Arquitetura e Organização de computadores

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1 Arquitetura e Organização de computadores Aula 1: Organização e evolução de computador, parte 2 Prof. MSc. Pedro Brandão Neto, Sistemas de Informação - UNDB

2 Introdução 2

3 Máquinas Multiníveis Contemporâneas Nível 0: Nível da Lógica Digital Nível mais baixo da estrutura. É o verdadeiro hardware da máquina Objetos de interesse são conhecidas portas lógicas (AND, OR e XOR) Cada porta lógica possui 1 ou mais entradas digitais (aceitam 0 ou 1) e calculam funções lógicas simples sobre essas entradas Um pequeno número número de portas pode ser combinado para formar uma memória de 1 bit, que pode armazena 0 ou 1 As memórias de 1 bit podem ser combinadas em grupos de 16, 32 ou 64 para formar registradores Portas também podem ser combinadas para formar o mecanismo principal de computação, o processador 3

4 Máquinas Multiníveis Contemporâneas Nível 1: Nível da Microarquitetura Constituído por um conjunto de 8 a 32 registradores (uma memória local) e o circuito Unidade Aritmética Lógica (UAL, capaz de executar operações aritméticas simples) Registradores são conectados à UAL para formar o caminho dos dados Operações são controladas por um microprograma ou diretamente por hardware O microprograma é um interpretador para as instruções no Nível 2. Ele busca, decodifica e executa instruções, uma a uma, usando o caminho de dados para a realizações de terefas Por exemplo: Com uma instrução ADD, a instrução é buscada, seus operandos, localizados e trazidos para dentro do registrador e então a soma é calculada pela UAL e, por fim, o resultado é enviado para a memória 4

5 Máquinas Multiníveis Contemporâneas Nível 1: Nível da Microarquitetura 5

6 Máquinas Multiníveis Contemporâneas Nível 2: Nível de Arquitetura do Conjunto de Instruções (ISA - Instruction Set Architecture), ou nível ISA É o nível de Arquitetura do conjunto de instruções (ISA - Instruction Set Architecture), ou nível ISA Fabricantes disponibilizam Manual de Referência da Linguagem de Máquina ou Princípios de operação do Computador Modelo XYZW (ou algo similar) Os manuais de referências descrevem as instruções executadas por interpretação pelo microprograma ou pelo circuitos de execução do hardware As informações dos manuais são necessárias para os desenvolvedores de sistemas operacionais 6

7 Máquinas Multiníveis Contemporâneas Nível 2: Nível de Arquitetura do Conjunto de Instruções (ISA - Instruction Set Architecture), ou nível ISA Coleção completa das instruções que a CPU é capaz de executar Linguagem de máquina É uma linguagem numérica (sequência de bits) Linguagem demontagem (Assembly) é uma representação simbólica do conjunto de instruções Tradução é feita por um programa montador Assembler (1:1) Linguagens de alto-nível devem ser convertidas em linguagem de máquina para sua execução Tradução por compiladores ou interpretadores(1:n) 7

8 Máquinas Multiníveis Contemporâneas Nível 3: Nível do Sistema Operacional Neste nível também podem conter instruções do nível ISA Suporta uma organização diferente de memória Suporta capacidade de executar 2 ou mais programas simultaneamente Programadores deste nível, e também dos níveis mais baixos, são conhecidos como programadores de sistema Os programadores dos níveis mais altos que este são chamados programadores de aplicação As novas facilidades adicionadas ao nível 3 são executadas por um interpretador que executa no nível 2. O nível 3 é denominado sistema operacional 8

9 Máquinas Multiníveis Contemporâneas Nível 4: Nível da linguagem de montagem (Assembly language) Os três níveis mais baixos não são projetados para utilização do programador médio, de nível caseiro São dirigidos à execução dos interpretadores e tradutores (escritos por pessoas denominadas programadores de sistemas que se especializam em projetar e implementar novas máquinas reais) que dão suporte aos níveis mais alto Este nível e os superiores são dirigidos ao programador de aplicações que tem um problema a resolver Linguagem de montagem (assembly): forma simbólica de representação das linguagens do nível mais baixo Programas em assembly são traduzidos para as linguagens dos níveis 1, 2 e 3 e depois interpretados pela máquina virtual apropriada ou pela própria máquina real Programa que realiza a tradução é denominado assembler (montador) 9

10 Máquinas Multiníveis Contemporâneas Nível 5: Nível das linguagens orientadas para problemas solução dos Conhecidas como linguagens de alto nível. Exemplos: Basic, C, c++, Pascal, Java, LISP, Prolog... Programas são geralmente traduzidos para os níveis 3 e 4 por compiladores. Alguns são interpretados: Exemplo: programas em Java. 10

11 Máquinas Multiníveis Observações importantes (I) A maioria dos computadores modernos consiste em dois ou mais níveis Computadores são projetados como uma série de níveis, cada um deles construído em cima de seus precursores. Cada nível representa uma abstração distinta, com diferentes objetos e operações. A abstração permite ignorar, "abstrair", temporariamente detalhes irrelevantes, de níveis mais baixos, reduzindo uma questão complexa a algo muito mais fácil de ser entendido. 11

12 Máquinas Multiníveis Observações importantes (II) O conjunto de tipos de dados, operações e características de cada nível é denominado arquitetura A arquitetura trata dos aspectos que são visíveis ao usuário daquele nível. Características que o programador vê, como a quantidade de memória disponível, são parte da arquitetura O estudo sobre como projetar as partes de um sistema de computador que sejam visíveis para os programadores é denominado arquitetura de computadores. 12

13 Máquinas Multiníveis Evolução das máquinas Multiníveis Programas escritos em linguagem de máquina (nivel 1) de um computador podem ser executados diretamente pelos circuito eletrônicos (nível 0) sem nenhum interpretador ou tradutor Os circuitos eletrônicos junto com a memória e dispositivos de entrada/saída formam o hardware do computador O hardware consiste em objetos tangíveis Circuitos integrados, placas de circuito impresso, cabos, fontes de energia, memórias e impressoras, ao invés de ideias abstratas, algoritmos ou instruções 13

14 Máquinas Multiníveis Evolução das máquinas Multiníveis O software, entretanto, consiste em algoritmos (instruções detalhadas que dizem como fazer algo) e suas representações no computador Primeiros computadores fronteira entre o hardware e o software era muito clara 14

15 Máquinas Multiníveis Evolução das máquinas Multiníveis Hardware e software são equivalentes logicamente Qualquer operação realizada por software pode ser realizada diretamente por hardware Qualquer instrução executada por hardware pode ser simulada em software. 15

16 Máquinas Multiníveis Considerações (I) Fronteira entre o hardware e o software pode ser arbitrária e está sempre mudando. O que hoje está implementado em software poderá em breve estar implementado em hardware, e vice-versa - O software de hoje pode ser o hardware de amanhã e vice-versa. As fronteiras entre os demais níveis não estão bem definidas e podem também ser alteradas. 16

17 Máquinas Multiníveis Considerações (II) Do ponto de vista do programador, não tem muita importância a maneira como uma instrução é realmente implementada. Programador de um nível, em geral, não deve se preocupar com implementações de níveis inferiores 17

18 Invenção da Microprogramação Os primeiros computadores (anos 40) possuíam somente dois níveis Nível de Arquitetura de Conjunto de Instruções (ISA) onde era feita toda programação e o Nível de Lógica Digital que executava os programas Os circuitos eram complicados, difíceis de entender e montar, e não confiáveis. Em 1951, Maurice Wilkes (University of Cambridge) sugeriu projetar um computador de três níveis para simplificar drasticamente o hardware. Essa máquina deveria ter um interpretador embutido, imutável, cuja função fosse executar programas de nível ISA. 18

19 Invenção do Sistema Operacional Por volta de 1960, foi criado o primeiro sistema operacional que automatizava o trabalho do programador: carregar o compilador de FORTRAN. Antes o programador colocava-o na leitora de cartões e apertava o botão START carregar o programa a ser compilado. Antes o programador tinha que colocar o seu programa na leitora e apertava o botão CONTINUE O programa resultante da compilação começava a executar. Antes o compilador perfurava os cartões o programa traduzido para a linguagem de máquina entrar os dados para o programa imprimir os resultados do programa... 19

20 Invenção do Sistema Operacional Nos anos subsequentes, os sistemas operacionais tornaram-se cada vez mais sofisticados Novas instruções, facilidades e características foram adicionadas ao nível ISA. Estas novas instruções ficaram conhecidas como macros de SO ou chamadas do supervisor. Hoje é conhecido como chamada do sistema.

21 Máquinas Multiníveis Sistemas Embarcados Circuito de Aplicação Específica ASIC Computação Reconfigurável Lógica programável - FPGA 21

22 Máquinas Multiníveis Sistemas Embarcados Partes de outros produtos Exemplos de sistemas embarcados: microcomputadores microcontroladores processadores digitais de sinais Exemplos de aplicações para sistemas embarcados: Telefones celulares Automóveis Video Games TV GPS 22

23 Máquinas Multiníveis Sistemas Embarcados Desafio 23

24 Código Morse Sistema de representação de letras, números e sinais de pontuação através de um sinal codificado enviado intermitentemente Desenvolvido por Samuel Morse em 1835, criador do telégrafo elétrico Uma mensagem codificada pode ser transmitida através de pulsos (ou tons) curtos e longos por: pulsos eléctricos transmitidos em um cabo ondas mecânicas (perturbações sonoras) sinais visuais (luzes acendendo e apagando) ondas eletromagnéticas (sinais de rádio) Vide ilustração: https://www.youtube.com/watch?v=eu2jkrdhff0 24

25 Ábaco Há cerca de 5 mil anos. Foi quando os mercadores da Mesopotâmia desenvolveram o primeiro sistema científico para contar e acumular grandes quantias. 25

26 Fim!

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