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Arquitectura de Computadores Dr. Yván Jesús Túpac Valdivia [email protected] http://www.ucsp.edu.pe/~ytupac Programa Profesional de Ciencia de la Computación Enero 2014 Taller de Ciencia de la Computación Arquitectura de Computadores TÚPAC, Y. (CS/UCSP) Enero 2014, Pág 1/16

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Arquitectura de Computadores

Dr. Yvn Jess Tpac Valdivia

[email protected]

http://www.ucsp.edu.pe/~ytupac

Programa Profesional de Ciencia de la Computacin

Enero 2014

Taller de Ciencia de la Computacin Arquitectura de ComputadoresTPAC, Y. (CS/UCSP) Enero 2014, Pg 1/16

http://www.ucsp.edu.pe/~ytupac

Arquitectura de Computadores Introduccin

Arquitectura de ComputadoresDefinicin

Arquitectura de Computadores es el arte y ciencia de seleccionar einterconectar componentes de hardware para crear computadoras quesatisfagan objetivos funcionales, de rendimiento y de costo.a

aArquitectura de computadores no se refiere a usar computadora para el diseo deedificaciones (CAD).

Architect Interface

Interface

Goals

Means

Arts Engineering

Clients taste:

mood, style, . . .

Clients requirements:

function, cost, . . .

The world of arts:

aesthetics, trends, . . .

Construction technology:

material, codes, . . .

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Arquitectura de Computadores Sistemas de Computacin

Sistemas de ComputacinSistemas Personales/trabajo

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Arquitectura de Computadores Sistemas de Computacin

Sistemas de ComputacinSistemas Mviles

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Arquitectura de Computadores Sistemas de Computacin

Sistemas de ComputacinSistemas incorporados (Empotrados, embebidos)

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Arquitectura de Computadores Sistemas de Computacin

Sistemas de ComputacinPartes de un sistema de computacin

Memory

Link Input/Output

To/from network

Processor

Control

Datapath

Input

Output

CPU I/O

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Arquitectura de Computadores Sistemas de Computacin

Sistemas de ComputacinLey de Moore

1Mb

1990 1980 2000 2010

kIPS

MIPS

GIPS

TIPS P

roce

sso

r p

erf

orm

ance

Calendar year

80286

68000

80386

80486

68040

Pentium

Pentium II

R10000

1.6 / yr

10 / 5 yrs

2 / 18 mos

64Mb

4Mb

64kb

256kb

256Mb

1Gb

16Mb

4 / 3 yrs

Processor

Memory

kb

Mb

Gb

Tb

Me

mo

ry c

hip

ca

pa

cit

y

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Instrucciones y ejecucin

MicroprocesadorMicroprocesadores conocidos en el mercado

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Instrucciones y ejecucin

MicroprocesadorDiagrama de un microprocesador tpico

Microprocesador

Reloj (GHz)

Unidad deControl

Dec

od

ifica

cio

n(P

aso

2)

UnidadA/L

Eje

cuci

on

(Pas

o3

)

Memoria CacheL1 (1ns)

Memoria CacheL3 (12ns)

Fet

ch(P

aso

1)

Sto

re(P

aso

4)

Unidad Central de Proceso (CPU)

Registros del microprocesador

Memoria CacheL2 (6ns)

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Instrucciones y ejecucin

Instrucciones y ejecucinInstruccin de alto nivel y equivalente en MIPS

Instruccion en ensamblador

Instruccion en

Lnea de codigo de alto nivel

000000 10010 10001 11000 00000 100000

add $t8, $s2, $s1

a = b + c

Instruccionde ALU

Registro$18

Registro$17

Registro$24 usado

Codigo deadicion

ALU

Extraccion deinstruccion

Lectura deregistros

OperacionLect/Almac

de datosEscritura en

registro

RegistrosCache deinstrucciones

Cache de datos(inactivo)

PC $17

$18

$24

lenguaje maquina No

Registros

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Instrucciones y ejecucin

Instrucciones y ejecucinInstrucciones aritmticas

Ejemplo: sea la sentencia g = (b + c) - (e + f), que en MIPS podraescribirse como:

add $t8 ,$s2 ,$s3 # poner la suma b + c en $t8add $t9 ,$s5 ,$s6 # poner la suma e + f wn $t9sub $s7 ,$t8 ,$t9 # hacer g = ($t8 )-( $t9)

Una instruccin mquina usualmente contiene- Un cdigo de operacin- Uno o ms operandos- Un posible destino

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Instrucciones y ejecucin

Instrucciones y ejecucinEjecucin de Instrucciones Secuencial

Reservado

Programa

Pila

1 00 080 00

1 00 0f f f f

1 00 000 00

0 00 000 00

0 04 000 00

7 f f f f f f c

Datosestaticos

Datosdinamicos

ALU

Extraccion deinstruccion

Lectura deregistros Operacion

Lect/Almacde datos

Escritura enregistro

RegistrosCache deinstrucciones

Cache de datos

PC $17

$18

$24

Registros

Memoria RAM (40 ns) Microprocesador (0.3 ns)

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Instrucciones y ejecucin

Instrucciones y ejecucinEjecucin de Instrucciones Pipeline

Reservado

Programa

Pila

1 00 080 00

1 00 0f f f f

1 00 000 00

0 00 000 00

0 04 000 00

7 f f f f f f c

Datosestaticos

Datosdinamicos

Memoria RAM (40 ns) Microprocesador en pipelining (0.3 ns)

Regfile

RegfileALU

Regfile

RegfileALU

Regfile

RegfileALU

Regfile

RegfileALU

Regfile

RegfileALU

Instrcache

Instrcache

Instrcache

Instrcache

Instrcache

Datacache

Datacache

Datacache

Datacache

Datacache

......

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Instrucciones y ejecucin

Instrucciones y ejecucinEjecucin de Instrucciones Multicore

Reservado

Programa

Pila

1 00 080 00

1 00 0f f f f

1 00 000 00

0 00 000 00

0 04 000 00

7 f f f f f f c

Datosestaticos

Datosdinamicos

Memoria RAM (40 ns) Microprocesador en multicore (0.3 ns)

Regfile

RegfileALU

Regfile

RegfileALU

Regfile

RegfileALU

Regfile

RegfileALU

Regfile

RegfileALU

Instrcache

Instrcache

Instrcache

Instrcache

Instrcache

Datacache

Datacache

Datacache

Datacache

Datacache

... ...

Regfile

RegfileALU

Regfile

RegfileALU

Regfile

RegfileALU

Regfile

RegfileALU

Regfile

RegfileALU

Instrcache

Instrcache

Instrcache

Instrcache

Instrcache

Datacache

Datacache

Datacache

Datacache

Datacache

... ...Regfile

RegfileALU

Regfile

RegfileALU

Regfile

RegfileALU

Regfile

RegfileALU

Regfile

RegfileALU

Instrcache

Instrcache

Instrcache

Instrcache

Instrcache

Datacache

Datacache

Datacache

Datacache

Datacache

... ...

Regfile

RegfileALU

Regfile

RegfileALU

Regfile

RegfileALU

Regfile

RegfileALU

Regfile

RegfileALU

Instrcache

Instrcache

Instrcache

Instrcache

Instrcache

Datacache

Datacache

Datacache

Datacache

Datacache

... ...

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Instrucciones y ejecucin

Instrucciones y ejecucinCambio de contexto e Interrupciones

Interrupcin Avisos de I/O

Nocin de interrupciones e interrupciones anidadasJugar Grand Theft Auto V 18:55

Estomago avisa porhambre e interrumpe

Llegada dee-mail

19:40

Cenar

Leer y enviar e-mail

Conversar por telefono

20:42 21:46:

20:53 21:20

20:01

Llamadas deofertas

Llamada delmejor amigo

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Instrucciones y ejecucin

Sistemas de ComputacinPrevisiones falladas en Tecnologa de Computacin

DOS addresses only 1 MB of RAM because we cannot imagine anyapplications needing more. (Microsoft, 1980)

640K ought to be enough for anybody (Bill Gates, 1981)Computers in the future may weigh no more than 1.5 tons.(Popular Mechanics)I think there is a world market for maybe five computers. (ThomasWatson, IBM Chair, 1943)There is no reason anyone would want a computer in their home.(Ken Olsen, fundador de DEC, 1977)The 32-bit machine would be an overkill for a personal computer.(Sol Libes, ByteLines, 1980)

http://library.thinkquest.org/22522/quotes.html

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http://library.thinkquest.org/22522/quotes.html

Instrucciones y ejecucin

Sistemas de ComputacinPrevisiones falladas en Tecnologa de Computacin

DOS addresses only 1 MB of RAM because we cannot imagine anyapplications needing more. (Microsoft, 1980)640K ought to be enough for anybody (Bill Gates, 1981)

Computers in the future may weigh no more than 1.5 tons.(Popular Mechanics)I think there is a world market for maybe five computers. (ThomasWatson, IBM Chair, 1943)There is no reason anyone would want a computer in their home.(Ken Olsen, fundador de DEC, 1977)The 32-bit machine would be an overkill for a personal computer.(Sol Libes, ByteLines, 1980)

http://library.thinkquest.org/22522/quotes.html

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http://library.thinkquest.org/22522/quotes.html

Instrucciones y ejecucin

Sistemas de ComputacinPrevisiones falladas en Tecnologa de Computacin

DOS addresses only 1 MB of RAM because we cannot imagine anyapplications needing more. (Microsoft, 1980)640K ought to be enough for anybody (Bill Gates, 1981)Computers in the future may weigh no more than 1.5 tons.(Popular Mechanics)

I think there is a world market for maybe five computers. (ThomasWatson, IBM Chair, 1943)There is no reason anyone would want a computer in their home.(Ken Olsen, fundador de DEC, 1977)The 32-bit machine would be an overkill for a personal computer.(Sol Libes, ByteLines, 1980)

http://library.thinkquest.org/22522/quotes.html

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http://library.thinkquest.org/22522/quotes.html

Instrucciones y ejecucin

Sistemas de ComputacinPrevisiones falladas en Tecnologa de Computacin

DOS addresses only 1 MB of RAM because we cannot imagine anyapplications needing more. (Microsoft, 1980)640K ought to be enough for anybody (Bill Gates, 1981)Computers in the future may weigh no more than 1.5 tons.(Popular Mechanics)I think there is a world market for maybe five computers. (ThomasWatson, IBM Chair, 1943)

There is no reason anyone would want a computer in their home.(Ken Olsen, fundador de DEC, 1977)The 32-bit machine would be an overkill for a personal computer.(Sol Libes, ByteLines, 1980)

http://library.thinkquest.org/22522/quotes.html

Taller de Ciencia de la Computacin Arquitectura de ComputadoresTPAC, Y. (CS/UCSP) Enero 2014, Pg 16/16

http://library.thinkquest.org/22522/quotes.html

Instrucciones y ejecucin

Sistemas de ComputacinPrevisiones falladas en Tecnologa de Computacin

DOS addresses only 1 MB of RAM because we cannot imagine anyapplications needing more. (Microsoft, 1980)640K ought to be enough for anybody (Bill Gates, 1981)Computers in the future may weigh no more than 1.5 tons.(Popular Mechanics)I think there is a world market for maybe five computers. (ThomasWatson, IBM Chair, 1943)There is no reason anyone would want a computer in their home.(Ken Olsen, fundador de DEC, 1977)

The 32-bit machine would be an overkill for a personal computer.(Sol Libes, ByteLines, 1980)

http://library.thinkquest.org/22522/quotes.html

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http://library.thinkquest.org/22522/quotes.html

Instrucciones y ejecucin

Sistemas de ComputacinPrevisiones falladas en Tecnologa de Computacin

DOS addresses only 1 MB of RAM because we cannot imagine anyapplications needing more. (Microsoft, 1980)640K ought to be enough for anybody (Bill Gates, 1981)Computers in the future may weigh no more than 1.5 tons.(Popular Mechanics)I think there is a world market for maybe five computers. (ThomasWatson, IBM Chair, 1943)There is no reason anyone would want a computer in their home.(Ken Olsen, fundador de DEC, 1977)The 32-bit machine would be an overkill for a personal computer.(Sol Libes, ByteLines, 1980)

http://library.thinkquest.org/22522/quotes.html

Taller de Ciencia de la Computacin Arquitectura de ComputadoresTPAC, Y. (CS/UCSP) Enero 2014, Pg 16/16

http://library.thinkquest.org/22522/quotes.html

Arquitectura de ComputadoresIntroduccinSistemas de Computacin

Instrucciones y ejecucin