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DISCIPLINA:Arquiteturas e Redes de Computadores

PARTE 1: Arquitetura

Bibliografia

Principal:John L. Hennessy & David A. Patterson – Computer Architecture – A Quantitative Approach, 4th Ed., Morgan Kaufmann Publishers, USA, 2007.Tradução – Editora Campus

Complementar: David A. Patterson & John L. Hennessy – Computer Organization & Design – The Hardware/Software Interface, 3rd Ed., Morgan Kaufmann Publishers, USA, 2005.Tradução – Editora Campus

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AVALIAÇÃO

• 1 prova de suficiência

• 1 prova no meio do semestre

• 1 prova no fim do semestre

• (o conceito final é a média com o conceito relativo à matéria de redes)

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Aula 1: Tecnologias, Medida de desempenho,

Arquiteturas Básicas

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Os laptops de hoje são melhores que os supercomputadores de 1970

1970’s: máquinas comerciais - mainframes & minicomputadores

1980’s: computadores pessoais, mainframes maiores

1990’s: laptop & handheld, supercomputadores usando microprocessadores

2000’s: 3 segmentos dominantes desktop (com pequenas diversidades) servidores (moderadamente diferentes) móveis e embarcados (enorme diversidade)

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Quadro comparativo: Desktop, servidores, móveis e

embarcados

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Tendências Tecnológicas(Resumo)

Largura de banda latência

Lógica 2x em 3 anos 1/2 em 3 anos

DRAM 4x em 3 anos 1/2 em 10 anos

Disco 4x em 3 anos 1/2 em 10 anos

Largura de banda (bandwidth) ou throughtput é a quantidade total de trabalho feito em determinado tempo (ex. Megabytes por segundo).

Latência, ou tempo de resposta, é o tempo entre o início e o fim de um evento como milisegundos para um acesso ao disco.

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Gráfico da melhora de largura de banda versus latência

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Evolução dos processadores Intel x86 (IA-32)

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Evolução da memória

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Evolução da tecnologia de redes

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Evolução da tecnologia de discos rígidos (magnéticos)

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Tendências na alimentação dos circuitos integrados

• A energia é dissipada em forma de calor e precisa ser removida

• Para os chips CMOS o consumo de energia tem sido na comutação de transistores (alimentação dinâmica):

Logo a potência e a energia dinâmica são bastante diminuídas reduzindo-se a voltagem, logo as voltagens caíram de 5V a pouco mais de 1V em 20 anos.

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Exemplo

• Alguns microprocessadores são projetados para ter voltagem ajustável de modo que uma redução de 15% na voltagem pode resultar em uma redução de 15% na frequência. Qual seria o impacto sobre a potência dinâmica?

• Resposta: como a capacitância é inalterada, a resposta é a razão das voltagens e frequências:

portanto a potência reduz para 60% da original.

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Custo de circuito integrado

AMD Opteron

Wafer de 300 mm contem 117 chips em um processo de 90 nm

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Custo de circuito integrado

é um parâmetro que corresponde à medida de complexidade de fabricação. Para os processos CMOS em 2006, uma boa estimativa = 4.

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Evolução do desempenho de CPUs (tendências)

1978

dese

mpe

nho

1990 2000

0

10

100

1000

10.000

25%/ano

52%/ano

20%/ano

dissipação pequeno paralelismo a ser exploradolatência de memória

crescimento apenas com a tecnologia de chips

crescimento com a melhoria da arquitetura e organização

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Tópicos de Arquitetura de Computadores

Arquitetura de Instruções

Pipeline, solução para conflitos,Superescalar, Reordenamento, Previsão, Especulação,Vetor, DSP

Endereçamento,Proteção,Manipulação de exceção

L1 Cache

L2 Cache

DRAM

discos, fitas

Coerência,Bandwidth,Latência

Tecnologias emergentes“Interleaving”Protocolos de Dutos

RAID

VLSI

Armazenamento e Entrada/Saída

Hierarquia de Memória

Paralelismo ao nível de instruções

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Tópicos de Arquitetura de Computadores

M

Rede de InterconexõesS

PMPMPMP° ° °

Topologias,Roteamento,“Bandwidth”,Latência,Confiabilidade

Interface de Rede

Memória Compartilhada,Passagem de MensagemParalelismo de Dados

Chaveamento -Processador-Memória

Multiprocessadores, multicores,paralelismo ao nível de thread,paralelismo ao nível de dados,redes e Interconexões

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Desempenho (e Custo)

• Tempo para rodar uma tarefa (TempoEx)– Tempo de Execução, tempo de resposta, latência

• Tarefas por dia, hora, semana, segundo, ns … (Desempenho)

– Throughput, bandwidth

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Desempenho (e Custo)

"X é n vezes mais rápido que Y" significa

TempoEx(Y) Desempenho(X)

--------- = ---------------TempoEx(X) Desempenho(Y)

TempoEx = tempo de execução

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Lei de AmdahlMostra como calcular o speedup devido a uma melhoria E: TempoEx sem E Desempenho com ESpeedup(E) = ------------- = ------------------- TempoEx com E Desempenho sem E

TempoEx – tempo de execução

Supor que a melhoria E acelera uma fração F da tarefa por um fator S, e que o restante da tarefa não seja afetada

parte a melhorar

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Lei de Amdahl

TempoExnovo = TempoExvelho x (1 - Fraçãomelhorada) + Fraçãomelhorada

Speedupglobal =TempoExvelho

TempoExnovo

Speedupmelhorada

=1

(1 - Fraçãomelhorada) + Fraçãomelhorada

Speedupmelhorada

Speedupmelhorada Speedup da fração melhorada

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Lei de Amdahl

• Instruções de ponto flutuante são melhoradas para rodar 2X mais rápido; mas apenas 10% das instruções são FP

Speedupglobal =

TempoExnovo =

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Lei de Amdahl

• Instruções de ponto flutuante são melhoradas para rodar 2X mais rápido; mas apenas 10% das instruções são FP

Speedupglobal = 1

0.95= 1.053

TempoExnovo = TempoExvelho x (0.9 + 0.1/2) = 0.95 x TempoExvelho

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Medidas de desempenho

Compilador

Linguagem de Programação

Aplicação

Fluxo de dadosControle

Transistores Fios Pinos

ISA

Unidades funcionais

(milhões) de Instruções por segundo: MIPS(milhões) de operações FP por segundo: MFLOP/s

Ciclos por segundo (taxa de clock)

Megabytes por segundo

Respostas por mêsOperações por segundo

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Cálculo do tempo de CPU (em segundos)

Tempo CPU = Segundos = Instruções x Ciclos x Segundos

Programa Programa Instrução Ciclo

Tempo CPU = Segundos = Instruções x Ciclos x Segundos

Programa Programa Instrução Ciclo

Tempo em segundos para a execução do programa =

Número de instruções do programa x

Número de ciclos por instrução (CPI) x

Tempo em segundos de um ciclo, ou período de um ciclo

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CPI - Ciclos Por Instrução médio

Tempo CPU = Tempo Ciclo * CPI * Ii = 1

n

i i

CPI = CPI * F onde F = I i = 1

n

i i ii

Num. Instruções

I i = número de instruções da classe i

Fi = fração de Instruções da classe i

CPI = (Tempo CPU * Freqüência de Clock) / Num.Instruções = Num.Ciclos / Num.Instruções

“CPI - Ciclos por Instrução médio”

“CPIi - Ciclos por Instrução da classe i ”

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Exemplo: Calcular CPI

Mix Tipico

Maquina Base

Op Fração CPIi prod. (% Tempo)

ALU 0.5 1 .5 (33%)

Load 0.2 2 .4 (27%)

Store 0.1 2 .2 (13%)

Branch 0.2 2 .4 (27%)

CPI = 1.5

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BENCHMARKS - Programas para avaliação de desempenho

Ex: SPEC - System Performance Evaluation Cooperative • Primeiro turno em 1989

– 10 programas produzindo um único número (“SPECmarks”)

• Segundo turno em 1992– SPECInt92 (6 programas em inteiros) e SPECfp92 (14 programas

em ponto flutuante)

• Terceiro turno em 1995– Novo conjunto de programas: SPECint95 (8 programas em

inteiros) e SPECfp95 (10 programas em ponto flutuante)

• Quarto e quinto turno em 2000 e 2006, atualizando o conjunto de programas anteriores

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SPEC CPU2006

• CINT2006 para medir e comparar o desempenho de processamento de inteiros, e

(http://www.spec.org/cpu2006/CINT2006/)

• CFP2006 para medir e comparar o desempenho de processamento ponto-flutuante.

(http://www.spec.org/cpu2006/CFP2006/)

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Instruction Set Architecture (ISA)

instruction set

software

hardware

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Evolução do conjunto de instruçõesAcumulador único (EDSAC 1950)

Acumulador + Regs. Indice(Manchester Mark I, IBM 700 series 1953)

Separação do Modelo de Programação da Implementação

Baseado na linguagem de alto-nível Conceito de família(B5000 1963) (IBM 360 1964)

Máquinas com Registradores de Propósito Geral

Conjunto Complexo de Instruções Arquitetura Load/Store

RISC

(Vax, Intel 432 1977-80) (CDC 6600, Cray 1 1963-76)

(Mips,Sparc,HP-PA,IBM RS6000, . . .1987)

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Evolução do conjunto de Instruções

• Os avanços importantes na arquitetura de computadores são tipicamente associados aos marcos no projeto do conjunto de instruções

– Ex: Pilhas vs Registradores de Uso Geral (System 360)

• As decisões de projeto devem levar em conta:– Tecnologia

– Organização de máquina

– Linguagens de programação

– Tecnologia de compilador

– Sistemas operacionais

• E essas decisões, por seu lado, os influenciam

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Tipos de arquiteturas do conjunto de instruções quanto ao uso de

operandos em instruções aritméticas

a) pilha

b) acumulador

c) registrador-memória

d) registrador-registrador

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PILHA

PROCESSADOR

MEMÓRIA

pilha

Operandos são elementos de uma pilha

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ACUMULADOR

MEMÓRIA

PROCESSADOR

acumulador

memória

O operando implícito é o conteúdo do acumulador.

O operand explícito é um elemento de memória

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REGISTRADOR-MEMÓRIA

PROCESSADOR

MEMÓRIA

registrador

memória

operandos

Os operandos podem ser de registradores ou de memória

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REGISTRADOR-REGISTRADOR(LOAD-STORE)

PROCESSADOR

MEMÓRIA

Operandos load

store

registradorregistrador

Os operandos são de registradores

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Número de operandos de memória

Operandos de memória em instruções aritméticas típicas

Máximo de operandos em instruções aritméticas

Exemplos

0 2

3

IBM RT-PC

SPARC, MIPS, HP-PA, Power-PC, ALPHA

1 2

3

PDP-10, M6800, IBM360, INTEL 80X86

IBM360RS

2 2

3

PDP-11, National 32x32, IBM-360SS, VAX

NEC S1

3 3 VAX

(m,n) onde m = operando de memória, n = total de operandos

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RISC puro

Vantagens: codificação de instrução simples de comprimento fixo

decodificação simples desde que haja poucos tipos de instrução modelo simples de geração de código

CPI de instruções tendem a ser uniforme exceto para instruções de memória mas existem apenas: load e store

Desvantagens: número de instruções num programa tende a ser alto

algumas instruções são curtas – perdendo bits de instrução

(0,3) Registrador-Registrador

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Risc evoluído e também CISC antigo novas máquinas RISC capazes de realizar loads especulativos

Instruções de ALU Registrador – Memória

Vantagens:• acesso de dados de memória, sem instrução de carga anterior• formato de instrução é relativamente simples• densidade de código é melhorado sobre o modelo (0,3)

Desvantagens:• operandos não são equivalentes – operando fonte pode ser destruído• a necessidade de campo de endereço de memória pode limitar o número de registradores• CPI varia (se a palavra de memória estiver no cache L0, não tão ruim)

(1,2) Registrador-Memória

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Modelo de CISC complexo • atualmente ( e provavelmente para sempre) extinto• ações mais complexas de memórias são possíveis,

mas não diretamente ligadas à ALU

Vantagens:• mais compacto• não usa registradores para valores temporários

( boa idéia para dados como “streaming media”)

Desvantagens:• grande variação no tamanho de instrução • grande variação no CPI• agrava o gargalo de memória

(3,3) Memória-Memória

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Modos de endereçamento

Um aspecto importante para o projeto de um ISA

• tem impacto na complexidade do hardware (HW)

• a complexidade do HW afeta o CPI e o tempo de ciclo

• endereço usado = endereço efetivo

• endereço efetivo pode ser para a memória ou registradores - tipicamente dependente da posição na instrução - em alguns modos, múltiplos campos são combinados - endereçamento de registradores são mais simples

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Modos típicos de endereçamento

modo exemplo significado usoregistrador Add R4,R3 Regs[R4] Regs[R4] +

Regs[R3]Todas as operações de ALU RISC

imediato Add R4,#3 Regs[R4] Regs[R4] + 3 Para pequenas constanes

deslocamento Add R4, 100(R1) Regs[R4] Regs[R4] + Mem[100+Regs[R1]]

Para acesso a variáveis locais

Indireto por registrador

Add R4, (R1) Regs[R4] Regs[R4] + Mem[Regs[R1]]

apontadores

Indexado Add R3, (R1+R2) Regs[R3] Regs[R3] + Mem[Regs[R1]+Regs[R2]]

Acesso a vetores: R1 é a base e R2 o índice

Direto ou absoluto

Add R1, (1001) Regs[R1] Regs[R1] + Mem[1001]

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Modos típicos de endereçamento (cont.)

modo exemplo significado usoIndireto por memória

Add R1,@R3 Regs[R1] Regs[R1] +Mem[Mem[ Regs[3]]]

 

autoincremento Add R1,(R2)+ Regs[R1] Regs[R1] +Mem[Regs[R2]];Regs[R2] Regs[R2]+d

Acesso a vetores

autodecremento Add R1,-(R2) Regs[R2] Regs[R2] – d;Regs[R1] Regs[R1] + Mem[Regs[R2]]

Acesso a vetores

escalado Add R1,100(R2)[R3] Regs[R1] Regs[R1] + Mem[100+Regs[R2]+Regs[R3]*d]

Acesso a vetores

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Benchmark mostra a importância de cada modo

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Porcentagem de uso de operandos imediatos

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Tamanho dos operandos no SPEC2000

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Uso de instruções na arquiteturax86 em 5 códigos SpecInt92

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Conclusão: atualmente predominam as máquinas do tipo registrador-memória

Motivo: de certa forma, responsabilidade da IBM• Fabricante dominante nessa fase do campeonato• Existem muitas técnicas de compilação

Provavelmente é a escolha certa• Software tem mais tempo de vida que hardware• Softwares existem a décadas• Hardware é substituído a cada 2 a 4 anos

Tecnologia de compilações é importante• Atualmente está bem avançado para máquinas registrador-memória