Bibliografia. Avaliações. Disciplina: Organização de Computadores Carga Horária 60 horas/aula Prof. Glauco Paparoto

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1 Disciplina: Organização de Computadores Carga Horária 60 horas/aula Prof. Glauco Paparoto 1 Bibliografia Monteiro, Mário A. Introdução à Organização de Computadores.4ª Ed. Rio de Janeiro, LTC, 2001 Tanembaum, Andrew S. Organização Estruturada de Computadores.4ª Ed. Rio de Janeiro, LTC, 2001 STALLINGS, W. Arquitetura e organização de computadores. 5.ed, São Paulo, Pearson: Avaliações A avaliação será obtida por meio de provas, trabalhos e seminários, dentre outros, bem como pela participação do aluno durante as aulas e demais atividades, a critério do professor e em conformidade com o respectivo plano de ensino. Serão feitas avaliações, assim distribuídas: Duas Notas do Professor (NP) para as atividades curriculares, com peso 4 (quatro) cada uma, na composição da nota semestral de cada disciplina; Uma nota referente ao Projeto Integrado Multidisciplinar (PIM), com peso 2 (dois) no cálculo da Média Semestral (MS) de cada disciplina. Esse Projeto será desenvolvido durante o semestre. A MS será: (NP1 x 4 + PIM x 2 + NP2 x 4) / 10. Para a aprovação, a MS deverá ser igual ou superior a 5,0; é exigida a freqüência mínima de 75%. O desempenho do aluno é avaliado numa escala de 0 (zero) a 10 (dez). 3 1

2 Ementa: Conceituação de Organização e Arquitetura de Computadores e Máquinas Multiníveis. Organização de Sistemas Computacionais: CPU, Memória, Entradas e Multimídia e Barramentos. Nível Lógico Digital: Unidade Lógica e Aritmética, Organização de Memória, Clock e Registradores. Nível de Microarquitetura: Fluxos de Dados, Temporização do Fluxo de Dados, Operação de Memória, Microinstruções, O Mic-1, Exemplo de Macroarquitetura e Projeto do Nível de Microarquitetura(forma introdutória). 4 Objetivos Conhecer a organização interna dos computadores, para análise da otimização do uso de seus componentes em aplicações das áreas de informação, comunicação e processos de controle. 5 Conteúdo Programático 1- Organização estruturada de computador: Máquinas multiníveis contemporâneas: nível de lógica digital, nível de microarquitetura, nível de arquitetura de conjunto de instruções, nível de máquina de sistema operacional, nível de linguagem Assembly, nível de linguagem orientada ao problema. Evolução das máquinas multiníveis: microprograma, a invenção do sistema operacional, microcódigo, a eliminação da microprogramação. Exercícios relacionados com o material apresentado. 6 2

3 Conteúdo Programático (cont.) 2- Organização de sistemas computacionais: Processadores: organização da CPU, execução de instrução, princípios de projetos para computadores modernos, paralelismo no nível de instrução, paralelismo no nível de processador Exercícios relacionados com o material apresentado. Memória primária: endereços, ordenação dos bytes, códigos de correção de erros. Memória secundária Exercícios relacionados com o material apresentado. Entrada e saída: barramentos Exercícios relacionados com o material apresentado. 7 Conteúdo Programático (cont.) 3- Nível de lógica digital: Introdução à portas lógicas Clocks RAMs, ROMs Chips de memória Organização de memória Chips de CPU Exemplos de microprocessadores Barramentos: largura, temporização, operação Exemplos de barramentos: ISA, PCI, USB Interfaceamento de E/S: chips de E/S, decodificação de endereço 8 Conteúdo Programático (cont.) 4- Nível de microarquitetura (microprogramação): Exemplo de microarquitetura: fluxo de dados, temporização do fluxo de dados 9 3

4 Arquitetura dos Computadores Refere-se aos atributos de um sistema, ao Hardware (gabinete, memórias, HD, mecanismos de E/S, processador, placa mãe, placa de rede, placa de vídeo, placadesom,cdrom,etc),ouseja,tudooquefor visível para o programador. Incluem também o barramento que é o conjunto de linhas de comunicação que permitem a interligação entre dispositivos, como o CPU, a memória e outros periféricos e conjunto de instruções, o número de bits usados para representar os vários tipos de dados (números, caracteres), ou seja, a linguagem de máquina (0e1). 10 Organização dos computadores Lida com os relacionamentos estruturais que não são vistos pelo programador, ou seja, a forma como se estrutura o sistema. Incluem também os detalhes de Hardware transparentes ao programador, tais como os sinais de controle, as interfaces entre o computador e os periféricos e a tecnologia de memória e disco utilizada. 11 Breve História Marcos da arquitetura de computadores: Ano Nome Construído por Comentários 1943 Colossus Zuse Primeiro computador eletrônico 1946 ENIAC Eckert / Mauchley A história moderna dos computadores começa aqui 1949 EDSAC Wilkes Primeiro computador com programa armazenado 1952 IAS Von Neumann A maioria das máquinas atuais usa esse projeto 1978 VAX DEC Primeiro superminicomputador de 32 bits 1981 IBM PC IBM Deu início à era moderna do computador pessoal 1981 Osborne-1 Osborne Primeiro computador portátil Intel Primeiro ancestral de 32 bits da linha Pentium 1992 Alpha DEC Primeiro computador pessoal de 64 bits 1993 Newton Apple Primeiro computador palmtop 12 4

5 Breve História Marcos da arquitetura de computadores: 1848 O inglês matemático George Boole inventa a álgebra binária booleana, abrindo o caminho para o desenvolvimento de computadores quase 100 anos depois. Colossus (1943)- Tubos de vácuo armazenavam o conteúdo de uma fita de papel que era alimentada na máquina, e os cálculos aconteciam entre os tubos de vácuo e uma segunda fita lida pela máquina. A programação era feita com placas de conexão de fios. ENIAC (1946) - que consistia em tubos de vácuo que eram a seção computacional da máquina. Programas e dados eram introduzidos por meio de interruptores e troca de cabos. Ocupava uma sala de 140 m². Executava 5 mil adições por segundo. 13 Breve História A primeira geração de computadores Válvulas ( ) A segunda geração de computadores Transistores ( ) A terceira geração Circuitos Integrados ( ) A quarta geração Integração em Escala Muito Grande (1980 -?) A quinta geração - Computadores Invisíveis 14 O modelo de Von Neumann Computador de programa armazenado; Iniciouem1946eterminouem1952; Consiste em cinco componentes principais: (1) unidade de entrada; (2) unidade de saída; (3) unidade de lógica aritmética; (4) unidade da memória; (5) unidade de controle. Setas grossas representam o caminho dos dados; setas finas, o caminho de controle 15 5

6 O modelo de Von Neumann (1)unidade de entrada (teclado, scanner, mouse, etc) provê instruções e dados ao sistema, que são subsequentemente armazenados na (4)unidade de memória. As instruções e os dados são processados pela (3)unidade aritmética e lógica (adição, subtração, or, and) sob a supervisão da(5)unidade de controle(quem decide a seqüência de instruções corretas, ou seja, como fazer esses cálculos). Os resultados são enviados para a(2)unidade de saída (monitor, impressora, caixas de som); A ALU e a unidade de controle são frequentemente chamadas de forma coletiva de unidade central de processamento (Central processing unit-cpu) 16 O modelo de Von Neumann O modelo de Von Neumann foi modernizado, conforme ilustrado abaixo: Barramentos (Bus): Conjunto de fios que fazem a ligação física entre as diversas unidades. 17 O modelo de Von Neumann Barramento de Endereços: Tráfego de endereços; Barramento de Dados: Tráfego dos dados; Barramento de Controle: Tráfego dos sinais de controle; OBS: A CPUgera endereços que são colocados no barramento de endereços, e a memória e os dispositivos de E/S recebem endereços do barramento de endereços.a memória nunca gera endereços, e a CPU nunca recebe endereços e desta forma não existem conexões correspondentes a estas direções. 18 6

7 Linguagens, Níveis e Máquinas Reais Os componentes (circuitos eletrônicos de um computador) podem executar um número limitado de instruções simples, como por exemplo: soma de dois números, cópia de dados; verificação; Ao conjunto de instruções primitivas que torna possível às pessoas se comunicarem com os computadores, dá-se o nome de linguagem de máquina; Programa: sequência de instruções que descreve como executar uma determinada tarefa. 19 Linguagens, Níveis e Máquinas Reais LO LinguagemdeMáquina L1 Conjunto de instruções mais conveniente para as pessoas; Para executar um programa escrito em L1, é necessário substituir cada instrução por uma sequência de instruções em LO. O resultado será um programa inteiramente em LO. OcomputadorexecutaoprogramaLOaoinvésdo L1. Essa técnica é denominada TRADUÇÃO. 20 Linguagens, Níveis e Máquinas Reais Uma outra maneira é escrever um programa em L0 que utilize programas L1 como dados de entrada; O programa as executa examinando cada instrução por vez e executando diretamente a sequência equivalente de instruções LO. Nessa técnica não existe a geração prévia de um novo programa em LO; Essa técnica é denominada INTERPRETAÇÃO. 21 7

8 Linguagens, Níveis e Máquinas Reais Para simplificar, ao invés de pensarmos em TRADUÇÃO e INTERPRETAÇÃO, vamos imaginar uma máquina real (M1), cuja linguagem de máquina seja L1; Vamos denominar M0 a maquina real, correspondente a linguagem L0; Na prática, LO e L1 não devem ser muito diferentes, ou seja, L1 embora melhor que LO, ainda estará longe de ser o ideal para a maioria das aplicações; 22 Linguagens, Níveis e Máquinas Reais Nessa mesma linha de raciocínio, teremos que ter um novo conjunto de mais alto nível (mais dirigidoaspessoas)doqueasmáquinas,doquea linguagem anterior. A este terceiro nível de linguagem, chamaremos L2, com máquina real M2; A criação de outras linguagens mais dirigido a pessoas e menos a máquinas pode continuar indefinidamente, até que se chegue a uma adequada(mn/ Ln). 23 Linguagens, Níveis e Máquinas Reais Cada linguagem usa sua antecessora como base, de modo que podemos considerar um computador que use essa técnica como uma série de níveis (ou camadas), como mostra a figura a seguir; Somente programas escritos em L0 podem ser executadas diretamente pelos circuitos eletrônicos, sem a necessidade de TRADUÇÃO ou INTERPRETAÇÃO; 24 8

9 Linguagens, Níveis e Máquinas Reais 25 Microprogramação Os primeiros computadores (anos 40) possuíam somente dois níveis: -Nível de Arquitetura de Conjunto de Instruções (ISA), no qual era feita toda a programação, e; -Nível de Lógica Digital, que era complicado, difícil de entender e construir, e de baixa confiabilidade, que executava esses programas. Em 1951, Maurice Wilkessugeriu a introdução de um nível intermediário para simplificar o hardware: um interpretador (microprograma) imutável para executar as instruções no nível ISA por interpretação. 26 Microprogramação Microprogramação é uma programação por linguagem de máquina inserida em um hardware com um microprocessador. Como consequência disso, houve a diminuição do número de circuitos (hardware mais simples), aumentando a confiabilidade da máquina (já que na época, os circuitos eram a válvula e pouco confiáveis). Em torno de 1970, a idéia de interpretar o nível ISA por um microprograma em vez de diretamente por meios eletrônicos era dominante. Todas as principais máquinas de época utilizavam. 27 9

10 A invenção do Sistema Operacional A invenção do sistema operacional Por volta de 1960, foi criado um programa sistema operacional que ficaria constantemente em execução no computador com a função de automatizar o trabalho do operador do computador: iniciar um novo job, carregar o compilador de FORTRAN, carregar o programa a ser compilado, executar o programa resultante da compilação, entrar os dados para o programa, imprimir os resultados do programa A invenção do Sistema Operacional Nos anos subsequentes os sistemas operacionais tornaram-se cada vez mais sofisticados, com novas instruções, facilidades e características adicionadas ao nível ISA, até que ele começou a parecer como um novo nível. Algumas instruções eram idênticas às instruções no nível ISA, mas outras completamente diferentes (E/S) 29 Qual a função do Microcódigo? Ensinar ao processador o que fazer, é como um guia passo a passo para cada instrução. Exemplo: somar a+b seu microcódigodirá à unidade de decodificaçãoque são necessários dois parâmetros, a e b

11 Qual a função do Microcódigo? A unidade de decodificaçãorequisita que a unidade de buscapegue a informação presente nas duas posições de memória seguintes, que seja compatível com os valores para a e b. Depois que a unidade de decodificação traduziu a instrução e coletou todas as informações necessárias para executar a instrução, ela irá passar todas as informações e o guia passo-a-passo sobre como executar aquela instrução para a unidade de execução. 31 A eliminação da Microprogramação Os projetistas perceberam que podiam acrescentar novas instruções apenas ampliando o microprograma (como se pudessem acrescentar HW, ou seja, novas instruções de máquina por programação). Microprogramas grandes =tendência a ficar mais lentos. Voltou a idéia de eliminar o microprograma, promovendo uma drástica redução no conjunto de instruções e funcionalidadese fazendo com que as instruções restantes fossem executadas diretamente, pelo Hardware, que deixaria a máquina mais rápida. 32 Conclusões A fronteira entre hardware e software pode ser arbitrária; O software de hoje pode ser o hardware de amanhã, e vice-versa; Programador de um nível, em geral, não deve se preocupar com implementações de níveis inferiores

12 Revisão dos Conceitos Programa: seqüência de instruções que descreve como executar uma determinada tarefa. Linguagem de máquina: linguagem formada por um conjunto de instruções primitivas que torna possível às pessoas se comunicarem com os computadores. Tradução: Método de execução de programa que substitui cada instrução da linguagem L1 (linguagem de alto nível) pela linguagem L0 (linguagem de baixo nível). 34 Revisão de Conceitos Interpretação: Método de execução de programa que executa a linguagem L1 sem a geração de um novo código, executando a seqüência equivalente de instruções L0 diretamente. Cada linguagem utiliza sua predecessora como base, e então pode-se visualizar um computador como uma série de níveis ou camadas. Linguagens de Alto Nível: Linguagens projetadas para serem utilizadas por programadores. Ex. C/C++, Visual Basic, PHP, etc Organização Estruturada de Computador Processadores Execuções de Instruções Organização da CPU, Execução Paralela de Instruções Memória Bits, Endereços de Memória, Memória Secundária Entrada/Saída Mouses, Terminais, Mouse, Impressoras

13 Máquina Multinível Conforme os conceitos que vimos anteriormente, uma máquina pode ser vista como tendo vários níveis, cada um capaz de executar um conjunto de instruções específicas. Isto é, cada nível possui linguagens apropriadas para descrever as instruções que nele podem ser executadas. A maioria dos computadores possui dois ou mais níveis. Descreveremos a organização de uma máquina com seis níveis(máquinas mais atuais). 37 Máquina Multinível 38 Você verá agora os Seis Níveis Presentes na maioria dos computadores modernos 39 13

14 Nível de linguagem orientada ao problema Nível de linguagem Assembly Nível de máquina de sistema operacional Nível de arquitetura de conjunto de instruções Nível de Microarquitetura (microprogramação) Nível de lógica digital TRADUÇÃO (Compilador) TRADUÇÃO (Montador) Interpretação Parcial (Sistema Operacional) INTERPRETAÇÃO (Microprograma) Os microprogramas são executados diretamente pelo hardware Dispositivos 40 Níveis das Máquinas Nível de lógica digital, Nível de microarquitetura, Nível de arquitetura de conjunto de instruções, Nível de máquina de sistema operacional, Nível de linguagem Assembly, Nível de linguagem orientada ao problema. 41 Nível 0 -Lógica Digital Chamado de Nível 0, mas, na verdade, existe um outro nível abaixo do nível 0, que é o nível de dispositivos, o qual situa-se no campo da engenharia elétrica (fora de nosso escopo). No nível de lógica digital, os objetos são denominados portas 42 14

15 Nível 0 - Lógica Digital (cont.) Seus circuitos executam os programas em linguagem de máquina de nível 1; Este nível consiste somente em componentes elétricos (transistores e fios os quais as portas lógicas são feitas); As portas lógicas são combinadas para formar o processador; Tem uma ou mais entradas digitais (0 ou 1)e computa como saída alguma função simples (AND ou OR). 43 Nível 1 - Microarquitetura Nível 1 Conhecido também como nível das unidades funcionais. É o verdadeiro nível de linguagem de máquina. A Função deste nível é interpretar as instruções de nível 2. Poucas são as máquinas que têm mais de 20 instruções neste nível. Conjunto de registradores (8 a 32) que formam uma memória local e um circuito chamado ULA (Unidade Lógica Aritmética) 44 Nível 1 - Microarquitetura (cont.) Os registradores são conectados à ULA para formar um caminho de dados (onde os dados transitam); Máquinas em que o caminho de dados é controlado por software,o microprograma é um interpretador p/ as instruções do nível 2. Máquinas c/ controle incorporado do caminho de dados,ocorreriam etapas semelhantes, mas sem um programa explícito armazenado p/ controlar a interpretação das instruções do nível

16 Nível 2 -arquitetura de conjunto de instruções (ISA) Conhecida também como nível de controle; É a interface entre o softwaree o hardware; Nível mais próximo ao hardware onde o usuário pode programar; Em determinadas máquinas o caminho de dados é controlado por um programa denominado microprograma. Em outras é diretamente pelo HW. Antigamente este nível chamava-se nível de microprogramação porque ele era quase sempre um interpretador de software. 46 Nível 2 -arquitetura de conjunto de instruções (ISA) Nível 2 -Mas pode ser nível 1 quando não existir o nível de microprogramação. Neste caso, as instruções são executadas diretamente pelo nível de circuitos eletrônicos. Manual de fabricantes de computadores fazem referência a este nível. 47 Nível 2 -arquitetura de conjunto de instruções (ISA) Formatos de Instruções Endereçamento Tipos de Instruções Fluxo de Controle 48 16

17 Nível 3 - Sistema Operacional Nível 3 -Algumas instruções deste nível são interpretadas pelo próprio sistema operacional (SO), outras são interpretadas pelo microprograma. Isto é o que se quer dizer por híbrido. 49 Nível 3 - Sistema Operacional Conhecido também como nível de linguagem de montagem ou de código de máquina; Este nível é a fronteira entre o hardwaree o software; Os usuários deste nível podem ser programas do nível 4 ou usuários humanos. 50 Nível 3 - Sistema Operacional Memória Virtual Técnica implementada em diversos SO que faz com que a máquina aparentemente possua mais memória do que ela realmente possui. Programas grandes x memória pequena => Divisão do programa em blocos, armazenados em memória secundária, chamados overlays. => Responsabilidade do programador em gerenciar a execução dos blocos. Método para executar o processo de overlay automaticamente, sem a percepção do programador => memória virtual

18 Nível 3- Sistema Operacional Instruções de Entrada/Saída Virtual As instruções de E/S do nível ISA permitem acessar detalhes de hardware dos dispositivos de E/S. Por exemplo: ler/escrever dados armazenados em discos quaisquer checar se um disco está funcionando totalmente correto. escrever em terminais de outros usuários, etc Nível 3 - sistema Operacional Instruções Virtuais usadas em processamento paralelo São necessárias algumas instruções virtuais para que diversos processos possam trabalhar juntos, em paralelo. Objetivo principal: diminuir tempo de execução das instruções O processamento paralelo: pode ser realizado por vários processadores. ou por um único processador realizando processamento paralelo simulado. Mesmo quando o paralelismo é simulado, podemos considerar que cada processo tem seu próprio processador virtual (O processador real é compartilhado pelos processos). Importante: Os problemas de comunicação entre processos são os mesmos tanto no paralelismo verdadeiro quanto no simulado. 53 Nível 4-Linguagem Assemblyou de Montagem são dirigidos à execução dos interpretadores e tradutores para dar suporte a níveis mais altos; Fornece um método para as pessoas escreverem programas para os níveis 1, 2 e 3em forma que não seja tão desagradávelquanto as linguagens de máquina; Programas em linguagem de montagem são primeiro traduzidos para linguagem de nível 1, 2 ou 3, e em seguida interpretados pela máquina real. O programa que realiza a tradução é denominado assembler; 54 18

19 Nível 4 -Linguagem Assemblyou de Montagem OqueéumalinguagemAssembly? Linguagem na qual cada comando produz exatamente uma instrução de máquina => correspondência direta entre as instruções de máquina e os comandos do programa em assembly. Muito mais fácil trabalhar com assembly do que com a linguagem máquina diretamente. O programador em assembly possui acesso a todas as características e instruções disponíveis na máquina alvo. Tudooquepodeserfeitopelalinguagemdemáquinapode ser feito na linguagem assembly. Um programa em linguagem assembly só pode ser executado em uma família de máquinas. 55 Nível 4 -Linguagem Assemblyou de Montagem Por que utilizar a linguagem Assembly? Performance Acesso total a máquina 56 Nível 5 -Linguagem Orientada ao problema Consiste em linguagens projetadas para serem utilizadas por programadores de aplicação com problemas a serem resolvidos. Tais linguagens são denominadas linguagens de alto nível, como C, Pascal, C ++, Cobol, Fortran, Basic dentre outras. Programas são geralmente traduzidos para os níveis 3 e 4 por compiladores Alguns são interpretados: Exemplo:programas em Java, MatLab,

20 Máquina Multinível linguagem orientada ao problema linguagem de Assembly sistema operacional Formado pelos transistores individuais Tensão, corrente, circuitos, etc. Conjunto de instruções Microarquitetura lógica digital dispositivos 58 Máquina Multinível linguagem orientada ao problema linguagem de Assembly sistema operacional Conjunto de instruções Portas lógicas e CI. Implementam a manipulação de sinais executando funções lógicas básicas: AND, OR, NOT, deslocamento de bits, etc. Microarquitetura lógica digital Nível 0 dispositivos 59 Máquina Multinível linguagem orientada ao problema linguagem de Assembly sistema operacional Conjunto de instruções Microarquitetura Nível 1 Microprogramas que controlam a entrada e saída de sinais para os vários dispositivos e controlam as várias portas lógicas. Instruções binárias. lógica digital dispositivos 60 20

21 Máquina Multinível linguagem orientada ao problema linguagem de Assembly sistema operacional Conjunto de instruções Nível 2 Microarquitetura Comandos para executar funções específicas da máquina: formato de instruções endereçamento, interrupções, dependente da arquitetura utilizada. MOV 0 ACC; ADD 03FC; lógica digital dispositivos 61 Máquina Multinível linguagem orientada ao problema linguagem de Assembly Sistema Operacional Nìvel 3 Conjunto de instruções Microarquitetura Comandos para executar funções específicas da máquina: Gerenciamento de tarefas, Sistema de arquivos, Memória virtual e paginação. lógica digital dispositivos 62 Máquina Multinível linguagem orientada ao problema linguagem de Assembly Nível 4 sistema operacional Conjunto de instruções Microarquitetura lógica digital Assembly Cada comando corresponde exatamente a uma instrução a ser executada. Utiliza-se mnemônicos e endereços simbólicos. MOV 0 ACC; MOV 0 R1;... GTO A R1 dispositivos 63 21

22 Máquina Multinível linguagem orientada ao problema Nível 5 linguagem de Assembly sistema operacional Conjunto de instruções Microarquitetura C, C++, Pascal, Cobol Aux:= 0; do print(aux); Aux:= Aux + 1; while Aux <= 10; lógica digital dispositivos 64 Máquina Multinível Linguagem Assembly swap: muli $2, $5, 4 add $2, $4, $2 lw $15, 0($2) lw $16, 4($2) sw $16, 0($2) sw $15, 4($2) jr $31 Linguagem C Swap (int v[], int k) {int temp: temp = v[k]; v[k] = v[k+1]; v[k+1] = temp; } Código Executável Observações Finais Computadores são projetados como uma série de níveis; 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; Não há uma definição demasiadamente rígida sobre o que está presente em cada nível. Cabe aos projetistas decidirem o que colocar em cada nível

23 Questões 1. Explique com suas palavras: 1. Tradutor; 2. Interpretador; 3. Máquina Real; 2. Qual a diferença entre interpretação e tradução? 3. Em uma máquina multinível, quais as principais características do nível de arquitetura de conjunto de instruções? 4. Oqueéalinguagemassemblyeondeéutilizada? 5. Baseando-se nos conceitos vistos até agora, como funciona o Sistema Operacional? 67 23