INTRODUÇÃO À ARQUITETURA E ORGANIZAÇÃO DE COMPUTADORES. Função e Estrutura. Introdução Organização e Arquitetura. Organização e Arquitetura

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1 Introdução Organização e Arquitetura INTRODUÇÃO À ARQUITETURA E ORGANIZAÇÃO DE COMPUTADORES Eduardo Max Amaro Amaral Arquitetura são os atributos visíveis ao programador. Conjunto de instruções, número de bits usados para representação de dados, mecanismos de E/S, técnicas de endereçamento. Por exemplo, existe uma instrução de multiplicação? Organização é como os recursos são implementados. Sinais de controle, interfaces, tecnologia de memória. Por exemplo, existe uma unidade de multiplicação no hardware ou ela é feita pela adição repetitiva? Organização e Arquitetura Função e Estrutura Toda a família Intel x86 compartilha a mesma arquitetura básica. A organização é diferente entre diferentes versões. Função é a operação individual de cada componente como parte da estrutura. Estrutura é o modo como os componentes são inter-relacionados. Função Visão funcional Todas as funções do computador são: Processamento de dados. Armazenamento de dados. Movimentação de dados. Controle. 1

2 Estrutura Alto nível Estrutura A CPU Estrutura A unidade de controle Organização Estruturada de Computadores Computador: Máquina programável, de propósito geral, que processa informação. Programa: Seqüência de instruções (de uma dada linguagem de programação) que operam sobre dados, realizando um processamento de informação específico. Instrução: Operação que realiza algum processamento básico de informação. Exemplo: somar dois números, armazenar um dado, etc. Linguagem: (Linguagem de Programação). Conjunto de instruções associadas a uma sintaxe e uma semântica específicas. Organização Estruturada de Computadores 2

3 Problema: Como expressar as especificações de processamento de informação definidas por um operador humano de uma forma que possa ser entendida pelo computador? TANENBAUM: Organização Estruturada de Computadores Um modelo de abstração para facilitar o projeto e implementação de arquiteturas de computadores; Um computador é dividido em níveis ou camadas; Em cada nível, o computador pode ser programado utilizando a linguagem e os recursos daquele nível; Um nível pode ser visto como uma máquina virtual para execução de programas escritos no nível imediatamente superior. Solução: onde, Lh = Linguagem humana, Li = linguagem intermediária, (i = 1, 2,...), L0 = Linguagem entendida pelo hardware. Organização Estruturada: Computadores multiníveis Máquina Virtual de Nível i: Máquina virtual Mi que possui uma linguagem associada Li cujas instruções operam sobre um espaço de memória virtual associado. Níveis de Abstração: do código fonte ao código de máquina Portas Lógicas Para se comunicar com um computador você tem que utilizar sinais elétricos. Os sinais mais fáceis para um computador entender são ligado e desligado, ou 0 e 1. Símbolos escritos usando apenas 0s e 1s são ditos binários. Uma letra de um símbolo representado em binário é conhecida como binary digit ou bit. 3

4 Portas Lógicas Portas Lógicas Uma ALU de um bit para as operações E e OU pode ser implementada como: Uma ALU de 1 bit para a soma, o E e o OU lógicos pode ser implementada como abaixo: Podemos implementar um somador de 1 bit usando os componentes básicos. Uma ALU de 32 bits: Níveis de representação Vantagens da estruturação em Níveis: Vantagens da estruturação em Níveis: Para o usuário: o programador de nível i não precisa conhecer detalhes das linguagens de níveis inferiores. Para o projetista: o computador pode ser concebido de uma maneira estruturada, modular e compreensível, simplificando o projeto. 4

5 O Limite Hardware / Software Hardware: circuitos integrados, placas de circuito impresso, cabos, fontes de alimentação, memórias, dispositivos de entrada e saída (I/O). Software: algoritmos e sua representação computacional (programas). Equivalência entre hardware e software: funções tipicamente implementadas por software podem ser realizadas diretamente em hardware funções tipicamente realizadas em hardware podem ser implementadas (ou simuladas) por software custo, velocidade, confiabilidade, freqüência de mudanças. O Limite Hardware / Software O Limite Hardware / Software Arquitetura Arquitetura Atual Organização de um Computador Típico Processador (CPU - Central Processing Unit): Executa programas armazenados na memória, interpretando suas instruções, ou seja, buscando as instruções na memória, decodificando-as e executando-as, uma após a outra. Memória: Armazena dados e programas. Dispositivos de Entrada e Saída (E/S ou I/O - Input/Output): estabelecem comunicação com o mundo externo (operador ou outros dispositivos). Barramento: Conjunto de conexões elétricas/lógicas paralelas que permite a transmissão de dados, endereços e sinais de controle entre os diversos módulos funcionais do computador. 5

6 Organização de um Computador Típico Esquema de interconexão de barramento CPU Exemplo de CPU: processador MIPS de 64 bits Instruction Fetch Instr. Decode Reg. Fetch Execute Addr. Calc Memory Access Write Back Next PC 4 Adder Next SEQ PC RS1 Next SEQ PC Zero? MUX Address Memory IF/ID RS2 Reg File ID/EX MUX MUX ALU EX/MEM Data Memory MEM/WB MUX Sign Extend Imm RD RD RD WB Data Organização de Memória Desempenho Tempo de acesso (latência): Tempo entre apresentar o endereço e obter os dados válidos. Tempo de ciclo de memória: Tempo que pode ser exigido para a memória se recuperar antes do próximo acesso. Tempo de ciclo é = T.acesso + T.recuperação. Taxa de transferência: Taxa em que os dados podem ser movidos. 6

7 Lista de hierarquia Registradores. Cache L1. Cache L2. Memória principal. Cache de disco. Disco. Óptica. Fita. Memória Principal: RAM (Random Acess Memory) Memória semicondutora que armazena os dados e programas em linguagem de máquina em execução corrente. Vários tipos diferentes no decorrer da evolução computacional. Memória Cache: Cache e memória principal Idéia básica: manter no Cache as palavras mais usadas pelo processador. Memória Secundária: Memória de grande capacidade (armazenamento massivo). Implementada em meio magnético (hard disk, fitas magnéticas) ou ótico (CD-ROM, DVD-ROM). Armazena programas e dados não processados correntemente, mas que poderão eventualmente ser utilizados. (freqüência de acesso pequena). Memória lenta e barata. Tempo de acesso da ordem de milissegundos. Pode também ser utilizada para emular memória principal, aumentando o espaço de endereçamento disponível através de técnicas de memória virtual. Organização de Entrada e Saída Arquitetura de Entrada e Saída: Barramento de I/O: meio de transmissão de dados entre a CPU, a memória principal e os dispositivos de entrada e saída. Compartilhado por todos. Controlador de Dispositivo: conjunto de circuitos lógicos de interface entre o barramento e o dispositivo de entrada/saída. Responsável por controlar o dispositivo e por tratar do seu acesso ao barramento. 7

8 Organização de Entrada e Saída Questões UFF-JUCEES/2009) Em relação ao hardware, o soquete projetado para receber placas de expansão e conectá-las ao barramento de expansão do sistema é conhecido como: a) BIOS b) SLOT c) USB d) POST e) Filtro de linha Questões UFF-JUCEES/2009) Considere que um processador transfira dados a 64 bits por vez utilizando um clock de 100 MHz. Esse processador terá taxa de transferência máxima teórica (em MB/s) de: a) 800 MB/s b) 6400 MB/s c) 0.64 MB/s d) 80 MB/s e) 640 MB/s Referências William Stallings. Arquitetura e Organização de Computadores. 8a Edição. Alberto Ferreira de Souza. Notas de Aula. Andrew S. Tanenbaum. Organização Estruturada de Computadores. 8

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