Aplicação Compilador Sistema Operacional Montador Software Repertório de Instruções Arquitetura Hardware Processor Memory I/O system Datapath & Control Sistemas Digitais Digital Design Circuit Design transistors Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 55

Programa Módulo 1:Conceitos Básicos de Arquitetura de Computadores Introdução Conceitos Básicos de Arquitetura Usando o simulador MIPS Implementação Mono-ciclo e Multi-ciclo Avaliação: projeto e prova Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1

Programa Módulo 2: Implementação em Pipeline e Superescalar Implementação Pipeline Resolução de Conflito de Dados e Controle Implementação Superescalar Aulas de laboratório e listas de exercício Avaliação: prova Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1

Programa Módulo 3: Hierarquia de Memória Memória Cache Tipos de Cache Melhorando o desempenho de uma cache Memória RAM Memória Virtual Aulas de Laboratório e listas Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1

Programa Módulo 4: Entrada/Saída e Multiprocessadores Entrada/Saída Tipos de E/S Componentes de um sistema de E/S Multiprocessadores Aulas de laboratório e listas Avaliação: prova Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1

Monitoria Monitores Bruno Barros E equipe Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1

Bibliografia Organização e Projeto de Computadores – A Interface Hardware Software David Patterson e John Hennessy Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1

Componentes de um Computador: Hardware
Periféricos Computador CPU Mem. Interconexão E/S Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1

Aplicação Compilador Sistema Operacional Windows Montador Software Repertório de Instruções Arquitetura Hardware Processor Memory I/O system Datapath & Control Digital Design Circuit Design transistors Coordenação de muitos níveis de abstração Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 64

Aplicação Compilador Sistema Operacional Montador Software Repertório de Instruções Arquitetura Hardware Processor Memory I/O system Datapath & Control Sistemas Digitais Digital Design Circuit Design transistors Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 65

Representação da Informação
temp = v[k]; v[k] = v[k+1]; v[k+1] = temp; Programa em Linguagem de alto nível (e.g., C) Compilador Programa em linguagem assembly (e.g.,MIPS) lw $to, 0($2) lw $t1, 4($2) sw $t1, 0($2) sw $t0, 4($2) Montador Programa em linguagem de Máquina (MIPS) Interpretação Hardware Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 66

Representação da Informação
1 B i n a r y m c h e l g u p o ( f M I P S ) C A s b H - v s w a p ( i n t v [ ] , k ) { e m ; = + 1 } : u l $ 2 5 4 d 6 g r a m ( i n C ) Representação da Informação s w $ 1 5 , 4 ( 2 ) j r 3 Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1

Compilação Programa fonte Ln Programa objeto L0 Compilador Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1

Interpretação Instrução Ln-1 Instrução Ln Interpretador Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1

Interpretação & Compilação
Programa fonte Ln Programa objeto Lint Instrução de máq. L0 Compilador Interpretador Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1

Computador: Hardware e Software

Computador: Hardware e Software
Aplicação Sistema ... Editores Compiladores Sistemas operacionais Montadores ... gcc ... as Memória virtual Sistema de arquivo I/O device drivers Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1

Interface entre hw e sw: Repertório de Instruções:
software Repertório de Instruções hardware Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 74

Como funciona um computador??
CPU Execução das instruções de um programa Memória Programas + Dados Vídeo Teclado E/S Buffers Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1

Como funciona um computador??
Memória Programas + Dados Unid. controle Vídeo Instrução Reg. Endereço AC temp Operando Teclado ALU E/S Unid. processamento Buffers Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1

Memória Dado 15 sinal magnitude Instrução 15 12 Opcode Endereço 11 Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1

Como funciona um computador?
Início Busca a próxima instrução Executa a instrução Término Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1

Executando um programa
Memória Registradores da CPU 3 0 0 3 0 0 PC (endereço) 3 0 1 AC (operando) 3 0 2 IR (Instrução) ... 9 4 0 9 4 1 Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1

Memória Registradores da CPU 3 0 0 3 0 0 PC 3 0 1 AC 3 0 2 IR ... 9 4 0 9 4 1 Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1

Busca instrução Incrementa PC Decodifica instrução Busca operando Executa instrução Armazena resultado Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1

Escopo do curso..... Organização Arquitetura Conjunto de registradores Tipos de Dados Acesso à memória Formato e Repertório de instruções Tecnologia de memória Interfaces Implementação das instruções interconexões Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1

Aplicação (word) Compilador Sistema Operacional Windows Montador Software Repertório de Instruções Arquitetura Hardware Processor Memory I/O system Datapath & Control Sistemas Digitais Digital Design Circuit Design transistors Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 90

GERAÇÃO ZERO Anos 30 Máquinas mecânicas ou baseadas em relés dificuldade de construção pouca exatidão Exemplos: Zuze - Z1 Primeira máquina calculadora a relés Governo Britânico - Colossus Primeiro computador eletromecânico Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1

PRIMEIRA GERAÇÃO - Anos 40 Válvulas com processadores Caras, lentas, queimavam com facilidade ENIAC, UNIVAC Programação: nível binário: Exemplos: Eckert/Mauchkley - Eniac 1 A História do computador moderno começa aqui Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1

Sistema de Computação Software Repertório de Instruções: Hardware Processor I/O system Válvulas Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1

SEGUNDA GERAÇÃO - Anos 50 Transistores menores, mais baratos, rápidos, duráveis Programação: simbólica: add, sub, load, store programa armazenado em memória Exemplo: Von Neumann - IAS Modelo da maioria das máquinas atuais Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1

Programa Armazenado CPU Memória Principal Barramento de memória Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1

Sistema de Computação add, sub, load, store Software Montador Repertório de Instruções Arquitetura: Hardware Processor Memory I/O system transistors Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1

TERCEIRA GERAÇÃO - Anos 60 Circuitos Integrados (CI`s) Programação: compiladores (if-then-else, +, go to) Memória Virtual (Sistema Operacional) Exemplos: DEC - PDP 11 Primeiro minicomputador (50 unidades vendidas) IBM - 360 Primeira linha de produtos projetada como uma família Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1

Memória Virtual Memória Principal Secundária Barramento de memória de E/S CPU Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 98

Sistema de Computação Aplicação Sistema Compilador Operacional Software Montador Repertório de Instruções Arquitetura Hardware Processor Memory I/O system Circuit Design transistors Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 99

QUARTA GERAÇÃO - Anos 70 Microprocessadores/ Mem. semicondutora VLSI Very Large Scale Integration Programação: Linguagens Estruturadas Estruturas de Dados Dinâmicas Exemplos: Intel Primeira CPU de uso geral em um chip Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1

Sistema de Computação I/O system Processor Compilador Sistema Operacional Aplicação Digital Design Circuit Design Repertório de Instruções Arquitetura Datapath & Control transistors Memory Hardware Software Montador Mais instruções Muitos tipos de dados Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 101

QUINTA GERAÇÃO - Anos 80 Máquinas RISCs Simplificar para melhorar desempenho Uso efetivo do pipeline Programação: Crise do Software C: Pseudo linguagem de Máquina Exemplos: RISC, MIPS, Sparc Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1

Sistema de Computação I/O system Processor Compilador Sistema Operacional Aplicação Digital Design Circuit Design Repertório de Instruções Arquitetura Datapath & Control transistors Memory Hardware Software Montador Poucas instruções Poucos tipos de dados Hardware mais simples Melhor desempenho Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 103

... Anos 90 Arquiteturas Superescalares Arquiteturas VLIW Arquiteturas Superpipeline 3 níveis nível de sistema operacional nível de máquina convencional nível de hardware Exemplos: Pentium, Alpha, Power Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1

... Anos 2000 Arquiteturas Multi-core Paralelismo de threads Clusters ..... Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1

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