INTRODUÇÃO A ARQUITETURA DE COMPUTADORES FELIPE G. TORRES

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1 INTRODUÇÃO A ARQUITETURA DE COMPUTADORES FELIPE G. TORRES

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3 OLHANDO UM COMPUTADOR PELO LADO DE FORA Máquina destinada ao processamento de dados, capaz de obedecer a instruções que visam produzir certas transformações nesses dados para alcançar um fim determinado. Aurélio Arquitetura de computadores 3

4 OLHANDO UM COMPUTADOR PELO LADO DE FORA HARDWARE Parte física do computador. Ex:. Placa-mãe, memória, teclado e mouse. SOFTWARE Parte lógica do computador. Ex:. Sistema operacional, programa de calculadora e pacote office. Arquitetura de computadores 4

5 OLHANDO UM COMPUTADOR PELO LADO DE FORA HARDWARE SOFTWARE Arquitetura de computadores 5

6 OLHANDO UM COMPUTADOR PELO LADO DE FORA Dispositivos de saída Unidade do Sistema Dispositivos de entrada Arquitetura de computadores 6

7 OLHANDO UM COMPUTADOR PELO LADO DE DENTRO Placa-mãe Memórias Processadores Arquitetura de computadores 7

8 INTRODUÇÃO A ARQUITETURA DE COMPUTADORES Arquitetura de computador refere-se aos atributos de um sistema visíveis a um programador ou, em outras palavras, aqueles atributos que possuem um impacto direto sobre a execução logica de um programa. WILLIAM STALLINGS Os atributos que possuem impacto direto com a lógica do programa. Exemplos:. Números de bits de um tipo de dados; Endereçamento de memória; Arquitetura de computadores 8

9 INTRODUÇÃO A ARQUITETURA DE COMPUTADORES Organização de computador refere-se as unidades operacionais e suas interconexões que realizam as especificações arquiteturais. WILLIAM STALLINGS Exemplos:. Sinais emitidos por uma interface; Controle do barramento; Arquitetura de computadores 9

10 INTRODUÇÃO A ARQUITETURA DE COMPUTADORES Qual a diferença entre arquitetura e organização de computadores? Arquitetura de computadores 10

11 INTRODUÇÃO A ARQUITETURA DE COMPUTADORES Arquitetura de computadores Organização de computadores O aspecto arquitetônico do computador em relação a essa operação é saber se o computador provê uma instrução para esta operação; enquanto o aspecto organizacional tem a ver como essa operação é implementada. Arquitetura de computadores 11

12 INTRODUÇÃO A ARQUITETURA DE COMPUTADORES O computador é um sistema complexo. Os computadores modernos possuem milhões de componentes eletrônicos. Como poderíamos descrever em uma disciplina a funcionalidade de milhões de componentes, atuando em conjunto? Arquitetura de computadores 12

13 INTRODUÇÃO A ARQUITETURA DE COMPUTADORES OS370 / IBM Arquitetura de computadores 13

14 INTRODUÇÃO A ARQUITETURA DE COMPUTADORES Para entendermos o computador é necessário reconhecer a sua característica de sistema hierárquico. O sistema hierárquico é um sistema que pode ser subdividido em diversos subsistemas até alcançar um nível mais baixo de subsistema elemente; Para entender e projetar um computador, é necessário lidar com cada subsistema separadamente; Arquitetura de computadores 14

15 INTRODUÇÃO A ARQUITETURA DE COMPUTADORES Em cada nível, deve ser descrito a estrutura e a função desse subsistema. ESTRUTURA: o modo como os componentes são interrelacionados. FUNÇÃO: a operação individual de cada componente como parte da estrutura. Arquitetura de computadores 15

16 FUNÇÕES BÁSICAS DE UM COMPUTADOR Capacidade de armazenamento de dados Ambiente operacional (origem e destino dos dados) Aparato de movimentação de dados Mecanismo de controle Capacidade de processamento de dados Arquitetura de computadores 16

17 FUNÇÕES BÁSICAS DE UM COMPUTADOR O computador deve realizar as seguintes tarefas básicas: Processamento de dados. Armazenamento de dados. Movimentação de dados (Com o mundo externo). Controle das funções anteriores. Arquitetura de computadores

18 Estrutura de alto nível de um computador E/S COMPUTADOR Memória principal CPU Registradores CPU Barramento interno ALU Unidade de controle Unidade de controle Memória de controle Arquitetura de computadores

19 Unidade central de processamento (CPU) FUNÇÃO A CPU controla a operação do computador e realiza suas funções de processamento de dados; normalmente e chamado apenas de processador. COMPONENTES Unidade lógica e aritmética (ULA ou ALU): executa operações lógicas e aritméticas; Unidade de controle: decodifica instruções, busca operandos, controla o ponto de execução e desvios; Registradores: armazenar dados para o processamento. Arquitetura de computadores

20 Memória FUNÇÃO A memória tem a função de armazenamento de dados. TIPOLOGIA Memória principal: Chamada de memória real, são memórias que o processador pode endereçar diretamente, sem as quais o computador não pode funcionar. Memória secundária: Chamadas de memórias de armazenamento em massa, para armazenamento permanente de dados. Não podem ser endereçadas diretamente. Arquitetura de computadores

21 Interconexão do sistema FUNÇÃO Algum mecanismo que oferece comunicação entre CPU, memória principal e E/S. Um exemplo comum de interconexão do sistema é por meio de um barramento do sistema, consistindo em uma série de fios condutores aos quais todos os outros componentes se conectam. Arquitetura de computadores

22 REVISÃO GERAL DA AULA Arquitetura x Organização de computadores Computadores como sistemas de multiníveis Funções básicas de um computador Estrutura de alto nível Arquitetura de computadores 22

23 INTRODUÇÃO A ARQUITETURA DE COMPUTADORES Qual a diferença entre processadores 32 e 64 bits? Arquitetura de computadores 23

24 MÁQUINA DE VON NEUMANN Jhon Von Neumann ( , Hungría) Foi um matemático húngaro de origem judaica, naturalizado estadunidense. Contribuiu na teoria dos conjuntos, análise funcional, mecânica quântica, ciência da computação, teoria dos jogos, análise numérica, estatística e outras áreas da matemática. Arquitetura de computadores 24

25 MÁQUINA DE VON NEUMANN Jhon Von Neumann ( , Hungría) Foi professor na Universidade de Princeton e um dos construtores do ENIAC. John von Neumann propôs que as instruções, lidas na época por cartões perfurados, fossem gravadas na memória do computador; Arquitetura de computadores 25

26 MÁQUINA DE VON NEUMANN Neumann contribuiu para a construção dos computadores de forma grandiosa, pois, ainda hoje a maioria destas máquinas seguem o modelo inventado pelo mesmo. Arquitetura de computadores 26

27 INDICAÇÃO DE LEITURA Arquitetura de computadores 27

28 ARQUITETURA DE VON NEUMANN Em 1946, von Neumann e seus colegas começaram o projeto de um novo computador de programa armazenado, conhecido como computador IAS, no Princeton Institute for Advanced Studies. O computador IAS, embora não concluído antes de 1952, é o protótipo de todos os computadores de uso geral. Arquitetura de computadores 28

29 ARQUITETURA DE VON NEUMANN A estrutura geral de um computador IAS, consiste em: Uma memória principal, que armazena dados e instruções. Uma unidade lógica e aritmética (ALU) capaz de operar sobre dados binários. Uma unidade de controle, que interpreta as instruções na memória e faz com que sejam executadas. Equipamento de entrada e saída (E/S) operado pela unidade de controle. Arquitetura de computadores 29

30 ARQUITETURA DE VON NEUMANN A estrutura geral de um computador IAS, consiste em: Arquitetura de computadores 30

31 ARQUITETURA DE VON NEUMANN A estrutura geral definida por von Neumann possui cinco pontos sendo eles: 1 ) Como o dispositivo é principalmente um computador, ele terá que realizar as operações elementares da aritmética mais frequentemente. São elas adição, subtração, multiplicação e divisão. Em qualquer velocidade, uma parte aritmética central do dispositivo provavelmente terá que existir, e isso constitui a primeira parte específica: CA (do inglês, Central Arithmetic). Arquitetura de computadores 31

32 ARQUITETURA DE VON NEUMANN A estrutura geral definida por von Neumann possui cinco pontos sendo eles: 2 ) Controle lógico do dispositivo, ou seja, a sequenciação apropriada de suas operações, pode ser executado de forma mais eficiente por um órgão de controle central. O primeiro deverá ser armazenado de alguma maneira; o segundo é representado por partes operacionais definidas do dispositivo. Por controle central, essa última função, e as unidades que o realizam formam a segunda parte específica: CC. Arquitetura de computadores 32

33 ARQUITETURA DE VON NEUMANN A estrutura geral definida por von Neumann possui cinco pontos sendo eles: 3 ) qualquer dispositivo que tiver que executar sequências de operações longas e complicadas (cálculos) precisa ter uma memória considerável. As instruções que controlam um problema complicado precisa ser relembrado. A memória total constitui a terceira parte específica do dispositivo: M. O dispositivo precisa ser capaz de manter contato de entrada e saída (sensorial e motor) com algum meio específico desse tipo. A gravação externa ao dispositivo é R (do inglês recording). Arquitetura de computadores 33

34 ARQUITETURA DE VON NEUMANN A estrutura geral definida por von Neumann possui cinco pontos sendo eles: 4 ) O dispositivo precisa ter unidades para transferir informações de R para suas partes específicas C e M. Essas unidades formam sua entrada, a quarta parte específica: I (do inglês input). Arquitetura de computadores 34

35 ARQUITETURA DE VON NEUMANN A estrutura geral definida por von Neumann possui cinco pontos sendo eles: 4 ) O dispositivo precisa ter unidades para transferir de suas partes específicas C e M para R. Essas unidades formam sua saída, a quinta parte específica: O (do inglês output). É melhor fazer todas as transferências de M (por O) para R, e nunca diretamente de C. Arquitetura de computadores 35

36 MEMÓRIA DO IAS A memória do IAS consiste em locais de armazenamento, chamados palavras (words), de 40 dígitos binários (bits) cada. Arquitetura de computadores 36

37 MEMÓRIA DO IAS O Opcode são códigos operacionais armazenados na memória de 8 bits de tamanho. Arquitetura de computadores 37

38 MEMÓRIA DO IAS A Unidade de Controle central opera o IAS buscando instruções na memória e executando-as uma por vez. Arquitetura de computadores 38

39 REGISTRADORES A Unidade Lógica e Aritmética possui locais de armazenamento chamados de registradores. Sendo eles: Registrador de buffer de memória (mbr, memory buffer register): contém uma palavra a ser armazenada na memória ou enviada à unidade de E/S, ou é usada para receber uma palavra da memória ou de uma unidade de E/S. Registrador de endereço de memória (mar, do inglês memory address register): especifica o endereço na memória da palavra a ser escrita ou lida no MBR. Arquitetura de computadores 39

40 REGISTRADORES A Unidade Lógica e Aritmética possui locais de armazenamento chamados de registradores. Sendo eles: Registrador de instrução (IR, do inglês instruction register): contém o opcode de 8 bits da instrução que está sendo executada. Registrador de buffer de instrução (IBR, do inglês instruction buffer register): empregado para manter temporariamente a próxima instrução a ser executada. Contador de programa (pc, do inglês program counter): contém o endereço do próximo par de instruções a ser apanhado da memória. Arquitetura de computadores 40

41 REGISTRADORES A Unidade Lógica e Aritmética possui locais de armazenamento chamados de registradores. Sendo eles: Acumulador (Ac) e quociente multiplicador (mq, do inglês multiplier quotient): empregado para manter temporariamente operandos e resultados de operações da ALU. Por exemplo, o resultado de multiplicar dois números de 40 bits é um número de 80 bits; os 40 bits mais significativos são armazenados no AC e o menos significativos no MQ. Arquitetura de computadores 41

42 FLUXOGRAMA PARCIAL DA OPERAÇÃO DO IAS AC: Acumulador IBR: Registrador de buffer de instrução IR: Registrador de instrução MAR: Registrador de endereço de memória mbr: Registrador de buffer de memória PC: Contador de programa Arquitetura de computadores 42

43 INSTRUÇÕES DA IAS O computador IAS tinha um total de 21 instruções. Estas podem ser agrupadas da seguinte forma: Transferência de dados: movem dados entre memória e registradores da ALU ou entre dois registradores da ALU. Desvio incondicional: normalmente, a unidade de controle executa instruções em sequência a partir da memória. Essa sequência pode ser alterada por uma instrução de desvio, que facilita operações repetitivas. Desvio condicional: o desvio pode se tornar dependente de uma condição, permitindo assim pontos de decisão. Aritméticas: operações realizadas pela ALU. Arquitetura de computadores 43

44 INSTRUÇÕES DA IAS O computador IAS tinha um total de 21 instruções. Estas podem ser agrupadas da seguinte forma: Transferência de dados: movem dados entre memória e registradores da ALU ou entre dois registradores da ALU. Desvio incondicional: normalmente, a unidade de controle executa instruções em sequência a partir da memória. Essa sequência pode ser alterada por uma instrução de desvio, que facilita operações repetitivas. Desvio condicional: o desvio pode se tornar dependente de uma condição, permitindo assim pontos de decisão. Aritméticas: operações realizadas pela ALU. Arquitetura de computadores 44

45 GARGALO DO MODELO VON NEUMANN A separação entre a CPU e a memória leva para o gargalo de von Neumann, a produção limitada (taxa de transferência) entre a CPU e a memória em comparação com a quantidade de memória. Na maioria dos computadores modernos, o throughput é muito menor do que a taxa com que o processador pode trabalhar. A CPU é continuamente forçada a esperar por dados que precisam ser transferidos para ou a partir da memória. Arquitetura de computadores 45

46 GARGALO DO MODELO VON NEUMANN Como a velocidade da CPU e tamanho da memória têm aumentado muito mais rapidamente que a taxa de transferência entre eles, o gargalo se tornou mais um problema, um problema cuja gravidade aumenta com cada geração de CPU. Arquitetura de computadores 46

47 REVISÃO DA AULA Arquitetura de computadores 47

48 REFERÊNCIAS STALLINGS, William. Arquitetura e organização de computadores: projeto para o desempenho. 8 ed. São Paulo: Prentice Hall : Person Education, p. ISBN TANENBAUM, Andrew S. Organização estruturada de computadores. 5. ed São Paulo: Pearson Prentice Hall, p. ISBN Arquitetura de computadores 48

49 VÍDEOS Processadores 32-bit vs 64 bit: qual a diferença? [Disponível em Arquitetura de computadores 49

50 INTRODUÇÃO A ARQUITETURA DE COMPUTADORES FELIPE G. TORRES