Fundamentos de Arquitetura de Computadores

Transcrição

1 John Von Neumann Neumann nasceu em uma rica família judaica, no Império Austro Húngaro. Suas habilidades matemáticas foram reconhecidas quando ainda era muito jovem: aos 25 anos tinha acumulado duas graduações e um doutoramento, e discutia problemas matemáticos em pé de igualdade com cientistas eminentes, como Linstem e David Hilbert. Neumann sempre esteve atento aos problemas mundiais. Com a queda do Império Austro Húngaro, após a Primeira Guerra Mundial, adotou o título de von e ingressou na vida acadêmica da Alemanha derrotada. Ao mesmo tempo, estabelecia seus contatos nos EUA, passando os invernos na Universidade de Princeton, em Nova Jérsei, e os verões na Europa, administrando as propriedades de seu pai. Quando começou a Segunda Guerra Mundial, ele já se encontrava em segurança nos EUA. Com a entrada dos EUA na guerra, foi posto a par do Projeto Manhattan, ao qual aderiu, colaborando no estudo de produção da bomba atômica. Ainda se encontrava ligado ao Manhattan, quando soube que se faziam tentativas de construção de um computador eletrônico e ele próprio foi convidado para o projeto ENIAC (Electronic Numeric Integrator And Calculator).O trabalho estava sob a orientação de engenheiros eletrônicos, mas, como primeiro matemático envolvido, analisou o problema de modo diferente e redigiu um relatório que estruturou e viabilizou o moderno computador. Após o ENIAC, foi desenvolvido o projeto de outro computador o EDVAC (Electronic Discrete Variable Computer). Neste, pela primeira vez foi aplicada a idéia de programação interna proposta por John von Neumann. Esse conceito inovador é, ainda hoje, um dos elementos essenciais na construção de computadores. Trata-se da possibilidade de armazenamento de programas, codificados de acordo com certos critérios na memória do computador e não em dispositivos externos, como ocorria até então. Esse procedimento aumenta a operacionalidade dos programas, pois grupos de instruções podem ser executados várias vezes e na ordem que se fizer necessária. Após a guerra, Von Neumann envolveu-se gradativamente com a política de defesa dos EUA. Apesar disso, manteve-se empenhado na pesquisa matemática e idealizou o projeto do primeiro computador, o JOHNIAC para a Universidade de Princeton. John von Neumann colaborou de modo decisivo para o desenvolvimento da computação. Já na década de 40, concebeu os elementos básicos que viriam a inovar decisivamente a arquitetura dos computadores.

2 Sistemas de Computação 3 - Arquitetura von Neumann A grande novidade da assim chamada arquitetura von Neumann foi a formalizar o conceito que um computador é constituído essencialmente de três elementos: A unidade central de processamento, ou CPU (central processing unit), responsável pela execução das instruções do programa; A memória, responsável pelo armazenamento tanto das instruções do programa (que traduzem o algoritmo de solução do problema) quanto dos dados (que servem de operandos para as instruções do programa); Os dispositivos de entrada e saída, ou dispositivos de I/O (input/output), responsáveis por traduzir os dados de algum meio externo (ex.: cartões perfurados e teclados) para o formato interno de armazenamento na memória, ou do formato interno da memória para um formato externo de armazenamento por longo período (ex.: fitas ou discos magnéticos) ou para um formato externo legível para seres humanos (ex.: telas de vídeo e impressoras). A CPU, por sua vez, também tem uma estrutura interna: Unidade de controle, ou control unit, responsável pela interpretação das instruções do programa e pelo sequenciamento temporal das atividades necessárias para a sua execução; Unidade aritmética e lógica, ou ALU (arithmetical and logical unit), onde estão os circuitos eletrônicos para execução das operações unitárias aritméticas (somas, subtrações, etc.) e lógicas (comparações, AND, OR, etc.) sobre os operandos das instruções; Registradores, que são pequenas áreas de memória interna à CPU, que são usados para armazenamento temporário de operandos e resultados de instruções (registradores de uso geral ou general-purpose registers), e também para armazenar dados sobre o estado interno da CPU e sobre o programa em execução (registradores de controle ou control registers).

3 A figura abaixo sintetiza todo o que já falamos sobre a estrutura da arquitetura von Neumann. Desde o tempo das válvulas eletrônicas o esquema básico de construção e funcionamento dos computadores eletrônicos digitais é esse. Daí para a frente as melhorias foram principalmente nos elementos de construção física da máquina (ex.: a transição da válvula para o transistor, e do transistor discreto para circuitos integrados), a algumas coisinhas adicionais ao modelo básico. Inicialmente toda transferência de dados entre CPU e memória e entre memória e dispositivos de I/O ocorria sobre um mesmo meio de comunicação: o barramento da máquina. O barramento normalmente é composto por dois conjuntos de vias de comunicação independentes. Um deles é usado para mensagens de controle (origem,

4 destino e sentido da transferência de dados), e o outro para a transferência dos dados propriamente ditos. Cada via (controle e dados) é formada por n caminhos individuais, cada um com capacidade de transmitir um bit. e o conjunto dos caminhos na via transfere n bits (de controle ou de dados) em paralelo. O número n para a via de dados é o tamanho da palavra de memória da máquina (o número de bits que podem ser transferidos entre memória e CPU em uma única operação). Coloquialmente nos referimos ao tamanho da palavra de memóriaquando falamos do "número de bits" do processador (8, 16, 32, 64 bits...). A figura abaixo representa esquematicamente um barramento com via de controle de 4 bits e via de dados de 8 bits. Com o desenvolvimento da tecnologia dos processadores a diferença entre o tempo de acesso à memória pela CPU e o tempo de acesso à memória pelos dispositivos de I/O tornou-se um fator de limitação do desempenho da máquina. Então foi introduzido um novo barramento, apenas para a comunicação entre dispositivos de I/O e a memória. Finalmente, para permitir que o processador possa aproveitar o tempo ocioso durante a execução de operações de I/O (vamos entender melhor isso mais tarde), introduziram-se as controladoras de dispositivos, que tem uma "inteligência" local suficiente para efetuar toda a operação de transferência de dados entre a memória e os dispositivos de I/O controlados por ela sem depender do processador. Isto é conhecido como DMA (direct memory access). À medida que os processadores ficavam ainda mais velozes, até mesmo a diferença de desempenho entre o chip do processador e os chips da memória tornou-se um fator de limitação da performance. Construir toda a memória com chips do mesmo nível de desempenho do processador seria muito caro. Mas, usando o princípio da localidade referencial, pode-se construir uma hierarquia de memória, onde o nível mais baixo (e mais lento) é a memória principal, o nível mais alto (e mais veloz) são os registradores da CPU, e níveis intermediarios, chamados de memórias cache, para compatibilizar as diferenças de desempenho entre os extremos. As máquinas modernas tipicamente usam uma memória cache em três níveis: o cache L1 (e, geralmente, também o cache L2) são incorporados no próprio chip do processador, e o cache L3 normalmente é um chip separado.

5 Então podemos agora desenhar um diagrama geral para uma máquina moderna baseada na arquitetura von Neumann. Modelo de von Neumann O modelo lógico de computador proposto por von Neumann pode ser descrito pela seguinte figura. Figura 12 - Modelo de Von Neumann.

6 O matemático húngaro John von Neumann ( ) formalizou o projeto lógico de um computador. Em sua proposta, von Neumann sugeriu que as instruções fossem armazenadas na memória do computador. Até então elas eram lidas de cartões perfurados e executadas, uma a uma. Armazená-las na memória, para então executá-las, tornaria o computador mais rápido, já que, no momento da execução, as instruções seriam obtidas com rapidez eletrônica. A maioria dos computadores de hoje em dia segue ainda o modelo proposto por von Neumann. Esse modelo define um computador sequencial digital em que o processamento das informações é feito passo a passo, caracterizando um comportamento determinístico (ou seja, os mesmos dados de entrada produzem sempre a mesma resposta). A máquina proposta por Von Neumann reúne os seguintes componentes: uma Memória Principal, uma Unidade Lógica e Aritmética (ULA), uma Unidade de Controle (UC) e a Unidade Central de Processamento (UCP), composta pela Unidade Lógica Aritmética e a Unidade de Controle. MEMÓRIA UNIDADE DE CONTROLE UNIDADE LÓGICA E ARITMÉTICA ENTRADA SAÍDA Diagrama da arquitetura de von Neumann

7 Memória Principal A unidade de memória central serve para guardar programas e dados, sob a forma de uma representação binária. Cada instrução da máquina é codificada como uma sequência de bits. Cada valor de certo tipo é codificado por uma determinada sequência de bits. Memória A memória é o dispositivo de armazenamento de informação do computador. Nela são armazenadas tanto as instruções de um programa quanto os dados necessários para a sua execução. A memória é dividida em espaços com endereços. Unidade Central de Processamento (UCP) A unidade de central de processamento (CPU Central Processing Unit) trata do controle global das operações e da execução das instruções. Para esse efeito, a UCP contém as seguintes unidades internas:

8 Unidade Lógica e Aritmética, ULA (ALU- arithmetic and logic unit): A unidade lógica e aritmética (ALU - Arithmetic and Logical Unit) é onde a maioria das ações ocorrem dentro da UCP.A unidade lógica e aritmética (ULA) é responsável pelas operações elementares (soma, subtração, multiplicação e divisão) e pelas decisões lógicas (isto é, comparações entre informações; por exemplo, decidir se 5 <= 3 ou se 5 > 3). A ULA trabalha sob o comando da unidade de controle e utiliza uma parte da memória para trabalhar: o acumulador. Unidade de Controle UC: A Unidade de Controle reconhece um conjunto determinado de instruções, ditas instruções de máquina. Este conjunto é determinado pelo hardware da UCP, o que permite à Unidade de Controle reconhecer, isto é, decodificar, cada uma das instruções, através de um campo pré-determinado de bits que identifica o código da instrução. Uma vez decodificada a instrução I, a Unidade de Controle emite os sinais de controle necessários à sequência de ações internas definidas pela instrução I, por exemplo, operações aritméticas ou lógicas, ou transferências de informação entre os componentes do computador. Cada instrução máquina pode envolver: o operações aritméticas e lógicas o operações de transferência entre CPU e a Memória Central o operações de transferência entre CPU e Unidades de I/O o operações de controle da sequência de execução das instruções O modelo de execução de instruções é sequencial, ou seja, a UCP só processa uma instrução de cada vez. A memória central só aceita um acesso de cada vez, seja para leitura ou para escrita.

9 A unidade de controle controla o funcionamento da unidade lógica e aritmética e da memória. Além disso, ela distribui e organiza tarefas, transfere informações da entrada para a memória e da memória para a saída. Entrada e Saída As unidades periféricas destinam-se a suportar as ações de comunicação da CPU e memória com o exterior, daí a sua designação de unidades de entrada e saída (ou I/O- input / output). São exemplos, o teclado, o monitor, o mouse, a impressora, as interfaces de comunicação com redes de computadores. Também há unidades periféricas destinadas ao armazenamento de dados, que são depois apresentados ao usuário, sob a forma de arquivos, geridos pelos programas do Sistema Operacional. Exemplos são os discos rígidos, discos ópticos (CD/DVD), os discos flexíveis e as fitas magnéticas. A unidade de entrada traduz informação (por exemplo, letras, números, imagens, marcas magnéticas) de uma variedade de dispositivos de entrada em impulsos elétricos que a CPU entenda. A unidade de saída traduz os dados processados, enviados pela CPU em forma de impulsos elétricos, em palavras ou números, que são impressos por impressoras ou mostrados em monitores de vídeo.

10 Arquitetura e Organização de Computadores 1.1 Conceitos Básicos Dois conceitos fundamentais no estudo dos sistemas de computação são o de Arquitetura e Organização de computadores. O termo arquitetura refere-se aos atributos do ponto de vista do programador, e portanto, têm impacto direto sobre sobre a execução lógica de um programa. O termo organização, refere-se às unidades operacionais e suas interconexões. Desta forma, uma mesma arquitetura pode ser implementada por meio de diferentes organizações. As funções básicas de um computador são o processamento de dados, armazenamento de dados, transferência de dados e controle. Para desempenhar essas funções o computador precisa executar um conjunto de instruções (programa). Os computadores que conhecemos são baseados no conceito de programa armazenado, introduzido por Von-Neuman. As instruções do programa e os dados são armazenados em uma memória, de forma que a alteração de um programa consiste na alteração de um endereço de memória. O ciclo de execução de cada uma das instruções de um programa é dividido nos seguintes estados: (i)cálculo do Endereço de Instrução; (ii)busca da Instrução (Instruction Fetch); (iii) Decodificação da Instrução; (iv)cálculo do Endereço do Operando; (v)busca do Operando (Operand Fetch); (vi)execução da Operando; (vii)armazenamento do Resultado. No entanto, os computadores modernos utilizam o conceito de interrupção para diminuir o tempo de ociosidade dos processadores, o ciclo de execução das instruções ganham mais alguns estados. As classes de interrupções mais comuns são interrupções de software, ed relógio, ed E/S e de falha de hardware. A estrutura básica de um computador é composta pelos seguintes componentes: (i)unidade Central de Processamento(CPU); (ii)memória Principal; (iii)dispositivos de E/S; (iv)sistemas de Interconexão. Esses componentes também possuem suas subdivisões. A CPU por exemplo se subdivide em: Unidade de Controle, Unidade Lógica e Aritmética (ULA), Registradores e por fim as Interconexões da CPU. Cada um desses componentes será melhor descrito posteriormente. Para interconectar dois ou mais dispositivos em um sistema são utilizados os chamados barramentos. Os barramentos são compostos por linhas que podem ser de Dados, Endereço ou Controle. Os barramentos de controle podem

11 ser utilizados por exemplo para controlar direito de leitura ou escrita em memória ou E/S, interrupções, confirmações, relógio e reset. O projeto dos barramentos que compõe um sistema são de grande importância no desempenho do sistema. Questões importantes no projeto de barramentos são: (i)tipo - dedicado ou multiplexado; (ii)método de Arbitração - Centralizado ou Distribuído; (iii)temporização - Síncrona ou Assíncrona; (iv)largura - número de linhas; (v)tipo de Transferência - leitura, escrita, leitura/modificação/escrita, escrita/leitura, em bloco. Para aumentar o desempenho do sistema, os barramentos são organizados de forma hierárquica, de forma isolar o tráfego de dados entre CPU e memória do tráfego proveniente de operações de E/S. Os chamados barramentos de expansão proporcionam maior flexibilidade ao sistema (ex: SCSI), enquanto os barramentos de alta velocidade são utilizados para dispositivos de alta capacidade (ex:firewire). 1.2 Estrutura e Funcionamento da CPU Os principais elementos da CPU são a Unidade de Controle, a Unidade Lógica e Aritmética (ULA) e os Registradores. Esses elementos se conectam internamente através do barramento interno da CPU. A CPU se comunica com o mundo externo através dos barramentos do sistema. Ao longo da execução de um programa, os barramentos constituem os chamados caminho dos dados. No topo da organização hierárquica de memória em um sistema se encontram os registradores. Esses se dividem em dois tipos: Registradores visíıveis ao Usuário e Registradores de Controle e de Estado. Os registradores visíveis ao usuário são aqueles que podem ser referenciados pela linguagem de montagem. Eles podem ser registradores de dados, endereço ou então de propósito geral. Os registradores de Controle e de Estado são utilizados para controlar a operação da CPU. Na maioria das vezes não são visíveis aos usuários. Exemplos de registradores de Controle e de Estado são o Program Counter (PC), Instruction Register (IR), Memory Address Register (MAR), Memory Buff er Register (MBR), Program Status Word (PSW), Stack Pointer(SI), Page Table Base Register (PTBR), Page Table Base Limit (PTBL).