COMPUTER ARCHITECTURE

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1 PRISCILA SALETE INÁCIO GARCIA ID #:UAM19270SSY27118 COMPUTER ARCHITECTURE Um documento apresentado à Faculdade de Ciências e Engenharia, Atlantic International University, em cumprimento parcial dos requisitos para a concessão do Grau de Bacharel/ Mestrado Tecnologia da Informação ATLANTIC INTERNATIONAL UNIVERSITY Honolulu, Havaí 1

2 Índice Table of Contents 1HISTÓRIA E VISÃO GERAL...4 2FUNDAMENTOS DE ARQUITECTURA DE COMPUTADOR...5 Princípios da máquina de Von Neumann...5 Unidade aritmética / lógica (ALU)...5 Unidade de controlo (CU)...5 Memória...6 3ARITMÉTICA DO COMPUTADOR...7 Sistema binário...7 4ORGANIZAÇÃO DA MEMÓRUA DO SISTEMA E ARQUITECTURA...9 Hierarquia de memória...9 Memória primária...10 Memória Secundária...11 Tecnologia de Memória...11 Memória de Cache INTERFACE E COMUNICAÇÃO...12 Fundamentos I / O: Buffer...12 Buffer (Retentor)...12 Caracteristica dos dispositivos de Entrada/ Saída...12 O teclado...12 Principio de Funcionamento...13 O mouse...13 O monitor...14 Técnicas I / O: Programado I / O, I / O Baseado em Interrupções SUBSISTEMAS DE DISPOSITIVOS...15 Sistemas externos de armazenamento ORGANIZAÇÃO DA CPU...16 Unidade Lógica e Aritmética (ALU)...16 Unidade de Controle (UC)...16 Registradores DESEMPENHO...17 Métricas para o desempenho do computador...17 Programas para medir o desempenho MODELOS DE SISTEMAS DISTRIBUÍDOS...18 Modelos de máquinas paralelas...18 CONCLUSÃO BIBLIOGRAFIA

3 INTRODUÇÃO Podemos definir arquitetura de computador como a ciência que estuda a interconexão de componentes de Hardware para criar computadores atendendo as metas. Esse tema é de grande interesse para mim porque quero aprofundar meu conhecimento sobre o computador e partilhar as conclusões que tirei da minha pesquisa. Para copreensão desta ciência desenvolverei os seguintes temas: História e visão geral Fundamentos de arquitetura de computadores Aritmética do computador Organização da memória do sistema e arquitetura Interface e comunicação Subsistemas de dispositivos Organização do CPU Desempenho Modelos de sistemas distribuídos Melhorias de desempenho Para começar vou falar de como começou o desenvolvimento da arquitetura de computador e como isso afectou os computadores que hoje nós usamos. 3

4 1 HISTÓRIA E VISÃO GERAL Construido pelo EUA durante a segunda guerra mundial o ENIAC foi projetado por Mauchly e Echert com o objetivo de calcular a trajectoria balística, assim começou inicio da criação do primeiro computador, até hoje. John Von Neumann matemático húngaro sugeriu que fossem usados uns e zeros para armazenamento de dados no computador, visto que se usava cartão perfurado, em vez de ler de novo um cartão perfurado o computador buscava diretamente as informações a partir da memória, sendo assim essa teoria proporcionou rapidez, versatilidade e automodificação. Hoje em dia os computadores baseam-se na teoria de Von Neumann que era basicamente quatro sessões principais, sendo a unidade lógica e aritmética, a unidade de controle, a memória e os dispositivos de entrada e saída. Ao deste estudo vou desenvolver cada parte da teoria de Von Neumann. O primeiro computador comercial UNIVAC 1950, nesse computador os dados e programas já eram armazenados na memória, tinha uma execução sequencial, assim com ENIAC estes dois fazem parte da primeira geração de computadores. Na Segunda Geração ( ) é que começa o uso dos transístor inventado nos Laboratórios da Bell Telephone por Bardeen e Brattain em 1947, componente eletrónico usado como amplificador e interruptor de sinais elétricos É nessa geração que começou os primeiros sistemas operacionais, com linguagem de programação de alto nível Já na Terceira Geração ( ) introduziu-se os circuitos integrados, o microprocessador combinando milhares de transístores e semicondutores. Por fim na Quarta Geração 1974 até hoje, com a combinação de milhares de transístores com um único chip processador surgiu a criação do PC (Personal Computer), com Programação orientada a objeto: Objetos e operações em objetos. 4

5 2 FUNDAMENTOS DE ARQUITECTURA DE COMPUTADOR Princípios da máquina de Von Neumann A maquina de Von Neumann baseava-se no principio de o computador ter quatro componentes que são, memória, unidade aritmética e lógica (ALU), devia realizar operações básicas de aritmética com unidade própria, (3) uma unidade central de processamento (CPU), composta por diversos registadores, e (4) uma Unidade de Controle (CU), podemos adicionar também o sistema de entrada e saída. Todos esses dispositivos estariam ligados por barramento (condutores de energia). O ciclo de execução de Von Neumann é sequencial, sendo que as instruções são processados uma a cada vez. Uma vez que a finalidade do computador consiste em executar instruções, sua pronta execução contribui para o bom desempenho, para isso é necessário um cérebro, sendo que temos a Unidade Central de Processamento,, localizado na placa-mãe, tem como tarefa a execução de instruções que estão armazenados na memória, pelo contrario os programas e dados estão armazenados no disco rígido, quando transferidos para memória a CPU pode executar. A CPU é composta por barramentos principais componente que são": a unidade aritmética / lógica (ALU), a unidade de controlo (CU), e memória. Unidade aritmética / lógica (ALU) É aqui onde se faz os cálculos, aqui os dados são mantidos temporariamente, na verdade a ALU se comporta como uma calculadora eletrotécnica. Unidade de controlo (CU) Nesta unidade é onde se define a execução das instruções, seguindo uma sequencia de instruções de um ciclo fetch-execute. Esta unidade também supervisiona a busca de dados e instruçoes dentro da memoria. 5

6 Memória A memória consiste em celulas, cada uma das celulas contém um bit de dados, elas estão organizadas em filas, cada linha consiste em grupo ou mais de bytes. A interação entre a CPU e a memória é da seguinte forma: para acessar ou armazenar dados na memória a CPU faz uma cópia de um endereço de um registo na CPU para um registo na memória. Dois factores determinam a capacidade de uma memória O número de bits no registrador de endereço de memória e número de bits no campo de endereço do conjunto de instruções. 6

7 3 ARITMÉTICA DO COMPUTADOR Como humanos usamos a representaçao dos numeros na base decimal que vai de 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 e 9. Os computadores diferentes dos humanos utilizam sistema de numeração base 2, conhecido como sistema binário que consiste basicamente em 1 e 0. Sistema binário Neste sistema usa-se apenas 1 e 0, sendo que os dados incluindo letras são representados como 1 e 0. O sistema de númeração binário é representado por quatro digito, a seguir a tabela: Decimal Binário A seguir um exemplo de como converter de decimal para binário: 240 Decimal Queremos converter para binário, fazemos da seguinte forma: 7

8 Agrupamos todos os multiplos de 2 e a seguir vamos comparando: Fizemos o calculo da seguinte forma: 240 é maior ou igual que 128? Visto que 240>128 o valor é 1 e subtrai-se e assim sucessivamente até o valor ser zero. Então 240 = ( ) Como posso saber se esta certo? Somando os multipos positivos, neste caso será: =240 Esta é uma tecnica rapida e agrdavel de conversão, sem tornar o calculo cansativo. 8

9 4 ORGANIZAÇÃO DA MEMÓRUA DO SISTEMA E ARQUITECTURA Hierarquia de memória Para o bom funcionamento do computador e necessário que ele tenha varios tipos de memória para as mais variadas atividades. Mesmo tendo varias memórias no computador, elas interligam entre si e formam um sistema estruturado chamado de subsistema de memoria. em cada celula na unidade de memoria encontramos um bit de dados. As celulas sao organizadas em filas, em que cada linha consiste em um grupo ou mais de bytes, sendo representam as celulas de dados de um ou mais endereços de memoria. Para cada grupo de celula na memória tem uma linha de endereço separado. Pelas caracteristicas de cada tipo de memoria podemos definir os principais parametros: Tempo de acesso Capacidade Tecnologia de fabricação Volatilidade Seguindo os parametros as memórias estão organizadas pela sequência: Registrador - Cache - Memória RAM - Memória secundária 9

10 Registrador Memória de Cache Memória Primária (RAM) Memória Secundária Memória primária Na maioria dos sistemas de computadores a memória primária é a RAM (Random Access Memory, ou memória de acesso aleatório), ela efectua calculos e comparações. É um tipo de memória de semicondutor que pode ser acedido aleatoriamente, isto é os endereços podem ser acedidos a qualquer ordem, é uma memória de escrita e leitura, sendo um tipo de memória volatil, ela perde seus dados quando desligada de uma corrente. Existem varios tipos de RAM construidas para diferentes aplicações, dentre elas podemos citar DRAM (dinâmica) é uma memória de trabalho utilizada pelos programas e a SRAM (estática) mais rapida que a DRAM, exclusivamente para acelerar o processo no computador. Progamas basicos de e controle entrada e saida.usam a memória ROM, ou somente leitura, que é semi-permanente no computador. 10

11 Memória Secundária Também chamada memória de massa, esta memória é usada para salvar dado a longo prazo, mesmo com corte de energia. Tem capacidade de guardar grandes volumes de dados. Seu acesso é por meio de dispositivos de entrada/saída Exemplos dessas memórias são, CD-ROM. HD, etc. Tecnologia de Memória Quando começou a se desenvolver as memorias usava-se núcleo magnético, mas ao longo do tempo com as tecnologias passaram a usar memorias de circuito semicondutor. Hoje em dias as tecnologias usadas são flip-flop, portas logicas, transistores e memoria flash, esses sao apenas alguns exemplos. Memória ROM é um tipo de memoria apenas de leitura, os dados la contidos sua gravação é feita pelo fabricantem, sendo que sua caracteristica principal é que ela é uma memoria permanente o seu conteudo nunca é perdido. É na ROM onde é armazenada a BIOS, o sistema basico de entrada e saida de um computador As mais recentes memórias ROM tem em uso uma tecnologia diferente, como EEPROM (ROM eletricamente apagável programável) ou memória flash. PROM ( Programmable ROM), é uma ROM programável. é de nota que a gravação é feita apenas uma vez. EPROM (Eraseable PROM), é uma ROM programável e apagável. Tal como ocorre com a PROM, a EPROM pode ser programada depois o seu comportamento é como uma ROM normal,, mantendo os dados mesmo sem corrente elétrica, e sendo apenas de leitura. 11

12 Memória de Cache É uma memória de alta velocidade entre a CPU e a memória principal. Organizada em blocos, em que cada bloco tem uma capacidade de armazenamento de 8 bytes a 64 bytes, cada bloco tem uma marca que indentifica a memória principal. Pelo uso da memoria de cache melhora o desempenho do computador, reduzindo as vezes de acesso a memória principal. Em algumas arquitetura a memoria de cache ja vem com instruções para solicitaçao previa de dados. 5 INTERFACE E COMUNICAÇÃO Fundamentos I / O: Buffer A luz de tudo que já consideramos aqui temos que ter em mente que sem os dispositivos de entrada e saida de computador nao há comunicação. Vamos considerar alguns metodos e dispositivos de transferência de dados. Buffer (Retentor) Na memória tem uma área, que podemos chamar memória virtual que temporariamente é usada para escrita e leitura de dados, esses dados podem ser de processos ou dispositivos internos ou externos, sua implementação pode ser em hardware e software. Uma das suas caracteristicas é que é ultra-rapido. Caracteristica dos dispositivos de Entrada/ Saída O teclado O foi baseado na maquina de escrever para facilitar os usuários porque já estavam familiarizados com a maquina de escrever antiga. Diferente da maquina de escrever apenas em uma pequena coisa, o teclado tem teclas de 12

13 controlo, teclas estas que as antigas maquinas de escrever não tinham. A seguir na tabela abaixo apresenta algumas teclas e as suas funções: Teclas Shift F1 Windows Capslock Função Quando combinada com uma tecla de letra põe em maiuscula, com outras teclas libera outas funcões da tecla. Tecla de ajuda Esta tecla no sistema operativo Windows abre o menu iniciar. Põe todas as letras em maisculas. Os teclados mais usados são os QWERTY, mas podemos mencionar outros como. Principio de Funcionamento O teclado, basicamente é um dispositivo de entrada, em que na entrada os dados são Unicode e ASCII para o computador. A entrada a partir do teclado e bastante lenta, porque o computador espera que o usuario termine a tarefa. Temos dois tipos de entrada a partir do teclado, entrada prevista, por exemplos quando digitamos Ctrl+Alt+Delete, para o processo actual e abre uma janela para o processo administrativo. A entrada inesperada é a que consideramos, que ela é lenta porque espera a execução sequencial das instruções. A ligação do teclado ao computador pode ser sem fio o com fio, por exemplo tem teclado wireless, bluetooth ou infravermelho e a cabo tem cabo USB e PS/2. O mouse O mouse tem um tipo de entrada inesperada, neste dispositivo a entrada de dados é lenta, pelo facto de o usuario movimenta o mouse pela tela, quando clica em um programa esperamos pela execução. Assim como o teclado o mouse também se conecta ao computador por USB e PS/2, além já terem mouses sem fio usando tecnlogia de bluetooth, infravermelho. O mouse que o hoje é usa é optico, de funcionamento simples, ele tira de fotos e compara com o movimento. O sistema ópticoé composto por LED e um sensor, também tem mouses que 13

14 usam raio laser. O monitor Este é um dispositivo de saída, o monitor é especificado pelo tamanhoo da tela e medidos pela diagonal, o tamanho usual é 128x720 pixels. Apresenta imagem, que é feita de milhares de pixels Rede Podemos considerar tambem a rede com um dispositivo de entrada e saida, pode-se armazenar dados em um computador remoto e serem retirados. Para estes dispositivos se interligarem ao computador são ligados atravez de um modulo e é necessário hardware especializado para conexão. Técnicas I / O: Programado I / O, I / O Baseado em Interrupções Atravez de um barramento esta ligado o modulo entrada e saida que regista na CPU, sobre o programa cada instrução produz uma unica entrada ou saida. As vezes é necessário a interrupção de uma tarefa ou programa em execução, para isso os computador contem até 32 linhas de interrupção, rotuladas IRQ0 através IRQ31. (IRQ significa pedido de interrupção), sendo que todas as mensagens nessas linhas o computador entende como pedido interrupção temporaria do programa corrente e abre um programa especial de interrupção. As ultimas instruções do programa suspenso ficam guardados em parte da memoria conhecida como bloco de controlo de processo (PCB). A interrupção também é usada como meio de alocar tempo na CPU. 14

15 6 SUBSISTEMAS DE DISPOSITIVOS Sistemas externos de armazenamento Quando oiço armazenamento externo me vem logo em mente Pendrive, HD (Disco Rigido), mas a medida que fui conhecendo mas de Informática conheci mais a fundo este dispositvos e outros, que vou passar a explicar um pouco mais sobre cada um deles. Disco Rígido: é um sistema de armazenamento externo, quer dizer não dentro da torre ou direitamente ligado a CPU, a sua conexão é pode ser por meio da porta USB. Uma das razões por ser tão usado é por sua mobilidade e espaço, existem dois tipos, que são disco rígido portatil e desktop. Algumas marcas conhecidas são Basics Toshiba Canvio e Seagate GoFlex Satellite. Discos: Outro tipo de armazenamento de dados, servem para leitura e gravação de dados, são dispositivos que podem armazenar um grande volume de informação. Os disco que sempre conheci desde que comecei a lidar com Informática são: CD-ROM Tem um grande volume de armazenamento, não permite regravação. DVD- É uma tecnologia de armazenamento que pode chegar até 18Gb. Normalmente os CD são para áudio e DVD-ROM para uso no computador. 15

16 7 ORGANIZAÇÃO DA CPU Unidade Lógica e Aritmética (ALU) Foi introduzido esse conceito no ano de 1945 por John von Neumann, inicialmente com reles, baseada na telefonia depois valvulas e com o aparecimento dos transístores e por fim com semicondutores. Como uma calculadora a UAL soma, subtrai, divide e compara. Como todo sistema a UAL usa os sistema de de base dois ou seja o sistema binário para processar os números. Nesta unidade o tamanho das palavras é dado em bits, assim quando maior o tamanho também aumenta seu potencial e precisão. Unidade de Controle (UC) Esta unidade assume a a tarefa de controle das acções a serem realizadas pelo computador. Registradores Internamente a CPU tem uma memória de alta velocidade que é construida por Registradores para o armazenamento temporariamente de informações para o processamento das instruções. Dentre os numerosos registradores podemos citar Registro de Instrução (IR), onde se armazenas as instruções a serem realizadas no momento Registro de Endereço de memória e Registro de memória de dados, os mais importantes são: Contador de programa e registro de instrução. Pelo número de instrução suportada as CPU são classificadas em como RISC (Reduced Instruction Set Computing) ou CISC (Complex Instruction Set Computing). Sua maioria são CISC, de modo que suporta maior número de instruções, pelo contrario dos RISC são mais lento porque quanto maior é a quantidade de instruções mais lenta é a execução das instruções. 16

17 8 DESEMPENHO Visto que o computador tem uma arquitectura devemos definiar como cada componente desta arquitectura influencia o desempenho do computador. Devemos definir durante a execução de um programa como qual é desempenho da memória e os I/O? Podemos dizer que um sistema tem um bom desempenho quando leva menos tempo para executar um programa ou que leva pouco tempo ao executar muitos programas. Deste modo devemos estuda-lo segundo o tempo e resposta e execução de tarefa. Ao analisar o desempenho do computador o factor principal é o tempo, e sua medicição é em segundo. O tempo que o processador leva para execução de um programa é dividido em tempo do usuário e tempo do sistema, sendo que o tempo do usuário é tempo que de o usuário instruir um programa, e o tempo do sistema é o tempo de o sistema operacional de executar as instruções dadas. Métricas para o desempenho do computador Pela complexa arquictetura do computador tudo precisa estar em sincronia, para foi desenvolvido o clock. Em cada pulso de clock é um ciclo de execução de tarefas. Sua medição é em Hz e a medida de frequência é em segundos, o clock determina quando cada acção deve ser feita no computador, por isso dizemos que ele é o sinal de sincronização. Nesta métrica a formula, tirada da apostila da professora Maria Clicia Tempo de execução no processador = Número de ciclos de clock do processador / Freqüência do clock Programas para medir o desempenho Programas reais Núcleos ou kernels (pedaços de programas reais) Toy benchmarks (programas com 10 a 100 linhas de código que produzem um resultado conhecido a priori) Benchmarks sintéticos (similar em filosofia aos núcleos, tentam casar a freqüência média de operações de um grande conjunto de programas). 17

18 9 MODELOS DE SISTEMAS DISTRIBUÍDOS É preciso entender a base da teoria, pela definição da Wikipédia entendo o sistema distribuido como uma computação paralela, realizada por mais de um computador, que estão interligados em uma rede. Modelos de máquinas paralelas Neste modelos estão interligados varios processamento, isto é varios computadores individuais em o processo é em um nó ou subdivido em varios nós. Neste modelo usa-se arquitectura tais como Multiprocessadores em barramento e Multiprocessador, essas são algumas arquitecturas. SIMD (Single Instruction, Multiple Data): Nesto método a mesma instrução é aplicada a diversos dados para mais resultados, é ideal para tratamento de dados regulares. MIMD (Multiple Instruction Multiple Data): É uma arquitectura conjugada em que diferentes CPU executam programas iguais e partilham memória e calculos por meio de barramento lógico. SISD (Single Instruction, Single Data): Arquitectura simples, um dado a cada instrução. MISD (Multiple Instruction, Single Data): Diferente do SIMD as unidades realizam operações diferentes com os mesmos dados. 18

19 CONCLUSÃO Pelo estudo profundo que fiz da arquictetura de computador posso concluir que é uma arquitectura muito complexa e seu desenvolvimento não foi da noite para o dia, mas levou anos, desde os primeiros computadores constituidos por valvulas electronicas até hoje onde chegamos a apenas um chip circuito integrado que se tornou o cerebro do computador que executa calculos e programas, hoje é este computador que usamos. Recomendo ao estudo profundo da CPU, visto é nela onde ocorre as verdadeira operação do compuador. Foi dificil para mim entender a arquictetura do sistema, mas ao longo do estudo pude aprender muita coisa sobre o computador. 19

20 10 BIBLIOGRAFIA ARMAZENAMENTO DE DADOS: HARDWARE-MEMÓRIA: MEMÓRIA (COMPUTADOR) : %C3%A1ria#Tipologia BUFFER: Englander, Irv: The Architecture of Computer Hardware, Systems Software, & Networking An Information Technology Approach 4th ed - I. Englander (Wiley, 2009) BBS.pdf Mouses: funcionamento, tipos e principais características: HowStuffWorks - Como funciona o mouse do computador: MISD Wikipédia, a enciclopédia livre: Sistema de processamento distribuído: 20