Sisteme cu Microprocesoare: Introducere

• Cursul tratează sisteme cu microprocesoare.
• Materialele sunt create de Prof. dr. ing. Anca Hangan de la Departamentul Calculatoare.

Conținutul Cursului

• Cursul va acoperi o introducere în domeniul sistemelor cu microprocesoare.
• Se va discuta structura generală a unui calculator.
• Vor fi abordate CPU, UAL, execuția secvențială și de tip pipeline.
• Microprocesoarele și procesoarele specializate vor fi analizate.
• Cursul include, de asemenea, studiul memoriei și al interfețelor de intrare/ieșire.
• Arhitecturile avansate de calcul sunt, de asemenea, incluse în programa cursului.

Condiții de Promovare

• Participarea la laborator trebuie să fie de 100%, cu o notă minimă de 5.
• Nota minimă la examen pentru promovare este 5.
• Evaluarea finală este structurată astfel: 35% examen (curs 1-6), 35% examen (curs 7->) și 30% laborator.
• Nu se vor acorda puncte din oficiu la examen.
• Se pot obține puncte bonus prin teste, prezență și activitate la curs.

Bibliografie Generală

• *Gorgan D. Sebestyen G., Proiectarea calculatoarelor, 2005, editura Albastra, Microinformatica
• Andrew S. Tanenbaum, Structured Computer Organization (5th Edition), 2005
• Patterson, Hennessy, Computer Organization and Design, Fifth Edition. Morgan Kaufman, 2013
• Curs MSTeams si laborator Moodle
• Notițele de la curs
• The Art of Assembly Programming (Internet)

Bibliografie Curs 1

• Carte* - Cap 1
• Chris Dixon, What's Next in Computing?, https://medium.com/software-is-eating-the-world/what-s-next-in-computing-e54b870b80cc#.wcru6ihxq

Structura Fizica a unui Sistem cu Microprocesor

• Un sistem include un microprocesor (μP), memorie principală și memorie cache.
• Componentele sunt interconectate prin magistrale de adrese, date și comenzi.
• Există interfețe de intrare/ieșire (I/E) pentru conectarea dispozitivelor periferice.

Structura unui Calculator Personal

• Structura include un microprocesor (μP), chipset-uri (N și S), memorie (Mem) și interfețe pentru placa grafică și unități de stocare.
• Conexiunile se fac prin PCIe.
• Are interfețe pentru rețea (Net), tastatură și mouse.

Istoria Calculatoarelor

• Prima generație (0) a fost reprezentată de mașini de calcul mecanice.
• Secolele XVII-XVIII au adus mașini pentru operații aritmetice.
• Programarea cu cartele perforate a apărut în secolul XIX.
• John Athanasoff a introdus sistemul binar de numerație în secolul XX.
• Generația 1 (1945-1955) a utilizat tuburi electronice.
• P. Eckert și J. Mauchley au creat ENIAC, primul calculator electronic.
• John von Neumann a definit modelul clasic cu memorie, UC, UAL, DI, DE.
• Shanonn a contribuit cu teoria informației.
• Alan Turing a propus modelul Turing.
• Generația 2 ('60) a fost marcată de apariția tranzistorilor.
• Shockley&Brattain au creat primul tranzistor la Bell Labs.
• Printre producători s-au numărat IBM și DEC.
• Generația 3 ('70) a utilizat circuite integrate.
• Mainframe-uri: IBM 360, IBM 370; Mini: PDP 11
• Calculatoare românești: Felix c-256, c-512, c-32; Independent, Coral (copiază PDP-11).
• Generația 4 ('80) a introdus VLSI (Very Large Scale Integration).
• Avantaje: viteză, integrare, fiabilitate, cost redus, dimensiuni mici.
• A apărut primul microprocesor (Intel 4004).
• Au apărut calculatoarele personale (IBM-PC, Apple).
• Calculatoare românești: seria M18, PRAE, aMIC, Felix PC, Telerom-PC (Sebestyen, produs la Electrosigma).

Legile care Descriu Evoluția Sistemelor de Calcul

• Legea lui Bell: O nouă clasă de calculatoare apare aproximativ la fiecare 10 ani.
• Legea lui Moore: Numărul de tranzistoare se dublează aproximativ la fiecare 18-24 de luni.
• Modelul de scalare a lui Dennard: La fiecare generație nouă, suprafața și consumul de energie al tranzistoarelor individuale se reduc la jumătate, iar consumul total de energie rămâne constant.
• Limitări: Dimensiunile reduse ale tranzistoarelor duc la încălzirea chip-ului și la creșterea consumului de energie; limita frecvenței CPU a fost atinsă în jurul valorii de 3 GHz în 2006.

Tendențe de Evoluție

• Epoca dispozitivelor mobile.
• Se estimează vânzări de telefoane inteligente de aproximativ 1.24 miliarde în 2024.
• Hardware: dimensiuni reduse, costuri mici, omniprezent.
• Creșterea importanței Internet of Things (IoT).
• Utilizarea hardware-ului specializat.
• Dezvoltarea infrastructurilor Cloud.

Sisteme de Calcul Actuale

Ierarhizarea Memoriei

• Sunt utilizate mai multe nivele de memorie cache în interiorul procesorului.
• Memoria virtuală este o componentă esențială.
• Se anticipează cererile de acces la memorie pentru o performanță sporită.

Memorii Externe pe Siliciu

• Discurile magnetice și optice sunt înlocuite cu memorii Flash (pe siliciu).

Arhitecturi Multiprocesor

• Se folosesc arhitecturi paralele și distribuite.

Rețele de Calculatoare

• Internetul este o resursă indispensabilă pentru calculatoare.
• Se utilizează rețele fără fir.

Calculatoare Mobile și Portabile

• Laptopuri, tablete, telefoane inteligente și ceasuri inteligente sunt dispozitive comune.

Caracteristici Sisteme de Calcul Actuale

• Gradul de integrare este în continuă creștere, cu dimensiuni ale tranzistoarelor de 3nm.
• Procesoarele depășesc 1 miliard de tranzistoare, iar memoriile între 64-512 miliarde.
• Se pune accent pe reducerea puterii consumate.
• Distribuție inteligentă a consumului și control dinamic.
• Frecvența de lucru este variabilă.
• Arhitecturi multicore (2-128 nuclee pe chip) și multi-threading.
• Arhitecturi simetrice și asimetrice.
• Network-on-chip, System-on-chip (înlocuirea magistralelor paralele cu magistrale seriale în interiorul procesorului).

Parametri de Performanță ai unui Calculator

• Frecvența de lucru: frecvența semnalului de ceas.
• Deși o frecvență mai mare poate însemna performanță mai mare, există limitări.
• Frecvența s-a dublat la fiecare 24 de luni până în 2006, când s-a atins o saturație datorită limitărilor de putere.
• În prezent, frecvențele sunt de 2-3 GHz.
• Numărul de cicluri pe instrucțiune (CPI): numărul de cicluri de ceas necesare pentru a executa o instrucțiune.
• La primele calculatoare, CPI era între 5 și 120.
• La procesoarele recente, CPI este 1, 0.5, 0.25 datorită tehnicilor pipeline și arhitecturii superscalare.
• Numărul de instrucțiuni pe ciclu (IPC): numărul mediu de instrucțiuni executate într-un ciclu de ceas.
• MIPS (milioane de instrucțiuni pe secundă) și FLOPS (operații în virgulă mobilă pe secundă): măsoară numărul mediu de instrucțiuni executate într-o unitate de timp.
• Timpul de execuție: timpul necesar pentru a executa un program sau un set de tranzacții.
• Operații de citire-modificare-salvare în baze de date cu acces multiplu sunt relevante.
• Capacitatea și viteza memoriei: capacitatea se măsoară în GBytes sau TBytes, timpul de acces este de 100ns pentru memoria principală și 0.5ns pentru memoria cache.
• Performanțele dispozitivelor de I/E.
• Lățimea de bandă pentru transfer HDD este un factor important.
• Capacitatea de Comunicare: lățime de bandă și viteză.

Măsurarea Parametrilor de Performanța

• Benchmarking: metoda de evaluare a performanței unui sistem, hardware și software.
• Benchmark: aplicație sau set de programe utilizate pentru măsurarea performanței.
• Evaluare: se poate evalua o componentă individuală sau întregul sistem.
  • Evaluarea întregului sistem rezultă într-un scor de performanță.
• Caracteristici:
  • Utilizarea de metrici relevante.
  • Masurători imparțiale.
  • Execuții consecutive trebuie să dea același rezultat.
    • Portabilitate

Tipuri de Benchmark-uri

• Aplicații reale: compilatoare, compresie fișiere, jocuri video.
• Kernel: părți din aplicații reale.
• Benchmark-uri pentru componente.
• Benchmark-uri sintetice: programe scrise cu scopul de a măsura parametri de performanță.
• Benchmark-uri paralele: pentru sisteme multicore, multiprocesor.
• Micro-benchmark-uri: măsoară performanța unei secvențe scurte de program.
• Benchmark-uri I/O: măsoară operațiile de intrare/ieșire.

Bibliografie Curs 2

• Recapitulare: reprezentarea numerelor (p. 24-39).
• Se presupune că sunt cunoscute porțile logice, circuitele combinaționale și circuitele secvențiale.
• Cap. 5.1, 5.2, 5.3 p. 131-146
• https://youtu.be/wA2oMRmbrfo?list=PLEI1TXdLd0MYJAKQlEihIJ1nrg-J_KYGm