Arquitectura de Computadores : Un enfoque cuantitativo

854 Pages·1993·32.43 MB·Spanish

by  John Hennessy

ARQUITECTURA DE COMPUTADORES
Un enfoque cuantitativo
CONSULTORES EDITORIALES
AREA DE INFORMATICA Y COMPUTACION
Antonio Vaquero Sánchez
Catedrático de Informática
Facultad de Ciencias Físicas
Universidad Complutense de Madrid
ESPANA
Gerardo Quiroz Vieyra
Ingeniero en Comunicaciones y Electrónica
Escuela Superior de Ingeniena Mecánica y Eléctrica IPN
Carter Wallace, S. A.
Universidad Autónoma Metropolitana
Docente DCSA
MEXICO
ARQUITECTURA DE COMPUTADORES
Un enfoque cuantitativo
John L. Hennessy
Universidad de Stanf ord
David A. Patterson
Universidad de California en Berkeley
Traducción
JUAN MANUEL SANCHEZ
Universidad Complutense de Madrid
Revisión técnica
ANTONIO GONZALEZ
MATE0 VALER0
Universidad Politécnica de Cataluña
ANTONIO VAQUERO
Universidad Complutense de Madrid
MADRID BUENOS AIRES m CARACAS GUATEMALA LISBOA MEXICO
NUEVA YORK PANAMA SAN JUAN SANTAFE DE BOGOTA SANTIAGO SAO PAULO
AUCKLAND HAMBURGO LONDRES MlLAN MONTREAL NUEVA DELHl PAR6
SAN FRANCISCO SIDNEY SINGAPUR ST. LOUlS TOKIO TORONTO
ARQUITECTURA DE COMPUTADORES. UN ENFOQUE CUANTITATIVO
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DERECHOS RESERVADOS O 1993 respecto a la primera edición en español por
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Traducido de la primera edición en inglés de
COMPUTER ARCHITECTURE. A QUANTITATIVE APPROACH
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ISBN: 1-55860-069-8
ISBN: 84-7615-912-9
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CRAY-1, CRAY-IS, CRAY-2, CRAY X-MP, CRAY X-MP1416, CRAY Computer Systems.
Y-MP, Cm77 V3.0, CFT y CFT2 V1.3a son marcas registradas de Cray Delta Senes 8608, System VI88 R32V1, VME bus, 6809, 68000, 68010,
Research. 68020,68030,68882,88000,88000 1.8.4m14, 88100 y 88200 son mar-
Cydra 5 es una marca registrada de Cydrome. cas registradas de Motorola Corporation.
CY7C601,7C601,7C604 y 7C157 son marcas registradas de Cypress Se- Multiflow es una marca registrada de Multiflow Corporation.
miconductor. National 32032 y 32x32 son marcas registradas de National Semicon-
Nova es una marca registrada de Data General Corporation. ductor Corporation.
HEP es una marca registrada de Denelcor. Ncube es una marca registrada de Ncube Corporation.
CVAX, DEC, DECsystem, DECstation, DECstation 3 100, DECsystem SX/2, SX/3 y FORTRAN 77/SX V.040 son marcas registradas de NEC
10120, fort, LPI 1, Massbus, MicroVAX-1, MicroVAX-11, PDP-8, PDP- Information Systems.
10, PDP-I 1, RS-I IMIIAS, Unibus, Ultrix, Ultrix 3.0, VAX, VAXsta- NYU Ultracomputer es una marca registrada de New York University.
tion, VAXstation 2000, VAXstation 3100, VAX-I 1, VAX-111780, VAX- VAST-2 v.2.21 es una marca registrada de Pacific Sierra.
111785, VAX Model730, Model750, Model780, VAX 8600, VAX 8700,
VAX 8800, VS FORTRAN V2.4 y VMS son marcas registradas de Di- Wren IV, Imprimis, Sabre 97209 e IPI-2 son marcas registradas de Sea-
gital Equipment Corporation. gate Corporation.
BlNAC es una marca registrada de Eckert-Mauchly Computer Corpora- Sequent, Balance 800, Balance 21000 y Symmetry son marcas registra-
tion. das de Sequent Computers.
Multimax es una marca registrada de Encore Computers. Silicon Graphics 4Dl60, 4D1240 y Silicon Graphics 4D Series son mar-
cas registradas de Silicon Graphics.
ETA 10 es una marca registrada de ETA Corporation.
Stellar GS 1000, Stardent- 1500 y Ardent Titan-I son marcas registradas
SYMBOL es una marca registrada de Fairchild Corporation. de Stardent.
Pegasus es una marca registrada de Ferranti, Ltd. Sun 2, Sun 3, Sun 3/75, Sun 31260, Sun 31280, Sun 4, Sun 411 10, Sun
Ferran y Testarossa son marcas registradas de Ferrari Moton. 41260, Sun 41280, SunOS 4.0.3c, Sun 1.2 FORTRAN compiler, SPARC
AP-I2OB es una marca registrada de Floating Point Systems. y SPARCstation I son marcas registradas de Sun Microsystems.
Ford y Escort son marcas registradas de Ford Motor Co. Synapse N+ es una marca registrada de Synapse.
Gnu C Compiler es una marca registrada de Free Software Foundation. Tandem y Cyclone son marcas registradas de Tandem Computers.
M2361A, Super Eagle, VPlOO y VP200 son marcas registradasde Fujitsu TI 8847 y TI ASC son marcas registradas de Texas Instmments Corpo-
Corporation. ration.
Chevrolet y Corvette son marcas registradas de General Motors Corpo- Connection Machine y CM-2 son marcas registradas de Tbinking Ma-
ration. chines.
HP Precision Architecture, HP 850, HP 3000, HP 3000170, Apollo DN Burroughs 6500, B5000, B5500, D-machine, UNIVAC, UNIVAC 1 y
300, Apollo DN 10000 y Precision son marcas registradas de Hewlett- UNIVAC 1103 son marcas registradas de UNISYS.
Packard Company. Spice y 4.2 BSD UNIX son marcas registradas de Univenity of Califor-
S810, S8 101200 y S820 son marcas registradas de Hitachi Corporation. nia, Berkeley.
Hyundai y Excel son marcas registradas de Hyundai Corporation. Illiac, Illiac IV y Cedar son marcas registradas de University of Illinois.
432,960 CA, 4004,8008,8080,8086,8087,8088,80186,80286,80386, Ada es una marca registrada de U.S. Government (Ada Joint Program
80486, iAPX 432, i860, Intel, Multibus, Multibus 11 e Intel Hypercube Office).
son marcas registradas de lntel Corporation. Weitek 3364, Weitek 1 167, WTL 3 110 y WTL 3170 son marcas registra-
lnmos y Transputer son marcas registradas de Inmos. das de Weitek Computen.
Clipper ClOO es una marca registrada de Intergraph. Alto, Ethemet, PARC, Palo Alto Research Center, Smalltalk y Xerox son
marcas registradas de Xerox Corporation.
2-80 es una marca registrada de Zilog.
Prefacio
por C. Gordon Be11
Estoy encantado y satisfecho de escribir el prefacio de este libro decisivo.
Los autores han ido más allá de las contribuciones de Thomas al Cálculo
y de Samuelson a la Economía. Han proporcionado el texto y referencia de-
finitivos para el diseño y arquitectura de computadores. Para avanzar en com-
putación, recomiendo encarecidamente a los editores que retiren los monto-
nes de libros sobre este tópico de manera que, rápidamente, pueda emerger
una nueva raza de arquitecto/ingeniero. Este libro no eliminará los micropro-
cesadores complejos y llenos de errores de las compañías de semicomputado-
res, pero acelerará la educación de ingenieros que podrán diseñarlos mejor.
El libro presenta las herramientas críticas para analizar los computadores
uniprocesadores. Muestra al ingeniero en ejercicio cómo cambia la tecnología
a lo largo del tiempo y ofrece las constantes empíricas que se necesitan para
el diseño. Motiva al diseñador sobre la función, que es una orientación más
agradable que la habitual lista exhaustiva de los mecanismos que un diseña-
dor novel ~uedein tentar incluir en un único diseño.
Los autores establecen un punto de partida para realizar análisis y com-
paraciones utilizando la máquina más importante de cada clase: computado-
res grandes (IBM 360), mini (DEC VAX), y micro PC (Intel 80x86). Con esta
base, muestran la línea futura de procesadores paralelos segmentados más
simples. Estas nuevas tecnologías se muestran como variantes de su procesa-
dor (DLX) útil pedagógicamente, pero altamente realizable. Los autores ha-
cen énfasis en la independencia de la tecnología al medir el trabajo realizado
por ciclo de reloj (paralelismo), y el tiempo para hacer el trabajo (eficiencia y
latencia). Estos métodos también mejorarán la calidad de la investigación so-
bre nuevas arquitecturas y paralelismo.
Por ello, el libro es necesario que lo conozca cualquiera que trabaje en ar-
quitectura o hardware, incluyendo arquitectos, ingenieros de sistemas de
computadores y de circuitos integrados, e ingenieros de sistemas operativos y
compiladores. Es útil especialmente para los ingenieros de software que escri-
ben programas para computadores vectoriales y segmentados. Los empresa-
rios y vendedores se beneficiarán al conocer las secciones de Falacias y Pifias
del libro. El fracaso de muchos computadores -y ocasionalmente, de alguna
compañía- se puede atribuir a ingenieros que fallan al comprender las suti-
lezas del diseño de com~utadores.
Los dos primeros capítulos establecen la esencia del diseño de computa-
dores a través de medidas y de la comprensión de la relación preciolrendi-
PREFACIO
miento. Estos conceptos se aplican a la arquitectura a nivel de lenguaje má-
quina y a la forma de medirla. Explican la implementación de procesadores e
incluyen amplias discusiones sobre técnicas para diseñar procesadores vecto-
riales y segmentados. También hay capítulos dedicados a la jerarquía de me-
moria y a las, con frecuencia, despreciadas entradas/salidas. El capítulo final
presenta oportunidades y preguntas sobre máquinas y directrices futuras.
Ahora, necesitamos su siguiente libro sobre cómo construir estas máquinas.
La razón por la que este libro constituye un estándar sobre todos los an-
teriores y es improbable que sea sustituido en un futuro previsible es la com-
prensión, experiencia, gusto y unicidad de los autores. Han estimulado el
cambio principal en arquitectura por su trabajo sobre los RISC (Patterson
acuñó la palabra). Su investigación universitaria que llevó al desarrollo de
productos en MIPS y Sun Microsystems; estableció importantes arquitecturas
para los años 90. Así, han hecho análisis, evaluado compromisos, trabajado
sobre compiladores y sistemas operativos, y visto que sus máquinas consiguen
importancia con el uso. Además, como maestros, han visto que el libro es pe-
dagógicamente sólido (y han solicitado opiniones de los demás a través del
programa de examen sin precedentes Beta). Estoy convencido que éste será el
libro de la década en sistemas de computadores. Quizás su mayor logro sea
estimular a otros grandes arquitectos y diseñadores de sistemas de alto nivel
(bases de datos, sistemas de comunicaciones, lenguajes y sistemas operativos)
a escribir libros similares sobre sus dominios.
Yo ya he aprendido y me he divertido con el libro, y usted, seguramente,
también.
C. Gordon Be11
1
Contenido
Prefacio vii
por G. GORDON BELL
Agradecimientos xxi
Sobre los autores xxvi
Fundamentos del diseño de computadores
Introduccion
Definiciones de rendimiento
Principios cuantitativos del diseño de computadores
El trabajo de un diseñador de computadores
Juntando todo: el concepto de jerarquía de memoria
Falacias y pifias
Observaciones finales
Perspectiva histórica y referencias
Ejercicios
Rendimientos y coste
2.1 Introducción
2.2 Rendimiento
2.3 Coste
2.4 Juntando todo: precio/rendimiento de tres máquinas
2.5 Falacias y pifias
2.6 Observaciones finales
2.7 Perspectiva histórica y referencias
Ejercicios
Diseño de repertorios de instrucciones:
alternativas y principios
3.1 Introduccion
3.2 Clasificación de las arquitecturas a nivel lenguaje máquina
3.3 Almacenamiento de operandos en memoria: clasificación de
las máquinas de registros de propósito general
3.4 Direccionamiento de memoria
3.5 Operaciones del repertorio de instrucciones
3.6 Tipo y tamaño de los operandos
3.7 El papel de los lenguajes de alto nivel y compiladores
X CONTENIDO
3.8 Juntando todo: cómo los programas utilizan los repertorios
de instrucciones
3.9 Falacias y pifias
3.10 Observaciones finales
3.11 Perspectiva histórica y referencias
Ejercicios
Ejemplos y medidas de utilización
de los repertorios de instrucciones
Medidas de los repertorios de instrucciones: qué y por qué
La arquitectura VAX
La arquitectura 3601370
La arquitectura 8086
La arquitectura DLX
Juntando todo: medidas de utilización del repertorio de
instrucciones
Falacias y pifias
Observaciones finales
Perspectiva histórica y referencias
Ejercicios
Técnicas básicas de implementación
de procesadores
5.1 Introducción
5.2 Camino de datos del procesador
5.3 Pasos básicos de ejecución
5.4 Control cableado
5.5 Control microprogramado
5.6 Interrupciones y otros enredos
5.7 Juntando todo: control para DLX
5.8 Falacias y pifias
5.9 Observaciones finales
5.10 Perspectiva histórica y referencias
Ejercicios
Segmentación
¿Qué es la segmentación?
Segmentación básica para DLX
Haciendo que funcione la segmentación
El principal obstáculo de la segmentación: riesgos de la
segmentación
Qué hace difícil de implementar la segmentacion
Extensión de la segmentación de DLX para manipular
operaciones multiciclo
Segmentación avanzada: planificación dinámica de la
segmentacion
Segmentación avanzada: aprovechando más el paralelismo
de nivel de instrucción
Juntando todo: un VAX segmentado
Falacias y pifias
Observaciones finales