Conteúdo Capítulo 2 Evolução do Computador e ?ão do Computador e Desempenho António Pina 11/05

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Captulo 2 Evoluo do Computador eDesempenho

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Contedo

Tpicos Breve histria dos computadores

Tubos de Vcuo Transstores Circuitos Integrados

Desempenhovelocidade do microprocesadorbalanceamento

Evoluo: Pentium e PowerPC Recursos para Estudo

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Tpicos Evoluo dos computadores

aumentar a velocidade do processador diminuir o tamanho dos componentes aumentar o tamanho da memria aumentar a capacidade de E/S e a velocidade

Aumento da velocidade do processador reduzir o tamanho dos componentes encadeamento e execuo paralela tcnicas de execuo especulativa

Balancear o desempenho dos vrios elementos ganhos numa rea no prejudicados por defeitos noutras reas velocidade do processador vs. tempo de acesso memria

caches, barramentos mais largos, etc..

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ENIAC -Histria

Electronic Numerical Integrator And Computer primeiro computador electrnicico digital

Eckert e Mauchly Universidade de Pennsylvania Trajectrias de balas para canhes Incio em 1943 Concluso em 1946 Usado at 1955

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ENIAC - detalhes

Mquina Decimal (no binria) 20 accumuladores de 10 dgitos

dgito representado por 10 tubos de vcuo

Programao manual por interruptores 18,000 tubos de vcuo 30 toneladas 15,000 ps quadrados 140 KW de potncia 5,000 adies por segundo

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Eniac

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Mquina de von Neumann

Conceito de programa armazenado Em vez de interruptores manuais Guardar as instrues e os dados

John von Neumann computador IAS

Incio em 1946, concluso em1952 Prottipo de todos os computadores subsequentes

Estrutura Geral do Computador IASMemria principal guarda programas e dadosALU opera em dados binriosUnidade de controlo interpreta as instruesEquipamento de E/S operado pela unidade de controlo

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Estrutura da mquina de von Neumann

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IAS - detalhes

Palavras de 1000 x 40 bit Nmeros BinriosInstrues de 2 x 20 bit

Conjunto de registos (dentro do CPU)Tampo de Memria (MBR)Endereamento de Memria (MAR)Instruo (IR)Tampo de Instruo (IRB)Contador de Programa (PC)Acumulador (AC)Multiplicador e Quociente (MQ)

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Estrutura do IAS detalhe

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IAS - instrues

Total de 21 instrues (Tabela 2.1) Movimento de DadosDerivao (salto) IncondicionalDerivao (salto) CondicionalAritmticas e LgicasModificao de Endereos

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Computadores Comerciais - UNIVAC

1947 - Eckert-Mauchly Computer Corporation UNIVAC I (Universal Automatic Computer) US Bureau of Census 1950 calculations Sperry-Rand Corporation

Fins de 1950s - UNIVAC II Mais rpido, mais memriaCompatvel com as mquinas mais antigas

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Computadores Comerciais - IBM

Processamento de cartes perfurados 1953 - 701

Primeiro computador IBM (actual) Clculos Cientficos

1955 - 702Aplicaes comerciais

Conduziu srie 7000

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Transstor

Substitui os tubos de vcuo Mais pequeno Mais barato Menor dissipao de calor Dispositivo de silcio: fsica do estado slido Inventado em 1947 pela Bell Labs William Shockley e outros.

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Computadores Baseados em Transstores

Mquinas de Segunda Gerao NCR & RCA produziram mquinas com transstores IBM acompanharam com a srie 7000 DEC - 1957

Produziram PDP-1 Primeiro mini-computador

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IBM 7094

Da srie 7000 para a 7094aumento de desempenhoaumento da capacidadereduo de custo

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Micro-electrnica O que necessrio para fazer um computador digital?

armazenamento, movimento, processamento e funes de controlo

clulas de memria e portas lgicas (gates)

Gate um dispositivo que realiza uma funo lgica elementar

Clula de Memria um dispostivo que armazena 1 bit de dados

Que funes so suportadas pelos dispositivos? Armazenamento : clula de memria Processamento : gates Movimento : interconnexes (caminhos) entre componentes

Controlo: sinais transportados atravs dos caminhos

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Geraes Computadores Tubos de Vcuo: 1946-1957 Transstores: 1958-1964 (SSI) Integrao de pequena escala, incio em 1965

At 100 dispositivos num integrado (MSI)Integrao de mdia escala - em 1971

100 - 3,000 dispositivos num integrado (LSI)Integrao de grande escala - 1971-1977

3,000 - 100,000 dispositivos num integrado (VLSI)Integrao de muito grande escala - desde 1978

100,000 - 100,000,000 dispositivos num integrado (ULSI)Integrao de ultra grande escala

Ultrapassa 100,000,000 dispositivos num integrado

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Lei de Moore Aumento de densidade de componentes por integrado Gordon Moore: co-fundador da Intel Nmero de transstores por integrado duplica todos os anos Desde 1970 o crescimento reduziu um pouco

Nmero de transstores duplica todos os 18 meses Consequncias da lei de Moore

Custo do integrado quase fixoMaior densidade de empacotamento -> fios elctricos mais curtos

->aumenta a velocidade de operao Reduo tamanho -> mais conveniente para uma grande variedade

de ambientes Reduo dos requisitos de potncia e arrefecimentoCaminhos mais curtos -> aumento de fiabilidade

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Crescimento em n Transstores por CPU

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IBM 360 series

1964 Substitui no sendo compatvel com a srie 7000

sistema que investe numa nova tecnologia de CIs

Primeira famlia planeada de computadoresInstrues semelhantesE/S semelhanteVelocidade crescenteNmero crescente de portas de E/S (i.e. mais terminais)Tamanho crescente de memriaCusto crescente

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DEC PDP-8

1964 Primeiro minicomputer

menos poderosos que os "mainframe"

Tamanho compatvel com um laboratrio $16,000

$100k+ que IBM 360

Usa estrutura de barramentoOmnibus

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DEC - PDP-8 Bus Structure

OMNIBUS

ConsoleController

CPU Main Memory I/OModule

I/OModule

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Memria de Semicondutores

1970 : dos ncleos de ferro para os CIs(quando comparada com os ncleos de ferro)

Uma nica pastilha podia conter 256 bits Leitura no-destrutiva

Muito mais rpida Capacidade duplica cada 2 anos

desde 1970, cerca de11 generations 1K, 4K, 16K, 64K, 256K, 1M, 4M, 16M, 64M, 256M,

1G

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Aumentando a velocidade

Alm do aumento em nmero de transstores por CI Encadeamenti (Pipeline) Memria no processador (cache)

L1 & L2 cache

Prognstico de derivao Se adivinharmos a maior parte das vezes, podemos pr-extrair as

instrues correctas

Data flow Anlise do fluxo de dados conhecer as dependncias entre instrues para obter um escalonamento ptimo de instrues

Execuo Especulativa execuo de instrues sem saber se vo ser

necessrias

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Desajuste de Desempenho

Aumentou a velocidade do Processador Aumentou a capacidade da memria Velocidade da Memria nmero de bits por unidade de tempoUsando caminhos de dados mais largos

Modificar o interface com a DRAM Utilizar memria Cache

Reduzir a frequncia de acessos memria Maior complexidade no projecto da cache

Aumentar a largura de banda da interligaoBarramentos de elevada velocidadeHierarquia de barramentos

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Pentium: Evoluo (1) 8080

primeiro microprocessor de uso generalizado caminho de dados de 8 bits Utilizado no primeiro computador pessoal Altair

8086 muito maior potncial caminho de dados e registos de 16 bits cache de instrues para pr-extraco de instres 8088 (8 bit barramento externo) primeiro IBM PC

80286 16 MB memria endereavel

80386 primeiro processador de 32 bits da Intel Suporte a multitarefa

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Pentium: Evoluo (2) 80486

cache sofisticada e poderosa de instrues e encadeamento

co-processador matemtico incorporado Pentium

tcnica super escalar mltiplas instrues executadas em paralelo

Pentium Pro organizao super escalar melhorada renomeaoagressiva de registosprognstico de derivaoanlise de fluxo de dadosexecuo especulativa

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Pentium: Evoluo (3) Pentium II

MMX technology grficos, vdeo & processamento udio

Pentium III Novas instrues de vrgula flutuante para grficos 3D

Pentium 4 Numerais em notao rabe em vez de romanaMelhoramentos de instrues: vrgula flutuante e multimdia

Itanium Arquitetcura IA-64 Mais detalhes no cap. 15

Consultar stio da Intel

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PowerPC (1)

Sistema RISC superscalar participam as seguintes companhias

IBM, Motorola, Apple

usado nas mquinas Apple Macintosh

60132 bit mquina

603para computadores de secretria e portteis

604tcnicas superscalares avanadas

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PowerPC (2)

620 para sistemas servidores arquitectura de 64 bit

64 bit registers and data paths

740/750tambm conhecido pelo processador G3 2 nveis de cache

G4paralelismo e velocidade melhorados

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