Sisteme cu Microprocesoare

• Cursul se axează pe sistemele cu microprocesoare.
• Prof. dr. ing. Anca Hangan de la Departamentul Calculatoare este resposabil de curs, putând fi contactată la [email protected].

Conținutul Cursului

• Introducere in structura generală a unui calculator.
• CPU, UAL, execuție secvențială și de tip pipeline.
• Se vor studia microprocesoarele și procesoarele specializate.
• Memoria și interfețele de intrare/ieșire.
• Arhitecturi avansate de calcul.

Condiții de promovare

• Prezența obligatorie 100% la laborator + notă minim 5.
• Notă minimă 5 la examen.
• Evaluarea finală include:
  • 35% examen partea I (cursul 1 - cursul 6).
  • 35% examen partea a II-a (cursul 7 ->).
  • 30% laborator.
• Nu se acordă puncte din oficiu la examen.
• Bonus: se pot acorda puncte suplimentare pentru teste, prezență și activitate la curs.

Bibliografie generală

• *Gorgan D. Sebestyen G. – Proiectarea calculatoarelor – 2005, editura Albastra, Microinformatica
• Andrew S. Tanenbaum, Structured Computer Organization (a 5-a ediție), Pearson, 2005
• Patterson, Hennessy, Computer Organization and Design, a cincea editie, Morgan Kaufman, 2013
• Curs MSTeams si laborator Moodle
• Notitele de la curs
• The Art of Assembly Programming (Internet).
• Bibliografie curs 1
  • Carte* – Cap 1
  • Chris Dixon, What's Next in Computing?, available at https://medium.com/software-is-eating-the-world/what-s-next-in-computing-e54b870b80cc#.wcru6ihxq

Structura fizică a unui sistem cu microprocesor

• Include microprocesor (μP), memorie principală, memorie cache, interfețe I/E și dispozitive I/E.
• Conexiuni prin adrese, date și comenzi.

Structura unui calculator personal

• Include microprocesor (μP), chipset-uri (N și S), memorie (Mem), placă grafică, interfață de rețea (Net), tastatură și mouse.
• Conexiuni prin PCIe.

Istoria calculatoarelor

Generația 0 – Mașini de calcul mecanice

• Secolele XVII-XVIII: Mașini de calcul pentru operații aritmetice.
• Secolul XIX: Programare cu cartele perforate.
• Secolul XX: John Athanasoff - sistemul binar de numerație.

Generația 1 – Tuburi electronice (1945-1955)

• P. Eckert & J. Mauchley – ENIAC – primul calculator electronic
• John von Neumann - modelul clasic de calculator: memorie, UC, UAL, DI,DE
• Shanonn – teoria informatiei
• Alan Turring – modelul Turring

Generația 2 – Tranzistor ('60)

• Shockley&Brattain – primul tranzistor (Bell labs)
• Producători: IBM, DEC

Generația 3 – Circuite integrate ('70)

• Mainframe: IBM 360, IBM 370, mini: PDP 11
• Calculatoare românești: Felix c-256, c-512, c-32, Independent, Coral – copiaza PDP-11

Generația 4 – VLSI ('80)

• Avantaje: viteză, grad ridicat de integrare, fiabilitate mare, cost redus, dimensiuni mici.
• Apariția primului microprocesor - Intel 4004.
• Apariția calculatoarelor personale: IBM-PC, Apple.
• Calculatoare românești: seria M18, PRAE, aMIC, Felix PC, Telerom-PC (Sebestyen, produs la Electrosigma).

Legi care descriu evoluția sistemelor de calcul

• Legea lui Bell: O nouă clasă de calculatoare la aproximativ 10 ani.
• Legea lui Moore: Numărul de tranzistoare se dublează la fiecare 18-24 luni.
• Modelul de scalare a lui Dennard: La fiecare generație nouă de tehnologie, suprafața și consumul de energie al tranzistoarelor individuale se reduce la jumătate, iar consumul de energie (cu numărul de tranzistori de două ori mai mare) rămâne același.
• Limitări: Dimensiuni mici ale tranzistorilor => încălzirea chip-ului, creșterea consumului de energie (din 2006 s-a atins limita frecvenței CPU aprox. 3Ghz).

Tendințe de evoluție

• Era dispozitivelor mobile.
• Vânzări de telefoane inteligente: aprox. 1.24 miliarde in 2024.
• Hardware: dimensiuni reduse, ieftin.
• Internet of Things.
• Hardware specializat.
• Infrastructuri Cloud.

Sisteme de calcul actuale

• Ierarhizarea memoriei: Mai multe nivele de memorie cache, memorie virtuală, anticiparea cererilor de acces.
• Memorii externe pe siliciu: Înlocuirea discurilor magnetice și optice cu memorii Flash (pe siliciu).
• Arhitecturi multiprocesor: arhitecturi paralele sau distribuite.
• Rețele de calculatoare: Internetul ca resursă indispensabilă, rețele fără fir.
• Calculatoare mobile și portabile: Laptopuri, tablete, telefoane inteligente, ceasuri inteligente.
• Creșterea gradului de integrare până la dimensiuni de 3nm per tranzistor.
• Numărul de tranzistoare pe procesoare ajunge la peste 1 miliard.
• Memoriile depășesc 64-512 miliarde.
• Se urmărește reducerea puterii consumate prin distribuție inteligentă.
• Control dinamic al consumului și frecvență variabilă.
• Arhitecturi multi-core și multi-threading, de la 2 până la 128 core-uri per chip.
• Arhitecturi simetrice și asimetrice.

Network-on-chip, System-on chip

se inlocuirea magistralelor paralele cu magistrale seriale, sub forma de rețele în interiorul procesorului.

Parametrii de performanță ai unui calculator

• Frecvența de lucru (frecvența semnalului de ceas).
• Numărul de cicluri pe instrucțiune (CPI).
• Numărul de instrucțiuni pe ciclu (IPC).
• Timpul de execuție al unui program sau set de tranzacții.
• Capacitatea și viteza memoriei (GBytes, TBytes).
• Performanțele dispozitivelor de I/E (lățime de bandă pentru transfer HDD).
• Capacitatea de comunicare (lățime de bandă, viteză).

Măsurarea parametrilor de performanță

• Benchmarking: Metoda de evaluare a performanței unui sistem de calcul (hardware si software).
• Benchmark: Aplicație / set de programe utilizate pentru măsurarea performanței.
• Evaluare: poate viza o singura componentă sau intregul sistem.
• Caracteristici: Utilizarea de metrici relevante, măsurători imparțiale, execuții consecutive cu același rezultat, portabilitate.

Tipuri de benchmarkuri

• Aplicații reale (compilatoare, comprimare fișiere, jocuri video).
• Kernel (părți din aplicații reale).
• Benchmarkuri pentru componente.
• Benchmarkuri sintetice (programe scrise special pentru a măsura parametri de performanță).
• Benchmarkuri paralele (multicore, multiprocesor).
• Micro-benchmarkuri (măsurarea performanței unei secvențe scurte de program).
• Benchmarkuri I/O (operații de intrare/ieșire).

Bibliografie curs 2

• Recapitulare reprezentarea numerelor: paginile 24-39
• Se considera cunoscute (Cap. 3):
  • Porți logice
  • Circuite combinaționale
  • Circuite secvențiale
• Cap. 5.1, 5.2, 5.3 paginile 131-146
• Available at https://youtu.be/wA2oMRmbrfo?list=PLEI1TXdLd0MYJAKQlEihIJ1nrg-J_KYGm