Introdução à Arquitetura de Computadores

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1 Introdução à Arquitetura de Computadores Prof. Tiago Semprebom Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia Santa Catarina - Campus São José tisemp@sj.ifsc.edu.br 31 de julho de 2009 Prof. Tiago (IF-SC) Sistemas Operacionais e Programação 31 de julho de / 35

2 Breve histórico Primeiros dispositivos mecânicos no século XVI. Ex: Caixa de músicas, com cilindros rotativos Blaise Pascal ( ) desenvolveu uma calculadora mecânica para auxiliar na preparação dos impostos de seu pai. Figura: Máquina de calcular de Pascal. Prof. Tiago (IF-SC) Sistemas Operacionais e Programação 31 de julho de / 35

3 Breve histórico Um século depois, na Segunda Guerra Mundial, ocorreram os avanços significativos na computação. Os alemães usavam um sistema de criptografia, chamado ENIGMA inventada pela SIEMENS AG, para usar contra os aliados. Este problema, motivou Alan Turing ( ) e outros cientistas da Inglaterra a criar máquinas capazes de quebrar os códigos de codificação. O resultado desses trabalho gerou o sistema Colossos. Este sistema conseguia quebrar várias mensagens criptografadas. Prof. Tiago (IF-SC) Sistemas Operacionais e Programação 31 de julho de / 35

4 Breve histórico A máquina Colossos consistia de válvulas e conexões de fios. No mesmo período, J. Presper Eckert e John Mauchly projetaram uma máquina que poderia ser usada para calcular a trajetória balistica para o exército dos Estados Unidos. Foi Chamado de ENIAC (Eletronic Numerical Integrator and Computer). Prof. Tiago (IF-SC) Sistemas Operacionais e Programação 31 de julho de / 35

5 Paradigma Tecnológico Atuação cada vez maior dos computadores nas diversas atividades do nosso dia-a-dia. Convergência de tecnologias (celulares, telefonia, sensores, etc) Evolução caracterizada pelo desenvolvimento de computadores com características diversas, traduzidas pelos mais diversos parâmetros computacionais: a CPU adotada, capacidade de memória, disco rígido, memória cache. A definição destes parâmetros e a forma como os componentes estão organizados, define o que chamamos de arquitetura do computador Prof. Tiago (IF-SC) Sistemas Operacionais e Programação 31 de julho de / 35

6 Introdução Definição do que é um microcomputador: Máquina programável capaz de realizar processamento de informações. Máquina, pois possui componentes físicos (placas, cirtuitos, fios, etc). É o que chamamos de hardware. Programável, no sentido que há um conjunto de instruções (programas) que ditam o que deve ser feito (software). Por processamento de informação devemos entender a capacidade de receber informações, transformá-las (processamento) e exibir os resultados. Prof. Tiago (IF-SC) Sistemas Operacionais e Programação 31 de julho de / 35

10 Componentes básicos de um computador Graficamente, pode-se enumerar os seguintes componentes genéricos desta classe de equipamentos Apesar da evolução na área, o esquema abaixo pode ser utilizado para descrever um sistema computacional atual, ou os computadores da década de 40, projetador por engenheiros como John Von Neuman. Memória Processador Periféricos Barramento Figura: Elementos básicos do computador. Prof. Tiago (IF-SC) Sistemas Operacionais e Programação 31 de julho de / 35

11 Principais elementos do computador Processador: responsável pelo tratamento de informações armazenadas em memória (programas em código de máquina e dos dados) Memória: responsável pelo armazenamento dos programas e dos dados Periféricos: dispositivos responsáveis pelas entradas e saídas de dados do computador, ou seja, pela interações entre o computador e o mundo externo Barramento: interliga todos esses componentes. Via de comunicação de alto desempenho por onde circulam os dados tratados pelo computador Prof. Tiago (IF-SC) Sistemas Operacionais e Programação 31 de julho de / 35

15 Processador Considerado o cérebro do microcomputador. Executa os programas, faz os cálculos e toma as decisões de acordo com instruções armazanadas na memória. Um microprocessador nada mais é do que uma CPU inteira dentro de um único CHIP. Atualmente temos processamento SMP (Symmetric Multiprocessing). Prof. Tiago (IF-SC) Sistemas Operacionais e Programação 31 de julho de / 35

16 Tarefas realizadas pela CPU Busca e execução de instruções existentes na memória. Os programas e dados que ficam armazenados em disco, são transferidos para a memória. Uma vez estando na memória, a CPU pode executar os programas e processar os dados. Comanda todos os chips do computador. A CPU é composta basicamente por três elementos: unidade de controle, unidade lógica e aritmética e registradores. Prof. Tiago (IF-SC) Sistemas Operacionais e Programação 31 de julho de / 35

17 Unidade Lógica e Aritmética (ULA) Assume todas as tarefas relacionadas a operações lógicas (ou, e, negação) e aritméticas (soma, subtrações, etc) a serem realizadas no contexto de uma tarefa. Parâmetros que influenciam no desempenho global de uma sistema computacional: 1 Tamanho da palavra: Sistemas de numeração adotado é binário, o tamanho da palavra é em número de bits, logo quanto maior o tamanho da palavra manipulada, maior é seu potencial de cálculo e precisão. 2 Velocidade do cálculo: Diretamente relacionada com a frequência do relógio que pilota o circuito da CPU clock. 3 Quantidade de operações suportadas: Antigamente número restrito de instruções - RISC. Prof. Tiago (IF-SC) Sistemas Operacionais e Programação 31 de julho de / 35

18 Unidade de Controle (UC) Assume tarefas de controle das ações a serem realizadas pelo microcomputador, comanda todos os componentes da arquitetura Garante a correta execução dos programas e a utilização dos dados corretos nas operações que manipulam Gerencia todos os eventos associados à operações do computador, em especial as interrupções utilizadas. Prof. Tiago (IF-SC) Sistemas Operacionais e Programação 31 de julho de / 35

19 Registradores A CPU contém internamente memória de alta velocidade, que permite o armazenamento de valores intermediários ou informações de comando. Esta memória é composta por registradores, na qual cada registro possui uma função própria. Contador de Programa (PC - Program Counter): aponta para a próxima instrução a executar. Registro de Instrução (IR - Instruction Register): armazena a instrução em execução. Qual a vantagem em se utilizar registros internos ao microprocessador? Tendo em vista que eles armazem informações temporárias. Prof. Tiago (IF-SC) Sistemas Operacionais e Programação 31 de julho de / 35

20 Clock Circuito oscilador que tem a função de sincronizar e ditar a medida de velocidade de tranferência de dados no computador, por exemplo, entre o processador e a memória principal. Frequência medida em ciclos por segundo, ou Hertz. Existe a frequência de operação própria do processador, comandando operação internas a ele, e a frequência do computador a ele associado, basicamente ciclos CPU-memória principal. Exemplo: Um processador Pentium II-300, acessa a memória principal à 66 MHz. Sua frequência de 300 MHz é atingida somente no interior do chip e não na relação CPU-Memória do computador. Prof. Tiago (IF-SC) Sistemas Operacionais e Programação 31 de julho de / 35

21 Processadores RISC e CISC Uma instrução em um programa de alto nível é implementado por diversas instruções de processador em mais baixo nível. Exemplo, uma instrução de um programa que imprime um conjunto de caracteres na tela é realizado em nível de processador por um conjunto de instruções. De acordo com o número de instruções suportadas, pode-se classificar um processador como RISC (Reduced Instruction Set Computing) ou CISC (Complex Instruction Set Computing). Prof. Tiago (IF-SC) Sistemas Operacionais e Programação 31 de julho de / 35

22 Processadores CISC Um processador CISC suporta um conjunto maior de instruções, sendo cada instrução mais especializada, graças a isto ele pode executar, de modo direto, a maioria das operações programadas pelos programas de alto nível. Devido a isto, o número de instruções de mais alto nível são menores. Mas quanto maior a quantidade de instruções que um processador suporta, mais lenta é a execução de cada uma delas. Porquê? Prof. Tiago (IF-SC) Sistemas Operacionais e Programação 31 de julho de / 35

23 Processadores RISC Um processador RISC reconhece um número limitado de instruções, que em contrapartida são otimizadas para serem executadas com mais rapidez. A arquitetura RISC reduz o conjunto de instruções ao mínimo, e as instruções não implementadas diretamente, são realizadas por uma combinação de instruções existentes. O programa é implementado por um número maior de instruções. Ex. Apple - PowerPC. Prof. Tiago (IF-SC) Sistemas Operacionais e Programação 31 de julho de / 35

24 Memória Conjunto de circuitos capazes de armazenar os dados a serem executados pela máquina Memória Principal: ou memória de trabalho, onde normalmente devem estar armazenados os programas e dados a serem manipulados pelo processador Memória Secundária: permite armazenar maior quantidade de dados e instruções por um período de tempo mais longo, ex: HD, unidades de fita e memórias Flash. Memória Cache: constitui-se de uma pequena porção de memória com curto tempo de resposta, normalmente integrada aos processadores e que permite melhorar o desempenho durante a execução de um programa. Os circuitos de memória são subdivididos em pequenas unidades de armazenamento (geralmente 1 byte). Prof. Tiago (IF-SC) Sistemas Operacionais e Programação 31 de julho de / 35

29 Memória Ao contrário do processador, que é complexo, os chips de memória são formados por uma repetição de uma estrutura bem simples formada por um par transistor e um capacitor. Um transistor é capaz de processar um único bit por vez, e o capacitor é capaz de armazenar a informação por um certo tempo. Um pente de 1GB é composto por 8 chips cada um deles com um total de 1024 megabits, o que equivale a 1024 milhões de transistores. Um Athon 64 X2 tem apenas 233 milhões de transistores e custa bem mais caro do que um pente de memória. A velocidade de processamento da memória é muito mais lenta que o processador. Para reduzir esta diferença, os fabricantes passaram a desenvolver novas tecnologias para as memórias, desde as usadas nos 486, até as DDR2 usadas atualmente. Prof. Tiago (IF-SC) Sistemas Operacionais e Programação 31 de julho de / 35

30 Memória Principal Local onde normalmente devem estar armazenados os programas e dados a serem manipulados pelo processador. Tipos de memória: Memórias Voláteis (Random Access Memory - RAM) Chips de memória que podem ser lidos e gravados pela CPU a qualquer instante. Trata-se de uma memória volátil. PC desligado, conteúdo apagado! Memórias não-voláteis: Memórias cujas informações mantidas não são perdidas caso o computador seja desligado. Caso do programa BIOS (Basic Input-Output System), realiza a partida do computador (contagem de memória, carrega SO, bibliotecas, drivers, etc). Prof. Tiago (IF-SC) Sistemas Operacionais e Programação 31 de julho de / 35

31 Tipos de memória permanente ROM: São chips que podem ser lidos pela CPU a qualquer instante, porém não podem ser gravados pela CPU. Sua fabricação é feita apenas pelo fabrincate de memórias. Memória permanente, conteúdo estático, exemplo BIOS da placa mãe. PROM: Programmable ROM. Trata-de de uma espécie de ROM que é produzida e apagada. O fabricante pode programá-la, porém esta processo ocorre apenas uma vez ( queimar a PROM ). Prof. Tiago (IF-SC) Sistemas Operacionais e Programação 31 de julho de / 35

32 Tipos de memória permanente ROM: São chips que podem ser lidos pela CPU a qualquer instante, porém não podem ser gravados pela CPU. Sua fabricação é feita apenas pelo fabrincate de memórias. Memória permanente, conteúdo estático, exemplo BIOS da placa mãe. PROM: Programmable ROM. Trata-de de uma espécie de ROM que é produzida e apagada. O fabricante pode programá-la, porém esta processo ocorre apenas uma vez ( queimar a PROM ). Prof. Tiago (IF-SC) Sistemas Operacionais e Programação 31 de julho de / 35

33 Tipos de memória permanente EPROM: Eraseable PROM. Assim como ocorre na PROM, a EPROM pode ser programada, mantendo os dados armazenados mesmo sem corrente elétrica, e permitindo apenas operações de leitura. Porém, pode ser apagada através de raios ultravioleta. EEPROM ou E2PROM: Electrically Erasable PROM. Tipo de memória ROM mais flexível, pode ser apagada sobre o controle de software. Tipo de ROM mais atual para armazenar as BIOS atuais. Podendo assim serem executadas atualizações de BIOS (flash BIOS) através de softaware específicos. Prof. Tiago (IF-SC) Sistemas Operacionais e Programação 31 de julho de / 35

34 Tipos de memória permanente EPROM: Eraseable PROM. Assim como ocorre na PROM, a EPROM pode ser programada, mantendo os dados armazenados mesmo sem corrente elétrica, e permitindo apenas operações de leitura. Porém, pode ser apagada através de raios ultravioleta. EEPROM ou E2PROM: Electrically Erasable PROM. Tipo de memória ROM mais flexível, pode ser apagada sobre o controle de software. Tipo de ROM mais atual para armazenar as BIOS atuais. Podendo assim serem executadas atualizações de BIOS (flash BIOS) através de softaware específicos. Prof. Tiago (IF-SC) Sistemas Operacionais e Programação 31 de julho de / 35

35 Tecnologias de memória RAM (memória volátil) SRAM: Static RAM mantêm seus dados sem uma reatuazalização externa (refresh), na medida que seus circuitos são alimentados continuamente. DRAM: Necessitam de pulsos a cada 15ns para manter seu conteúdo, de forma que a energia não fique alimentando a memória continuamente. Este pulso periódico é o refresh. Memória SRAM mais rápida (até 15 ns de tempo de acesso), porém com custo mais elevado (seis transistores para cada bit). Memória DRAM mais barata e mais lenta (até 100 ns de tempo de acesso). Cada bit necessita apenas de um transistor e um capacitor apenas. Prof. Tiago (IF-SC) Sistemas Operacionais e Programação 31 de julho de / 35

36 Asynchronous DRAM A DRAM convencional, é dita ser assíncrona. Isto significa que elas trabalham em seu próprio ritmo, independentemente dos ciclos da placa mãe. Exemplo: Uma memória que realize um burst de 4 leituras, com barramento de 66 MHz os intervalos de espera podem ser de até , o que significa que o processador terá que esperar 6 ciclos da placa mãe para a memória efetuar a primeira leitura e mais 3 ciclos para as leituras subsequentes. Interessante: No caso das placas para 486, que operavam com clocks baixos (30, 33 ou 40 MHz) os tempos de espera poderiam alcançar ou Porquê? Porque com menos ciclos por segundo, é natural que os tempos de resposta dos módulos correspondam a um número menor de ciclos da placa mãe. Prof. Tiago (IF-SC) Sistemas Operacionais e Programação 31 de julho de / 35

39 Synchronous DRAM As memórias (Synchronous Dynamic RAM) são capazes de trabalhar sincronizadas com os ciclos da placa mãe, sem tempos de espera. Isto significa que a temporização das memórias SDRAM é sempre de uma leitura por ciclos. Independente da frequência de barramento utilizada, os tempos de acesso serão sempre de Veja que o primeiro acesso continua consumindo vários ciclos, pois nele é realizado o acesso padrão, ativando a linha RAS (Row Address Strobe) e depois a coluna CAS (Column Address Strobe). Prof. Tiago (IF-SC) Sistemas Operacionais e Programação 31 de julho de / 35

40 Synchronous DRAM As memórias (Synchronous Dynamic RAM) são capazes de trabalhar sincronizadas com os ciclos da placa mãe, sem tempos de espera. Isto significa que a temporização das memórias SDRAM é sempre de uma leitura por ciclos. Independente da frequência de barramento utilizada, os tempos de acesso serão sempre de Veja que o primeiro acesso continua consumindo vários ciclos, pois nele é realizado o acesso padrão, ativando a linha RAS (Row Address Strobe) e depois a coluna CAS (Column Address Strobe). Prof. Tiago (IF-SC) Sistemas Operacionais e Programação 31 de julho de / 35

41 Memórias SDRAM Apesar das otimizações as memórias SDRAM continuam realizando apenas uma tranferência por ciclo, da forma mais simples possível. Depois de decorrido o longo ciclo inicial, as células de memória entregam uma leitura de dados por ciclo, que passa pelos buffers de saída e é despachada pelo barramento de dados. Todos os componentes trabalham na mesma frequência. Figura: Memória SRAM. Prof. Tiago (IF-SC) Sistemas Operacionais e Programação 31 de julho de / 35

42 Memórias SDRAM Apesar das otimizações as memórias SDRAM continuam realizando apenas uma tranferência por ciclo, da forma mais simples possível. Depois de decorrido o longo ciclo inicial, as células de memória entregam uma leitura de dados por ciclo, que passa pelos buffers de saída e é despachada pelo barramento de dados. Todos os componentes trabalham na mesma frequência. Figura: Memória SRAM. Prof. Tiago (IF-SC) Sistemas Operacionais e Programação 31 de julho de / 35

43 Memórias DDR Double Data Rate. Com o lançamento das DDR, as SDRAM passaram a ser chamadas de SDR (Single Data Rate). Circuitos adicionais permitem gerar comandos de acesso e leituras duas vezes por ciclo de clock, executando uma no início e outra no final. Cada um dos dois comandos de leitura (ou gravação) sejam enviados para um endereço diferente, na mesma linha. Figura: Memória DDR. Prof. Tiago (IF-SC) Sistemas Operacionais e Programação 31 de julho de / 35

46 Memória Secundária Memória de massa. Seu acesso não é realizado diretamente pela CPU, é realizado através de interfaces ou controladores especiais. Memória permanente, alta capacidade de armazanamento e custo mais baixo que o da memória principal, Não é formada por chips e sim por outras tecnologias de armazenamento (magnética e óptica). Pense: Porque não utilizá-la no lugar da memória principal? Não permitem acesso a bytes individuais, apenas em blocos de dados (no caso dos discos, setores) além de ter tempo de acesso lento, devido aos componentes mecânicos do hardware. Prof. Tiago (IF-SC) Sistemas Operacionais e Programação 31 de julho de / 35

47 Memória Secundária Memória de massa. Seu acesso não é realizado diretamente pela CPU, é realizado através de interfaces ou controladores especiais. Memória permanente, alta capacidade de armazanamento e custo mais baixo que o da memória principal, Não é formada por chips e sim por outras tecnologias de armazenamento (magnética e óptica). Pense: Porque não utilizá-la no lugar da memória principal? Não permitem acesso a bytes individuais, apenas em blocos de dados (no caso dos discos, setores) além de ter tempo de acesso lento, devido aos componentes mecânicos do hardware. Prof. Tiago (IF-SC) Sistemas Operacionais e Programação 31 de julho de / 35

48 Barramentos Bus. Caminho comum pelo qual os dados trafegam dentro do computador. Tamanho do barramento é importante, uma barramento de 32 bits, transmite 32 bits de dados de cada vez, velocidade medida em MHz. Alguns barramentos (na verdade portos) adicionais projetados para conexão de placas gráficas. Barramento projetados para variós dispositivos compartilhem o mesmo meio de comunicação. Porto apenas entre dois dispositivos (Placas AGP - Accelerated Graphics Port) Prof. Tiago (IF-SC) Sistemas Operacionais e Programação 31 de julho de / 35

49 Barramento da memória Barramento da Memória: Usado para transferir informações entre a CPU e a memória principal do sistema (memória RAM). Faz parte do barramentos do processador, fisicamente é implementada em um chipset dedicado que é responsável pela transferência de informações entre o barramento do processador e da memória. Impotante: A largura do barramento da memória é a mesma que do barramento do processador. Um processador que possui um barramento de 64 bits, cada banco de memória usado deverá possuir 64 bits preenchidos. Prof. Tiago (IF-SC) Sistemas Operacionais e Programação 31 de julho de / 35

50 Barramento da memória CPU Cache externa Barramento do Processador Barramento principal Controle de Barramento Barramento principal Barramento de Memória RAM Figura: Barramento da memória. Prof. Tiago (IF-SC) Sistemas Operacionais e Programação 31 de julho de / 35

51 Barramento de E/S Barramento de E/S: Desde a criação do PC, vários barramentos de E/S têm sido desenvolvidos. Necessita-se de uma padronização diante do mercado mundial, sem custos para os usuários. Barramento PCI (Peripheral Component Interconnect). Barramento de 32 e 64 bits, normalmente roda à 33 MHz e 66 MHz (máximo de 265 MB/s). Versões sincronizada: roda na metade da velocidade do barramento da memória. No modo assíncrono a velocidade do PCI pode ser configurado independentemente da velocidade do barramento da memória (jumpers da placa mãe ou BIOS). Prof. Tiago (IF-SC) Sistemas Operacionais e Programação 31 de julho de / 35

52 Barramento de E/S Opera concorrentemente com o barramento do processador. A CPU pode processar os dados com cache externo, enquando o barramento PCI está ocupado transferindo informações para outras partes do sistema. Processador Cache Ponte/ Controlador de Memória DRAM Audio Barramento PCI local LAN SCSI Vídeo SANSUNG Figura: Estrutura do barramento PCI. Prof. Tiago (IF-SC) Sistemas Operacionais e Programação 31 de julho de / 35

53 Dispositivos de Entrada/Saída Periféricos. Através deles o computador pode armazenar, ler, transmitir e receber dados. Classificam-se em dispositivos de ENTRADA, SAÍDA e ENTRADA E SAÍDA. Entrada: Teclado, mouse, drive de CD-rom, microfone, scanner, etc Saída: Vídeo,impressora, auto-falante, etc Entrada e Saída: Disco rígido, Modem, fita magnética, etc Prof. Tiago (IF-SC) Sistemas Operacionais e Programação 31 de julho de / 35

54 Lei de Moore O poder computacional dobra de capacidade a cada 18 meses Investimento de alto risco para a indústria de microprocessadores. Aumenta o valor de investimento ao mesmo tempo que reduz o tempo de retorno de cada novo chip. Ex: é necessário 2,3 ou 4 bilhões de dólares para cada novo projeto de chip mais rápido. Prof. Tiago (IF-SC) Sistemas Operacionais e Programação 31 de julho de / 35