Aula 1 – Introdução a Arquitetura de...

Anderson Moreira Arquitetura de Computadores 1

Aula 1 – Introdução a Arquitetura de Computadores

Anderson L. S. [email protected]

http://dase.ifpe.edu.br/~alsm


O que fazer com essa apresentação


Agenda

• Introdução;• Histórico;• Crescimento dos recursos computacionais;• Arquitetura de Computadores;• Sistemas Embarcados;• Principais Características;• Tecnologias dos processadores;• Tecnologia de Projeto.


Programa


Sistema de Avaliação

Descrição Data

1ª prática

2ª prática

Prática de Reposição

Apresentação Projeto

Final


Exemplo de Projeto


Computadores mecânicos


Charles Babbage,o avô do computadores (Inglaterra, 1791-1871)


Ada, condessa de Lovelace,a primeira programadora(Inglaterra, 1815-1851)


Computador Elétrico


Computador eletrônico


Alan Turing (1912-1954)


Alan Turing e o ACE


1ª Geração (1945-1955)


John von Neumann(1903-1957)


John von Neumann (1903-1957)


1ª Geração (1945-1955)


Exercícios

1. Explique de forma resumida quais as principais características de cada geração dos computadores.

2. Qual a primeira máquina utilizada para a realização de cálculos? Explique porque você acha isso.

3. Quem foi considerado o pai da informática? Descreva a máquina criada por ele.

4. Escreva um texto destacando como o avanço da comunicação permitiu que a informação fosse melhor compartilhada e a conseqüência disso para o avanço da tecnologia.


Máquina multinível

Aproximar os seres humanos aos computadores


Camadas de um Sistema Computacional


1ª Geração (1945-1955)


2ª Geração (1955 -1965)


3ª Geração (1965 -1980)


4ª Geração (1980 -?)

Anderson Moreira Arquitetura de Computadores

Estudar Arquitetura de Computadores é entendimento para o funcionamento dos

recursos computacionais.


Arquitetura de Computadores


Exercícios

1. Explique como funciona a idéia de fazer uma arquitetura de Computadores em Camadas.

2. Como a evolução dos componentes eletrônicos tornou possível a popularização dos computadores?

3. A redução do tamanho dos computadores ao longo do tempo colabora para torná-los cada vez mais populares? Justifique sua resposta.


Sistemas Computacionais

Notável crescimento do uso de sistemas computacionais emdiferentes tipos de aplicações




-Sistemas cada vez menores



“Um sistema embarcado é similar a qualquer sistemacomputacional que não seja um desktop”

(VAHID-UCR)


Sistemas Embarcados

Um sistema embarcado pode ser:

Hardware


Sistemas Embarcados

Um sistema embarcado pode ser:

Hardware

Software + Hardware


Sistemas Embarcados

Exemplo de Sistema Embarcado


Sistemas Embarcados

Trilhas de comunicação


Sistemas Embarcados

Unidades de Controle e Processamento


Sistemas Embarcados

Unidades de armazenamento


Sistemas Embarcados

Dispositivos e periféricos


Sistemas Embarcados

Barramentos


Máquina digital

Diagrama em Bloco de uma Câmera Digital

Fonte: aulas de prototipação do Prof. Cristiano Araújo – CIn/UFPE


Componentes

Analógico Digital Analógico

Memória

Coprocessadores

Controladores

Conversores

Processador

Interface

Software(Aplicação)

ASIC

Fonte: aulas de prototipação do Prof. Cristiano Araújo – CIn/UFPE


Principais Características

Funcionalidade definidaExecuta um único programa repetitivamente

Restrições mais rígidasBaixo custo, baixo consumo de energia, pequenos, rápidos, etc.

Reativos e de tempo realAtua continuamente com o ambiente e reage a suas mudançasDeve computar alguns resultados em tempo real (sem atrasos)


Projeto de Sistemas Embarcados

Objetivo principal:Desenvolver uma implementação com a desejada funcionalidade

Desafios de projeto:Otimização “simultânea” das diferentes métricas de projeto

Métrica de Projeto:Uma característica mensurável de uma implementação


Principais Métricas

Custo unitário: custo par a produzir cada unidade do sistema (excluindo os custos de projeto – não recorrentes)

Custo NRE (Non-Recurring Engineering cost ): custo de projeto do sistema

Tamanho

Desempenho: tempo de execução ou taxa de processamento do sistema

Consumo de Potência

Flexibilidade: a habilidade de mudar a funcionalidade sem grande aumento do custo NRE


Principais Métricas

Tempo de prototipação

Time-to-market

Corretude, segurança, etc...


Perfil do Projetista

Conhecimentos de HARDWARE e SOFTWARE são necessários para otimização das métricas

O projetista deve conhecer as várias tecnologias para escolher a melhor implementação para uma dada aplicação e restrições de projeto.


Três abordagens principais

FPGA - (Field Programmable Gate Array) - é um chip que suporta a implementação de circuitos lógicos relativamente grandes. Consiste de um grande arranjo de células lógicas ou blocos lógicos configuráveis contidos em um único circuito integrado. Cada célula contém capacidade computacional para implementar funções lógicas e realizar roteamento para comunicação entre elas.

ASIC – (Application Specific Integrated Circuit) é um circuito integrado (CI) construído para executar uma tarefa específica, ou seja, customizado para um uso particular ao contrário dos CIs de uso geral. Por exemplo, um chip projetado somente para rodar um telefone celular é um ASIC.

VLSI – (Very Large Scale Integrated) é o processo de criar circuitos integrados combinando milhares de transistores e circuitos baseados em um único microchip.


Time-to-market

Tempo

Concepçãodo sistema

Lucr

os

Time-to-market Tempo de vida

WW

O percentual de perda de lucro, do lucro possível, é dado pela área do maior retângulo menos a área do menor retângulo.

Máximo lucro possívelO volume representaperda do lucro sobre avida do produto

Lucro máximo daentrada com atrasodo produto

AtrasoASIC*FPGA*


Time-to-market

Em um mercado competitivo, qualquer atraso incorpora perda da parte deste mercado:– Perda da janela de mercado– Atraso para lançamento em função do longo ciclo de

desenvolvimento – O efeito da perda em lucro devido o atraso no lançamento

do produto é maior que aquele custo de desenvolvimento


Tecnologias

Conceito:

“A maneira de realizar uma tarefa, especialmente utilizando processos, métodos ou conhecimento”

Para o projeto de sistemas embarcados:

Tecnologia dos Processadores

Tecnologia para IC

Tecnologia de Projeto


Tecnologia dos Processadores

Anderson Moreira Arquitetura de Computadores

Como Implementar meu chip em sílicio?


Tecnologias de Implementação

Três abordagens, programabilidade crescente e eficiência decrescenteCircuitos Integrados de Aplicação Específica

SSI/MSI/LSI/VLSI

Lógica ProgramávelFPGA, CPLD

Processadores ProgramáveisMicrocontroladores, NPUs, DSP’s


Alta capacidade -- 10-100M transistorsAlta velocidade – 500MHz+

IntegraçãoUso específico

Uso de vários estilos de projetoFull CustomStandard-cell (synthesized) – metodologia dominanteHíbrido

Tempo de fabricação longoSemanas a meses do projeto completo até o produto

Economicamente viável para grandes volumesFazer as máscaras necessárias para fabricação está se tornando

caro, da ordem de $1M por projeto

Application Specific Integrated Circuits (ASICs)


Full custom

IN Out

Vdd

Gnd

J.Christiansen/CERN/98


Standard-cell - Exemplo

canais pararoteamento

células ativas

Exemplo: Máquina de vender refrigerante


Macrocell

Exemplo: Processador


Dual port RAMGate array

Full custom

Standard cell

Exemplo: Um ASIC com mistura de full custom, RAM e standard cells

FIFO

Single port RAM



Exemplo: Processador Pentium



Single-Chip Microprocessor/FPGA

Triscend E5 chip

Lógi

ca R

econ

figur

ável

8051 processor + outros periféricos

Memory

Triscend E5: baseado no 8-bit 8051 CISC core10 Dhrystone MIPS at 40MHz60 kbytes on-chip RAMAté 40K de gates lógicosCusto em torno de $4 (em

volume)


Vantagens de Lógica Programável

Baixo tempo de retorno (total turnaround time)Nenhum ou bem baixo NRE (non-recurring expenses )ReprogramávelProjeto baseado na plataforma


Tecnologia para IC

Tecnologia Desemp. Taman. Potên. NRE Time-to-Market

Full-Custom (VLSI)

Alto Pequeno Baixo Alto Longo

Semi-Custom(ASIC)

Médio Médio Médio Alto* Longo*

PLD (FPGA)

Baixo Grande Alto Baixo Curto*



“O número de transistores praticamente dobra a cada 18 meses.”Gordon Moore (1965)



Aumento de transistores



Aumento de produtividade



Transistores x Produtividade


Tamanho da equipe x Produtividade

“The mythical man-month”Brooks (1975)



Produtividade:

Foco em tecnologias com visão unificada de hardware e softwareAutomaçãoProgramas substituem projeto manualCompilação / Síntese

ReusoComponentes pré-definidosIP-coresProcessadores de propósito geral e de propósito único em um mesmo IC

VerificaçãoGarantir corretude e completude de cada etapa de projetoCo-simulação Hardware / Software


Anderson Moreira Arquitetura de Computadores 842006.2

Projeto, Fabricação e Comercialização de CIs

DH

PROJETO

FAB 1

FABRICAÇÃO TESTE MERCADO

FAB 2

Permite negociar preço e prazo !!

99% erros !!

1% erros !!Erro: volta !!

Anderson Moreira Arquitetura de Computadores 852006.2

System Level Design: Módulos de Propriedade Intelectual

Componentes Comerciais “ off-the-shelf “ (COTS)

IC´s pre-projetados e pre-fabricadosImplementam GPP ou SPPReduz tempo de projeto/depuraçãoFacilidade de aquisição

System-on-a-chip (SOC)Todos os componentes do sistema

implementados em um único CHIPMuda forma de negócio:

Como Propriedade Intelectual e não como IC

SOC construído pela integração de múltiplas descrições

•Processor•Memory•Peripheral•Board

•Memory•Peripheral•Board

•Peripheral •Mem

•Processor

•IP cores

•Core library•PeripheralA

•PeripheralB

•ProcessorX

•Peripheral •Mem

•Processor

•IP cores

•Core library•PeripheralA

•PeripheralB

•ProcessorX

•IP-core library•PeripheralA

•PeripheralB

•ProcessorX

•Processor


Dúvidas

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