Tema 1 parte 1 ACSO.pdf

1

Grado en Ingeniera de la Salud

Arquitectura de Computadores y Sistemas Operativos

Tema 1: Introduccin a los computadores

y representacin de la informacin.

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ndice de contenidos

1. Introduccin. Arquitectura Von Neumann.

2. Prestaciones y medidas del rendimiento

3. Representacin de los datos: Sistemas de

numeracin

4. Representacin de las instrucciones: Lenguaje

ensamblador

3

Historia de los computadores

baco chino (500 adC) Realiza operaciones aritmticas

Primera calculadora mecnica

Pascalina (1642) Calculadora mecnica inventada por

Blaise Pascal

Suma y resta nmeros de hasta 7 cifras por medio de un mecanismo de ruedas y engranajes

En 1673 Gottfried von Leibniz modica la pascalina y crea la primera calculadora de propsito general

Pascalina

baco

4


La tarjeta perforada (1801)

Joseph Marie Jacquard utiliza

tarjetas perforadas para manejar

agujas de tejer en telares mecnicos

Posteriormente Hernan Hollenith

utiliz las tarjetas perforadas para

almacenar datos en un computador.

Control de telar con tarjetas

Tarjeta perforada en blanco

5


Mquina diferencial (1822)

Calculadora mecnica introducida por Charles Babbage para tabular funciones polinmicas

En 1833 Babbage propone el diseo de un computador moderno de uso general (la mquina analtica)

Ada Augusta Lovelace propone utilizar tarjetas perforadas para la mquina de Babbage

Rplica de la mquina diferencial

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Mark I (1944)

Construida por Howard H. Aiken en la Universidad de Harvard

Empleaba seales electromagnticas para mover las partes mecnicas

ENIAC (1946)

Electronic Numerical Integrator

And Computer

Construida por John Presper Eckert y John William Mauchly en la Universidad de Pennsylvania

Utilizaba tubos de vaco

Utilizada para investigacin balstica, ocupaba 167m2

ENIAC

Mark I

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Primera generacin (19511958)

Tubos de vaco

Ingreso de datos por medio de tarjetas

perforadas

Alto consumo de energa y necesidades de

ventilacin

Uso de tambores giratorios para el

almacenamiento primario

Univac I (universal automatic computer I):

Primera computadora producida en forma

comercial

Utilizada por el departamento de censos

norteamericano (1951)

Crece industria de procesamiento de datos

Surgen FORTRAN y ALGOL

IBM comienza a construir computadoras

Tarjeta perforada en FORTRAN (IBM)

Consola Univac I

Tubo de vaco

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Segunda generacin (19591964) Transistores

Aumento de velocidad, reduccin de espacio

Menor consumo de energa, reduccin de

costos

Memoria de ncleos magnticos

Almacenan informacin por medio de las

propiedades magnticas de sus componentes

Memoria no voltil

Escribir un programa no requiere

comprensin plena del hardware

IBM vende su primer sistema de disco

magntico

Surgen terminales remotas: unidades que

transmiten datos a la mquina a distancia

Memoria de ncleos magnticos

IBM 1401

Transistores

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Tercera generacin (19641971) Circuitos integrados

Aumento de velocidad, reduccin de tamao

Menor consumo de energa, reduccin de costos

Flexibilidad de los programas y estandarizacin de modelos

Surgimiento de sistemas operativos y lenguajes estructurados: Ada y Pascal

Utilizacin de memorias RAM y ROM

IBM lanza al mercado la serie 360

Aparecen las primeras calculadoras de bolsillo

IBM S/360

Circuitos integrados

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Cuarta generacin (19711981) Microprocesadores (circuito integrado

independiente)

Reemplazo de memorias con ncleos magnticos por memorias electrnicas (chips de silicio)

IBM introduce los discos duros Winchester (estndar de la industria)

Surgen las microcomputadoras o Computadores Personales (PCs)

En 1975 William Henry Gates y Paul Allen fundan Microsoft Corporation

En 1976 Steven Wozniak y Steven Jobs crean Apple Computer

Ken Thompson, Dennis Ritchie y Douglas Mcllroy desarrollan el sistema operativo UNIX

IBM 3340

Microprocesador

Intel 4004

Apple II

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Quinta generacin (1982-1990) Difcil establecer la divisin en las

siguientes generaciones

Grandes acontecimientos Inteligencia artificial

Sistemas expertos

Redes neuronales

Teora del caos

Algoritmos genticos

Fibras pticas

Telecomunicaciones

Creacin en 1982 del Cray X-MP diseada por Cray Research

Procesador vectorial

Memoria compartida

Proceso paralelo

2 procesadores a 105 MHz (200 MFLOPS por procesador)

CRAY-XMP48 (CERN)

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Sexta Generacin (1990 - ?)

Se produce una revolucin en el ordenador

Progreso Progreso en la tecnologa de computadores Acotado por la Ley de Moore

Se abren las puertas a nuevas aplicaciones Ordenadores de abordo

Mviles

Proyecto del Genoma Humano

World Wide Web

Motores de bsqueda

OMNIPRESENCIA DE LOS ORDENADORES

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Tipos de Ordenadores

Ordenadores de Escritorio Diseados para aportar buen rendimiento a a un solo usuario a

un coste bajo. Normalmente se ejecutan programas realizados por terceros, posee monitor, teclado y ratn.

Servidores Utilizados para lanzar programas para gran cantidad de usuarios

en paralelo accediendo normalmente a travs de la red. Se da un gran nfasis a la confianza y a la seguridad.

Supercomputadores Un tipo de servidores de altas prestaciones y alto coste

compuesto por cientos de miles de procesadores, terabytes de memoria principal y petabytes de almacenamiento. Utilizados para fines cientficos y aplicaciones de ingeniera.

Ordenadores empotrados Computador situado dentro de otro dispositivo y usado para

ejecutar una aplicacin predeterminada.

14

El Mercado del Procesador

Crecimiento empotrados >> Crecimiento PCs

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Qu aprenderemos?

Cmo traducir programas al lenguaje mquina

y cmo los ejecuta el hardware

La interfaz Hardware/Software

Cmo determinar el rendimiento de un programa

y cmo podemos mejorarlo

Cmo mejora el rendimiento un diseador de hardware

Qu es el procesamiento paralelo

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Entendiendo el rendimiento

Algoritmo Determina el nmero de operaciones ejecutadas

Lenguaje de programacin, compilador, arquitectura

Determinan el nmero de instrucciones de mquina ejecutadas por operacin

Procesador y Sistema de Memoria Determinan la rapidez de ejecucin de las instrucciones

Sistema de Entrada/Salida (incluyendo SSOO) Determina la velocidad de ejecucin de las operaciones

de E/S

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Ms all del programa

Software de aplicacin Escrito en un lenguaje de alto nivel

Software de sistema Compilador: traduce programas escritos en un

lenguaje de alto nivel a instrucciones que el hardware puede ejecutar (cdigo mquina)

SSOO: programa de supervisin que sirve de interfaz entre programas de usuario y el hardware (cdigo de servicio)

Maneja operaciones bsicas de E/S

Gestiona memoria y almacenamiento

Planifica tareas y comparte recursos

Hardware Procesador, memoria, controladores de E/S

Hardware

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Ms all del programa (II)

Lenguaje de alto nivel Nivel de abstraccin prximo al

dominio del problema

Productividad y portabilidad

Lenguaje ensamblador Representacin textual de

instrucciones

Representacin hardware Dgitos binarios (bits)

Instrucciones y datos codificados

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Ventajas de los lenguajes de alto nivel

Permite al programador pensar en un lenguaje ms natural y

facilita el entendimiento.

Mejora la productividad: cdigo ms entendible es fcil de depurar y validar.

Mejora la mantenibilidad del programa.

Programas independientes del ordenador dnde se han desarrollado.

Aparicin de compiladores optimizados que producen cdigo ensamblador muy eficiente y optimizado para el dispositivo destino.

Como resultado, hoy da se programa muy poco a nivel ensamblador.

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Abstracciones

Nos ayudan a lidiar con la complejidad Ocultan los detalles de bajo nivel

Instruction Set Architecture (ISA) Interfaz abstracta entre el hardware y el software de ms bajo

nivel

Abarca toda la informacin necesaria para escribir un programa en lenguaje mquina, incluyendo instrucciones, registros, accesos a memoria, E/S

La combinacin del conjunto bsico de instrucciones (ISA) y el sistema operativo se denomina la Interfaz Binaria de Aplicacin (ABI)

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Arquitectura von Neumann

Fue establecida en 1945 por John von Neumann

Su caracterstica principal es que ejecuta instrucciones de mquina de un programa almacenado en memoria

Bloques:

Memoria principal

Unidad aritmtica y

banco de registros

Unidad de control (UC)

Unidad de entrada/salida

Los buses son los elementos que interconectan los diferentes elementos de la arquitectura: bus de datos, bus de direcciones y bus de control

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Arquitectura von Neumann

Concepto clave Una instruccion es una operacin elemental que la

CPU sabe hacer por hardware El nmero de instrucciones que posee una CPU es

finito

La secuencia en que se ejecuten las instrucciones da lugar a diferentes coportamientos

Como el nmero de instrucciones es finito, se puede asignar un cdigo diferente a cada una

Un algoritmo se convierte en una secuencia de cdigos

Por tanto se puede almacenar como una masa de bits

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Dentro del procesador

AMD Opteron quad-core (Barcelona)

Cuatro ncleos en un chip 1.9 GHz de frecuencia de reloj Tecnologa de 65nm

Tres niveles de cach (L1, L2, L3) en el chip

Puente Norte integrado

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ndice de contenidos

1. Introduccin. Arquitectura Von Neumann.

2. Prestaciones y medidas del rendimiento

3. Representacin de los datos: Sistemas de

numeracin

4. Representacin de las instrucciones: Lenguaje

ensamblador

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Ley de Moore

En 1965, Gordon Moore predijo que el nmero de transistores que pueden ser integrados en un nico chip se duplicara cada dos aos aproximadamente.

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Tendencias tecnolgicas

Tecnologa electrnica

en evolucin

Incremento de

capacidad y

rendimiento

Costes reducidos Ao Tecnologa Rendimiento/coste

1951 Tubo de vaco 1

1965 Transistor 35

1975 Circuito Integrado 900

1995 VLSI 2,400,000

2005 ULSI 6,200,000,000

Capacidad DRAM

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Rendimiento Uniprocesador

Restringido por el consumo, paralelismo a nivel de instrucciones y latencia de memoria

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Definiendo el Rendimiento

Qu avin tiene el mejor rendimiento?

0 100 200 300 400 500

Douglas

DC-8-50

BAC/Sud

Concorde

Boeing 747

Boeing 777

Capacidad de pasajeros

0 5000 10000 15000

Douglas DC-

8-50

BAC/Sud

Concorde

Boeing 747

Boeing 777

Recorrido de crucero (km)

0 500 1000 1500 2000 2500

Douglas

DC-8-50

BAC/Sud

Concorde

Boeing 747

Boeing 777

Velocidad de crucero (kmph)

0 1E+0

5

2E+0

5

3E+0

5

4E+0

5

5E+0

5

Douglas DC-

8-50

BAC/Sud

Concorde

Boeing 747

Boeing 777

Pasajeros x kmph

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Tiempo de respuesta VS Volumen de trabajo

Tiempo de respuesta (tiempo de ejecucin) Tiempo entre comienzo y finalizacin de una tarea

Volumen de trabajo Trabajo terminado por unidad de tiempo

Por ejemplo tareas/transacciones/ por hora

Cmo se mejoran el tiempo de respuesta y el volumen de trabajo? Reemplazando el procesador por una versin ms rpida?

Aadiendo ms procesadores?

Nos centraremos en el tiempo de respuesta, por ahora

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Rendimiento relativo

Se define el rendimiento como la inversa del tiempo de ejecucin

X es n veces ms rpido que Y

n

XY

YX

Ejecucin de TiempoEjecucin de Tiempo

oRendimientoRendimient

Ejemplo: Tiempo en ejecutar un programa 10s en A, 15s en B

Tiempo de EjecucinB / Tiempo de EjecucinA = 15s / 10s = 1.5

Entonces, A es un 50% ms rpido que B

31

Midiendo tiempos de ejecucin

Tiempo consumido Tiempo total de respuesta, incluyendo todos los aspectos

Procesamiento, E/S, overhead del SSOO, tiempo de inactividad

Determina el rendimiento del sistema

Tiempo de CPU Tiempo gastado procesando una tarea concreta

No se tiene en cuenta SSOO, E/S, ni inactividad

Tiempo de CPU: de usuario y del sistema

Los programas se ven afectados de forma diferente por la CPU y el rendimiento del sistema

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Reloj de CPU

HW Digital: Funcionamiento gobernado por reloj

de velocidad constante

Periodo de reloj: duracin de un ciclo de reloj Por ejemplo, 250ps = 0.25ns = 2501012s

Frecuencia del reloj: ciclos por segundo Por ejemplo, 4.0GHz = 4000MHz = 4.0109Hz

Reloj (ciclos)

Transferencia de datos y computacin

Estado de actualizacin

Periodo de Reloj

33

Tiempo de CPU

Rendimiento mejorado por:

Reduccin del nmero de ciclos de reloj

Incrementando la frecuencia del reloj

Un diseador hardware renuncia a menudo al

nmero de ciclos en favor de la frecuencia del

reloj

Frecuencia

Ciclos

CiclosTiempo

Reloj

Reloj

ciclo de TiempoRelojCPU

34

Ejemplo Frecuencia Reloj

Ordenador A: reloj a 2GHz; tiempo de ejecucin de 10s

Diseando Ordenador B

Buscamos un tiempo de ejecucin de 6s

Requiere 1.2 veces el nmero de ciclos de reloj que A

Cul es la frecuencia del reloj de B?

4GHz6s

1024

6s

10201.2Reloj

10202GHz10s

RelojCPUReloj

6s

Reloj1.2

CPU

RelojReloj

99

BFrecuencia

9

AFrecuenciaATiempoACiclos

ACiclos

BTiempo

BCiclos

BFrecuencia

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Ciclos Por Instruccin

Nmero de instrucciones de un programa

Determinados por el programa, ISA y el compilador

Nmero de ciclos medio por instruccin (CPI)

Determinados por el hardware de la CPU

Si diferentes instrucciones tienen diferente CPI

CPI medio afectado por la mezcla de instrucciones

Una forma de comparar dos implementaciones diferentes del

mismo ISA

Frecuencia

Tiempo

Ciclos

Reloj

CPInesInstruccio Nmero

Ciclo de TiempoCPInesInstruccio NmeroCPU

nInstrucci Por CiclosnesInstruccio NmeroReloj

36

Ejemplo CPI

Ordenador A: Periodo de reloj = 250ps, CPI = 2.0

Ordenador B: Periodo de reloj = 500ps, CPI = 1.2

Igual ISA

Cul es ms rpido y por cunto?

1.2500psIns

600psIns

ACPU

BCPU

600psI500ps1.2Ins

BCiclo de Tiempo

BCPInesInstruccio Nmero

BCPU

500psI250ps2.0Ins

ACiclo de Tiempo

ACPInesInstruccio Nmero

ACPU

Tiempo

Tiempo

Tiempo

Tiempo

A es ms rpido

A se ejecuta a un 120% de la velocidad de B

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CPI Efectivo (medio)

Calcular el CPI efectivo global se realiza mirando los diferentes tipos de instrucciones y sus correspondientes ciclos

n

1i

iiCiclos )ccionesNum.Instrus(Num.CicloReloj

CPI medio

n

1i total

ii

total

Ciclos

ccionesNum.Instru

ccionesNum.InstruNum.Ciclos

ccionesNum.Instru

RelojCPI Frecuencia Relativa

n: nmero de clases de instrucciones

38

Un ejemplo simple

Cmo mejora si le ponemos una cach que reduce el tiempo medio de carga (Load) a 2 ciclos?

Cmo mejora con un ciclo menos de salto (Branch) gracias a una BTB?

Cmo mejora si se pueden ejecutar en paralelo dos instrucciones de ALU?

Tipo Op. Frec CPIi Frec x CPIi

ALU 50% 1

Load 20% 5

Store 10% 3

Branch 20% 2

=

.5

1.0

.3

.4

2.2

Nuevo CPI = 1.6 2.2/1.6 = 1.375 37.5% ms rpido

1.6

.5

.4

.3

.4

.5

1.0

.3

.2

2.0

Nuevo CPI = 2.0 2.2/2.0 = 1,10 10% ms rpido

.25

1.0

.3

.4

1.95

Nuevo CPI= 1.95 2.2/1.95 = 1,128 12.8% ms rpido

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Resumen de Rendimiento

El rendimiento depende de

Algoritmo: Afecta al IC, posiblemente al CPI

Lenguaje de programacin: IC, CPI

Compilador: IC, CPI

ISA: IC, CPI, Tc

Ciclo

CiclosTiempo

Reloj

Segundos

nInstrucci

Reloj

Programa

nesInstruccioCPU

40

Muy usadas pero no son exactas MIPS: Millones de instrucciones por segundo MFLOPs (GFLOPs): Millones (G) de operaciones en coma flotante por segundo

Slo + - * / y transcendentes Para cdigo cientfico

Mejor: Medias de Coleccin benchmarks Standard Performance Evaluation Corporation (SPEC)

SPECint (programas enteros) SPECfp (programas F.P.)

Mejora de medidas del Rendimiento

41

Importancia de obtener medidas cuantitativas de

las prestaciones de un computador

42

Ley de Amdahl (1967)

parcialAF

42

1F0

os)normalizam (lo 1 t inicial ejec.

t ejec. inicial

t ejec. final

1-F

1-F

F

parcial

final ejec.A

F F1- t

parcial

final ejec.

inicial ejec.

total

A

F F1-

1

t

t A

LEMA: Optimizar (hacer rpido o simple) el caso

comn.

43

EJERCICIO: Ley Amdahl

Supongamos que consigo paralelizar el 50% de un programa, de

forma que se pueden ejecutar en 10 procesadores a la vez

obteniendo una aceleracin parcial de 10. Cul sera la

aceleracin total?

a) Cercana a 10 veces

b) 50%*10= 5 veces

c) En torno a 80%

d) Ninguna de las anteriores

43

44

Ejemplo:

44

180 lineas (90%) pero slo

10% del tiempo

20 lineas (10%) pero

el 90% del tiempo

Mejora de 90 en A:

Mejora de 10 en B:

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