Sisteme cu microprocesoare: Introducere

• Cursul se intitulează "Sisteme cu microprocesoare", predat de Prof. dr. ing. Anca Hangan, de la Departamentul Calculatoare, contact [email protected].
• Cursul va include o introducere, structura generală a unui calculator, CPU, UAL, execuție secvențială și de tip pipeline, microprocesoare, procesoare specializate, memorie, interfețe de intrare/ieșire și arhitecturi avansate de calcul.
• Pentru promovare, este necesară prezența 100% la laborator cu o notă minimă de 5 și minim 5 la examen.
• Evaluarea finala este compusa din: 35% examen partea I (cursul 1 - cursul 6), 35% examen partea a II-a (cursul 7), 30% laborator.
• Nu se acordă puncte din oficiu.
• Puncte bonus se pot obține prin teste, prezență și activitate la curs.

Bibliografie generală

• "Proiectarea calculatoarelor" de Gorgan D. Sebestyen G., editura Albastra, Microinformatica, 2005.
• "Structured Computer Organization" de Andrew S. Tanenbaum, ediția a 5-a, Pearson, 2005.
• "Computer Organization and Design" de Patterson, Hennessy, ediția a 5-a, Morgan Kaufman, 2013.
• Cursurile și materialele de laborator de pe MSTeams și Moodle.
• Notițele de la curs.
• "The Art of Assembly Programming" (resursă online).

Structura fizica

• Un sistem cu microprocesor are pe magistrala de date Microprocesor, Memorie Principala, si Interfete de Intrare/Iesire

Structura calculatorului

• Un calculator personal este structurat cu Cipset-uri(N si S).
• Componentele principale ale unui calculator personal sunt placa grafica, memoria RAM, si interfata de retea, si perifericele (tastatura, mouse).

Istoria Calculatoarelor

• Generația 0 (calculatoare mecanice): sec. XVII-XVIII, mașini pentru operații aritmetice; sec. XIX, programare cu cartele perforate; sec. XX, John Athanasoff și sistemul binar.
• Generația 1 (tuburi electronice, 1945-1955): ENIAC (P. Eckert & J. Mauchley), modelul clasic von Neumann (memorie, UC, UAL, DI, DE), teoria informației (Shannon), modelul Turring (Alan Turring).
• Generația 2 (tranzistori, '60): Shockley & Brattain (primul tranzistor la Bell labs), producători IBM și DEC.
• Generația 3 (circuite integrate, '70): mainframe IBM 360/370, mini PDP 11, calculatoare românești (Felix c-256, c-512, c-32, Coral - copie PDP-11).
• Generația 4 (VLSI, '80): avantaje (viteză, integrare, fiabilitate, cost redus, dimensiuni mici), Intel 4004 (primul microprocesor), calculatoare personale (IBM-PC, Apple), calculatoare românești (M18, PRAE, aMIC, Felix PC, Telerom-PC - Sebestyen).

Legi

• Legea lui Bell: o nouă clasă de calculatoare apare la aproximativ 10 ani.
• Legea lui Moore: numărul de tranzistoare se dublează la fiecare 18-24 de luni.
• Modelul de scalare al lui Dennard: la fiecare generație, suprafața și consumul de energie al tranzistoarelor individuale se reduc la jumătate, iar consumul total de energie rămâne constant.
• Limitări ale dimensiunilor mici ale tranzistoarelor: încălzirea cip-ului, creșterea consumului de energie. Limita frecvenței CPU de aprox. 3GHz a fost atinsă în 2006.

Tendinte de evolutie

• Secolul dispozitivelor mobile.
• In 2024 peste 1.24 miliarde de telefoane inteligente au fost vandute.
• Cerințe hardware: dimensiuni reduse, costuri reduse, omniprezență.
• Creștere semnificativă IoT și a infrastructurilor Cloud.

Sisteme de calcul actuale

• Ierarhizarea memoriei: nivele multiple de cache, memorie virtuală, anticiparea accesului.
• Memorii externe pe siliciu: înlocuirea discurilor magnetice și optice cu memorii Flash.
• Arhitecturi multiprocesor: arhitecturi paralele și distribuite.
• Rețele de calculatoare: Internetul ca resursă indispensabilă, rețele fără fir.
• Calculatoare mobile și portabile: laptopuri, tablete, telefoane inteligente, ceasuri inteligente.
• Dimensiunea elementului de comutare (tranzistor) este de 3nm.
• Numărul de tranzistoare pe procesoare depășește 1 miliard și pe memorii 64-512 miliarde.
• Distribuție inteligentă a consumului de energie.
• Controlul dinamic al consumului permite alocarea de energie doar unde și când este necesar.
• Arhitecturi multicore cu trecere de la 2 la 128 de nuclee pe cip, utilizând arhitecturi simetrice și asimetrice.
• Network-on-chip, System-on-chip înlocuirea magistralelor paralele cu rețele în interiorul procesorului.

Parametri de performanta

• Frecvența semnalului de ceas (de lucru), azi 2-3GHz limita consumului depasita.
• Numărul de cicluri de ceas per instrucțiune (CPI): 5-120 la calculatoarele vechi, in prezent are o valoare mai mica.
• Număr de instrucțiuni pe ciclu (IPC) si numarul mediu de instructiuni executate in unitatea de timp.

Masurarea Parametrilor

• Timpul de execuție a unui program sau set de tranzacții.
• Capacitatea și viteza memoriei (GBytes, TBytes), cu timp de acces de 100ns pentru memoria principală și 0.5ns pentru cache.
• Performanțele dispozitivelor I/E, lățimea de bandă pentru transfer HDD și capacitatea de comunicare( viteza si latime de banda).

Evaluare performanta

• Benchmarking: metoda de evaluare a performanței sistemelor (hardware și software).
• Benchmark: aplicație sau set de programe pentru măsurarea performanței.
• Evaluarea poate fi focalizată pe o componentă sau pe întregul sistem (scor de performanță).
• Caracteristici dezirabile: metrici relevante, măsurători imparțiale, rezultate consistente, portabilitate.

Tipuri de Benchmark-uri

• Aplicații Reale: testează performanța în sarcini cotidiene, precum compilarea, comprimarea fișierelor sau rularea jocurilor.
• Kernel: evaluează performanța nucleului sistemului de operare.
• Benchmark-uri de Componente: se concentrează pe testarea subsistemelor individuale (ex: CPU, memorie, GPU). Benchmark-uri Sintetice: programe special create pentru a măsura anumiti parametri de performanță.
• Benchmark-uri Paralele: testează performanța în scenarii de multitasking sau multiprocesare.
• Micro-benchmark-uri: se concentrează pe măsurarea performanței secvențelor scurte de cod. Benchmark-uri I/O: evaluează performanțele subsistemelor de intrare/ieșire.