Arquitetura e Organização de Computadores

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1 Arquitetura e Organização de Computadores Fernando Fonseca Ramos Faculdade de Ciência e Tecnologia de Montes Claros Fundação Educacional Montes Claros 1

2 Índice 1- Introdução 3- Memórias 4- Dispositivos de Entrada/Saída 2

3 1- Introdução Computador Eletrônico Digital: Unidade Central de Processamento Dispositivos de Entrada Registradores ULA Dispositivos de Saída Unidade de Controle Dispositivos de Armazenamento 3

4 1- Introdução Computador Eletrônico Digital: Sistema composto por três componentes básicos interligados Processadores (executa as instruções Memórias (armazena instruções, dados de entrada e saída) Dispositivos de E/S (interação com o mundo exterior) Elementos chave para o entendimento dos sistemas computacionais. Estão presentes em cada um dos níveis da organização dos sistemas computacionais. 4

5 Índice 1- Introdução 2.1 Introdução 2.2 Organização do Processador 2.3 Execução de Instruções 2.4 RISC versus CISC 2.5 Princípios de Projeto para Computadores 2.6 Paralelismo 3- Memórias 4- Dispositivos de Entrada/Saída 5

6 2.1 - Introdução: Arq. e Org. de Computadores Sistema composto por três componentes básicos interligados Processadores (executa as instruções Memórias (armazena instruções, dados de entrada e saída) Dispositivos de E/S (interação com o mundo exterior) Elementos chave para o entendimento dos sistemas computacionais. Estão presentes em cada um dos níveis da organização dos sistemas computacionais. 6

7 2.1 - Introdução: Arq. e Org. de Computadores O processador é o cérebro do computador. Função: Busca e execução das instruções do programa na memória principal. Utiliza barramentos para transmissão de dados, endereços e controle. Unidades internas: Unidade de controle, Unidade aritmética lógica (UAL), Unidade de registradores. 7

8 2.1 - Introdução: CPU: Computador: E/S Registradores Unidade Lógica e Aritmética Barramento do sistema CPU Interconexão interna da CPU Memória Unidade de Controle 8

9 2.1 - Introdução: Unidades Internas Unidade de controle: busca das instruções na memória principal e determinação do tipo de cada instrução. Unidade aritmética lógica: realização de um conjunto de operações aritméticas (soma, subtração, etc.) e operações lógicas (AND, OR, etc.). Unidade de registradores: memória pequena e de alta velocidade para armazenamento de dados temporários. 9

10 2.1 - Introdução: Arq. e Org. de Computadores Registradores importantes Program Counter (PC): armazena o endereço da próxima instrução a ser buscada na memória para ser executada no processador. Registrador de Instruções (IR): armazena a instrução que está sendo executada. Existem outros registradores, uns de propósito geral, outros de uso específico. O tamanho do registrador é em função do tamanho da palavra do processador. 10

11 2.2 - Organização do Processador: 11

12 2.2 - Organização do Processador: Caminho de dados Parte constituída dos registradores (em geral de 1 a 32), UAL e barramentos. Os registradores alimentam as duas entradas (A e B) da UAL. A saída da UAL é conectada a um dos registradores. Na figura a seguir, o caminho de dados de um típico processador de Von Neumann. 12

13 13

14 2.2 - Organização do Processador: Classes de instruções: instrução registrador-memória: permite que o conteúdo de palavras da memória sejam armazenadas em registradores, e vice-versa (palavras são unidades de dados movidas entre memória e registradores). instrução registrador-registrador: busca dois operandos em registradores, realiza a operação e coloca a saída em um registrador (ciclo do caminho de dados). 14

15 2.3 - Execução de Instruções: 15 Para ser executada pelo processador, uma instrução precisa ser dividida em uma série de pequenos passos: Passos para execução de instruções 1. Busca próxima instrução na memória e armazenamento no registrador de instruções (IR). 2. Atualiza o Contador de instrução (PC) para apontar para a próxima instrução. 3. Determinação do tipo de instrução armazenada no IR. 4. Determinação do endereço da palavra na memória, se instrução precisar. 5. Busca da palavra na memória, se necessário, e armazenamento em outro registrador. 6. Executa instrução. 7. Retorno ao passo 1

16 2.3 - Execução de Instruções: O ciclo da busca-decodificação-execução das instruções tem o estilo de um programa. É possível escrever um programa que simule a função de um processador e que não precise, necessariamente, ser executado por um processador eletrônico. Ciclo da busca-decodificação-execução 16

17 2.3 - Execução de Instruções: 17 Um programa pode ser executado por outro programa que busque, decodifique e execute suas instruções (interpretador). Ex. de interpretador (escrito em Java) public class Interp{ static int PC; // o PC guarda o endereço da próxima instrução static int AC; // acumulador, um registrador para ajudar nos cálculos static int instr; // registrador para guardar a instrução corrente static int instr_type; // o tipo da instrução (opcode) static int data_loc; // endereço do dado, ou -1 se não houver static int data; // armazena o operado corrente static boolean run_bit = true; // bit que pode ser colocado em zero para parar a máquina public static void interpret(int memory[ ], int starting_address){

18 2.3 - Execução de Instruções: 18 public static void interpret(int memory[ ], int starting_address){ PC = starting_address; while(run_bit){ instr = memory[pc]; // busca da próxima instrução e seu armazenamento em instr PC = PC + 1; // incremento do PC instr_type=get_instr_type(instr); // determinação do tipo de instrução data_loc=find_data(instr, instr_type); // localização do dado (se não houver dado a ser localizado, data_loc deve receber 1) if(data_loc>=0) // se data_loc=-1, a instrução não tem operando data=memory[data_loc]; // busca do operando execute(instr_type, data); // execução da instrução } }

19 2.3 - Execução de Instruções:... private static int get_instr_type(int addr) {... } private static int find_data(int instr, int type) {... } private static void execute(int type, int data) {... } } 19

20 2.3 - Execução de Instruções: 20 Equivalência entre os processadores construídos em hardware e os interpretadores: implicação muito importante na organização e no projeto dos sistemas de computador. Linguagem de máquina L de um novo processador: construir um processador real, em hardware, para executar diretamente programas escritos em L, ou escrever um interpretador para interpretar os programas escritos em L, ou construção híbrida? Final do anos 50 IBM reconhece que o suporte a uma única família de máquinas, todas executando as mesmas instruções é vantajoso (usa o termo arquitetura para descrever o nível de compatibilidade entre as máquinas). Nova família de computadores: única arquitetura, muitas implementações diferentes, todas executando os mesmos programas, diferenças no preço e na velocidade.

21 2.3 - Execução de Instruções: 21 Vantagens do interpretador em relação ao hardware puro Capacidade de corrigir no campo eventuais erros na implementação de instruções. Oportunidade de incorporar novas instruções nas máquinas já existentes, a um custo muito baixo, mesmo depois de despachadas para o cliente. Projeto estruturado que permita o desenvolvimento, teste e documentação de instruções complexas de maneira mais eficiente. A existência de memória read-only (ROM) muito velozes, (memória de controle) foi um fator em favor da interpretação naquela época. Ex. de processadores com e sem interpretação Motorola 68000: conjunto de muitas instruções fortemente baseadas em interpretação (sucesso comercial). Zilog Z8000: conjunto de muitas instruções sem nenhuma interpretação (insucesso comercial).

22 2.3 - Execução de Instruções: Final da década de 70 Projetos que privilegiavam as instruções muito complexas, cuja implementação era muito simples com o emprego do interpretador. Tentativa de diminuir o gap semântico (distância entre o que a máquina podia realizar e o que as linguagens de alto nível exigiam). Contraponto projeto de processadores que não usavam interpretação (RISC), iniciado por um grupo de pesquisa da IBM no início dos anos

23 2.4 - RISC versus CISC: RISC = Reduced Instruction Set Computer pequeno conjunto de instruções (em torno de 50). ênfase em instruções simples. não usa interpretação. CISC = Complex Instruction Set Computer grande conjunto de instruções (de 200 a 300). ênfase em instruções complexas. usa interpretação. 23

24 2.4 - RISC versus CISC: 24 Argumento a favor da tecnologia RISC Um máquina RISC que precisasse de 4 ou 5 instruções para fazer o que uma máquina CISC faria com apenas 1 instrução, se as instruções RISC fossem 10 vezes mais rápidas (por não serem interpretadas) a máquina RISC seria mais rápida. Fatores que impediram a supremacia da tecnologia RISC Compatibilidade com máquinas antigas. Aparecimento de máquinas hibridas (processador CISC com núcleo RISC, ex. 486 da INTEL). Microprocessadores RISC modernos Apple, Motorola e IBM: PowerPC , G2, G3, G4, PPC 750, 970. Digital: Alpha 21064, 21164, 21264, Silicon Graphics: MIPS R2000, R3000, R4000, R5K, R8K, R10K, 14K. Sun: UltraSparc II, III, IV.

25 2.5 - Princípios de projeto para computadores modernos: Todas as instruções são diretamente executadas por hardware nenhuma instrução interpretada por microinstruções. para processadores com filosofia CISC, as instruções mais complexas podem ser divididas em partes, cada uma das quais sendo executada por uma seqüência de microinstruções. Maximizar a taxa à qual as instruções são executadas maximizar a performance em termos de MIPS milhões de instruções por segundo. execução de um grande número de instruções lentas ao mesmo tempo (paralelismo). instruções nem sempre serão executadas na ordem lógica. 25

26 2.5 - Princípios de projeto para computadores modernos: 26 As instruções precisam ser facilmente decodificadas decodificação é um dos processos críticos que mais influencia na velocidade de execução das instruções e determina os recursos a serem usados. quanto menos formatos de instruções, mais fácil a decodificação. Somente as instruções de load e store devem referenciar a memória acesso a memória é demorado. execução de instruções especiais que acessam a memória pode ser intercalada com outras instruções. Projetar uma máquina com muitos registradores mínimo: 32. o processo de armazenamento do conteúdo de um registrador na memória por falta de registradores suficientes deve ser evitado. palavras de memória devem permanecer nos registradores até que não sejam mais necessárias.

27 2.6 - Paralelismo: Arq. e Org. de Computadores Execução de duas ou mais instruções ao mesmo tempo. Solução para o problema do limite tecnológico de aumento da freqüência de clock, como tentativa de melhorar a performance das máquinas. Tipos de paralelismo: no nível das instruções. no nível do processador. 27

28 2.6 - Paralelismo : Arq. e Org. de Computadores Nível das Instruções maior gargalo para a velocidade de execução de instruções é o acesso a memória. Execução em pipeline o processamento em pipeline divide a execução de instruções em várias partes, cada uma das quais tratada por um hardware dedicado exclusivamente a ela. cada unidade do pipeline é nomeada de estágio. 28

29 2.6 - Paralelismo: Execução em Pipeline 29 Pipeline de 5 estágios onde estão ilustrados 9 períodos de clock

30 2.6 - Paralelismo : Execução em pipeline Funcionamento de um pipeline de 5 estágios estágio 1: busca a instrução da memória e armazena num buffer até chegar a hora de executá-la. estágio 2: decodificação da instrução, determinando tipo e operandos. estágio 3: localização e busca dos operandos na memória ou nos registradores. estágio 4: a execução - passagem pelo caminho de dados. estágio 5: resultado do processamento é escrito num registrador. 30

31 2.6 - Paralelismo : Execução em pipeline 31 Ganho de velocidade com o pipeline 1/tempo de execução x número de estágios Exemplo: tempo execução = 10 ns, pipeline de 5 estágios 1/10 ns = 100 MIPS 100 MIPS x 5 = 500 MIPS É possível projetar um processadores com mais de um pipeline. Um única unidade de busca de instruções para vários pipelines. Para permitir a execução em paralelo das instruções, não pode haver conflito pela utilização de recursos (ex. registradores). Ex. de aumento no uso de pipeline: Pentium I = 2 ~ Pentium IV = 20

32 2.6 - Paralelismo : Arq. e Org. de Computadores Execução em pipeline Dois pipelines de cinco estágios e uma unidade de busca de instruções comum a ambos. 32

33 2.6 - Paralelismo : Arquiteturas Superescalares metodologia utilizada em máquinas de alta performance. único pipeline com diversas unidades funcionais. como o estágio 3 pode distribuir instruções a uma velocidade consideravelmente mais alta que a capacidade do estágio 4 de executá-las, este passa a ter várias UALs. 33

34 2.6 - Paralelismo : Arquiteturas Superescalares Processador superescalar com cinco unidades funcionais 34

35 2.6 - Paralelismo : Arq. e Org. de Computadores Paralelismo no Nível do Processador Conseqüências do aumento de velocidade dos processadores limitações de ordem física (velocidade da luz em fios ou fibras ópticas); maior produção de calor pelo chip (problema de dissipação). Processador com pipeline ou superescalar: ganhos de 5 ~ 10 vezes. Computador com mais de 1 processador: ganhos maiores, 50 ~ 100, ou mais vezes. 35

36 2.6 - Paralelismo : Arq. e Org. de Computadores Computadores Matriciais Composto por um grande número de processadores idênticos, que executam a mesma seqüência de instruções sobre diferentes estruturas de dados. São eficientes somente na solução de problemas científicos com matrizes e vetores. Ex. de processador matricial: ILLIAC IV (Universidade de Illinois) - máquina de 4 quadrantes, cada um com 8x8 processadores.. 36

37 2.6 - Paralelismo : Computadores Matriciais Processador matricial do tipo ILLIAC IV 37

38 2.6 - Paralelismo : Arq. e Org. de Computadores Computadores Vetoriais Um processador vetorial é muito parecido com um processador matricial. Executa todas as operações aritméticas em uma única UAL. Possui registradores vetoriais (registradores que podem ser carregados por meio da execução de uma única instrução). Ex. de processador vetorial: CRAY I (Cray Research). 38

39 2.6 - Paralelismo : Arq. e Org. de Computadores Processador matricial x vetorial Processadores matriciais geralmente são mais rápidos que os vetoriais, mas precisam de muito mais hardware e são difíceis de serem programados. Processamento vetorial pode ser incorporado a processadores convencionais. 39

40 2.6 - Paralelismo : Arq. e Org. de Computadores Multiprocessadores Composto de vários processadores independentes que compartilham a mesma memória. É necessário coordenar as atividades dos vários processadores (por software). Esquemas: barramento com vários processadores e uma memória, ou barramento com vários processadores e suas memórias locais, e uma memória compartilhada. Multiprocessadores tem um modelo de programação baseado em memória compartilhada muito mais fácil de trabalhar. 40

41 2.6 - Paralelismo : Arq. e Org. de Computadores Multicomputadores Sistema com um grande numero de computadores interconectados sem qualquer tipo de memória comum. Comunicam-se por um mecanismo de troca de mensagem de alta velocidade. Mensagens são roteadas do computador fonte para o destino (usando computadores intermediários). Em sistemas de maior porte utiliza-se topologias especiais (grades, arvores e anéis). Existem em operação sistemas multicomputadores com cerca de processadores. 41

42 2.6 - Paralelismo : Arq. e Org. de Computadores Multicomputadores Multiprocessador com barramento único e Multiprocessador com memórias locais 42

43 2.6 - Paralelismo : Arq. e Org. de Computadores Multiprocessadores x Multicomputadores Multiprocessadores são mais fáceis de programar. Multicomputadores são mais fáceis de construir. Sistemas híbridos combina as vantagens de ambos. dão a ilusão de memória compartilhada, sem arcar com o ônus de implementá-la diretamente. 43

44 Exercícios (Lista 02) Caracterize as etapas principais de um processamento de dados. 2- Defina o que você entende por um programa de computador? 3- Conceitue os termos hardware e software. 4- O que é e para que serve uma linguagem de programação de computador? Cite exemplos de linguagens de programação. 5- Quem desenvolveu a máquina analítica? 6- Qual foi o propósito que conduziu ao desenvolvimento do primeiro computador eletrônico do mundo? 7- Qual foi o primeiro microprocessador de 8 bits lançado comercialmente? Qual o nome da empresa proprietária? 8- Quais eram as características básicas de arquitetura proposta pelo Dr. John Von Neuman? 9- O que você entende por sistema digital? Qual seria a alternativa na computação se não existissem máquinas digitais? 10- O que conduziu o pensamento dos pesquisadores para desenvolver computadores que somente usam o sistema binário e não, por exemplo, o sistema decimal? 11- Cite exemplos de empresas brasileiras que comercializam computadores com sua própria marca. 12- Qual foi o primeiro equipamento utilizado no mundo para realizar cálculos matemáticos? 13- Qual foi a primeira linguagem de programação de alto nível desenvolvida? Qual seu objetivo principal? 14- Descreva as principais de uma Unidade Central de Processamento. 15- Descreva as principais funções de uma memória de computador. 16- Para que servem os dispositivos de entrada e de saída de um computador? Cite alguns exemplos. 17- Conceitue bit, byte e palavra.

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