Apostila de Arquitetura de Computadores II

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1 Universidade Católica de Brasília Curso de Bacharel em Sistemas de Informação Apostila de Arquitetura de Computadores II Editada por Eduardo Moresi Brasília Março 22

2 Apostila de Arquitetura de Computadores II 2 Capítulo 1 - Noções de Arquitetura de Computadores 1. INTRODUÇÃO O alto nível de popularidade atingido pelos computadores nos últimos anos permitiu também quebrar uma série de barreiras, particularmente no que diz respeito à terminologia associada. Atualmente, expressões como bits, bytes, hard disk, RAM, e outras, deixaram de fazer parte vocabulário técnico dos especialistas para compor aquele de grande parte dos usuários destas máquinas. Entretanto, os aspectos básicos de funcionamento de um computador ainda são reservados aos profissionais da área e devem assim permanecer indefinidamente. Neste capítulo pretende-se, a nível de introdução, apresentar alguns aspectos importantes do funcionamento dos computadores, sendo que as questões mais importantes serão aprofundadas ao longo do curso. 2. PRINCIPAIS COMPONENTES DE UM COMPUTADOR Numa visão externa de grande parte dos usuários, um computador é composto de CPU, teclado, vídeo e mouse, como ilustrado pela figura 2.1. Esta é a visão da maior parte da população que tenha algum tipo de interação com o computador, principalmente porque estes são os elementos de um microcomputador que se deve que transportar, desconectando-os e reconectando-os para fazer o computador voltar a funcionar. Embora continuar a ter este tipo de visão dos componentes de um computador não vai afetar profundamente a vida e modo de utilização destas máquinas pela maior parte da população, é lógico que esta é uma visão extremamente superficial até para alguns usuários A Unidade Central de Processamento... a CPU Figura 2.1 Elementos (aspecto externo) de um computador. Um primeiro equívoco aparece nesta divisão, ao chamar-se o gabinete do microcomputador, seja ele em formato torre (o formato vertical) ou desktop (o horizontal), de CPU. O mais correto é chamá-lo mesmo de torre ou gabinete. O nome, ou melhor a sigla CPU, vem do inglês Central Prossessing Unit, para designar o componente ou o conjunto de componentes do computador responsável pela execução das instruções dos programas. O nome CPU sugere, então, um elemento essencial no funcionamento do computador, sem uma CPU, os computadores não poderiam funcionar. Nas máquinas de primeira e segunda geração, segundo a organização do capítulo anterior, as CPUs eram implementadas em circuitos de grandes dimensões, utilizando milhares de válvulas ou transistores. A partir dos anos 7, com o aparecimento do circuito integrado, as CPUs puderam ser implementadas completamente num chip, denominado a partir de então de microprocessador, nome até hoje utilizado e que incorpora, em sua família, exemplares como o Pentium e o Power PC entre outros menos populares, mas nem por isso menos poderosos. Apesar da existência de uma grande diversidade em termos de arquiteturas de computador, pode-se enumerar, num ponto de vista mais genérico os componentes básicos desta classe de equipamentos. A figura 2.2 apresenta um esquema de um computador, destacando os elementos que o compõem. Apesar da grande evolução ocorrida na área de informática desde o aparecimento dos primeiros computadores, o esquema apresentado na figura pode ser utilizado tanto para descrever um sistema computacional atual como os computadores da década de 4, projetados por engenheiros como John Von Neuman. Vamos analisar a evolução que as CPUs sofreram ao longo dos anos e quais são os parâmetros a elas associados que influenciam no desempenho global de um sistema computacional. Um parâmetro importante é o tamanho da palavra processada pela unidade lógica e aritmética, lembrando que o sistema de numeração adotado nas arquiteturas de computadores é o binário, o qual tem como unidade básica de informação o bit, que pode assumir os valores ou 1. Quanto maior o tamanho da palavra manipulada pelo microprocessador, maior é o seu potencial de cálculo e maior a precisão das operações realizadas. As primeiras CPUs integradas num único chip, como por exemplo, o 44 fabricado pela Intel em 1971 manipulava palavras (dados e instruções) expressas por 4 dígitos binários. Os microprocessadores mais recentes são capazes de manipular palavras entre 32 bits (caso dos 486) e 64 bits (Pentium e Power PC).

3 Apostila de Arquitetura de Computadores II 3 A velocidade de cálculo é outro fator de peso para as arquiteturas de computador, uma vez que ela será determinante para o tempo de resposta de um sistema computacional com respeito à execução de uma dada aplicação. Memória Unidade Central de Processamento (CPU) Entrada Saída Figura 2.2 Composição básica de um computador. A velocidade de cálculo está diretamente relacionada com a freqüência do relógio que pilota o circuito da CPU como um todo. O microprocessador Intel 44 era movido por um clock de freqüência igual a 18 KHz (isto mesmo... quilohertz), enquanto hoje fala-se em microprocessadores com clocks de 2, 233, 266 e até 3 MHz. Ainda relacionada com a ALU, é possível destacar a quantidade de operações que ela suporta. Os primeiros processadores suportavam um conjunto relativamente modesto de operações lógicas e aritméticas. Em particular, no que diz respeito às operações aritméticas, os primeiros processadores suportavam apenas operações de adição e subtração, sendo que as demais operações tinham de ser implementadas através de seqüências destas operações básicas. Os processadores suportando um conjunto mais complexo de instruções surgiu de 15 anos para cá, graças à adoção da tecnologia CISC (Complex Instruction Set Computer). Embora não seja um aspecto visível ou perceptível internamente, é importante destacar que o aumento do potencial de cálculo de um computador só foi incrementado devido à evolução da microeletrônica que tem oferecido técnicas de integração capazes de encapsular uma quantidade cada vez maior de transistores por unidade de área. Só para que se tenha um parâmetro, o Intel 44 possuía 23 transistores integrados no mesmo chip, enquanto dos chips da linha Pentium abrigam cerca de 6 milhões de transistores A Memória Todo computador é dotado de uma quantidade (que pode variar de máquina para máquina) de memória a qual se constitui de um conjunto de circuitos capazes de armazenar (por períodos mais curtos ou mais longos de tempo) as unidades de dados e os programas a serem executados pela máquina. Nos computadores de uso geral, é possível encontrar diferentes denominações para as diferentes categorias de memória que neles são encontradas: a memória principal, ou memória de trabalho, onde normalmente devem estar armazenados os programas e dados a serem manipulados pelo processador; a memória secundária que permitem armazenar uma maior quantidade de dados e instruções por um período de tempo mais longo; os discos rígidos são exemplos mais imediatos de memória secundária de um computador, mas podem ser citados outros dispositivos menos recentes como as unidades de fita magnética e os cartões perfurados introduzidos por Hollerith; a memória cache, conceito introduzido mais recentemente e que se constitui de uma pequena porção de memória com curto tempo de resposta, normalmente integrada aos processadores e que permite incrementar o desempenho durante a realização de um programa. Os circuitos de memória são normalmente subdivididos em pequenas unidades de armazenamento denominadas palavras. Cada palavra é identificada no circuito por um endereço único, o qual vai ser referenciado pelo processador no momento de consultar ou alterar o seu conteúdo. Historicamente, cada palavra de memória permitia armazenar 8 dígitos binários (ou bits), o que introduziu o conceito de byte como sendo uma palavra de 8 bits, unidade até hoje utilizada para medir a capacidade de armazenamento das memórias e o tamanho dos programas. As quantidades de memória hoje são definidas em termos de Kbyte (quilobyte) que correspondem a 124 bytes ou (2 1 bytes) e Mbyte (megabyte), que correspondem a 124 Kbyte ou (2 2 bytes). O grande desenvolvimento ocorrido na área de software, particularmente no que diz respeito ao uso de interfaces gráficas e, mais recentemente, das aplicações multimídias, tem forçado os fabricantes de componentes de computador a produzirem circuitos de memória cada vez mais poderosos. No que diz respeito aos computadores pessoais, por exemplo, pode-se verificar a que ponto este aspecto evoluiu, tanto na memória principal, como na memória secundária: no que diz respeito à memória principal, o Altair 88, primeiro microcomputador pessoal produzido em 1974, possuía memória RAM de 256 Kbyte, o IBM-PC quando lançado, já era mais "bem dotado", com uma RAM de 64 Kbyte; os PCs da linha 386, lançados em 1991, vinham de fábrica com memória de 2 ou 4 Mbyte; atualmente, um microcomputador da linha Pentium deve vir com uma configuração mínima de memória de 32 Mb; como já foi mencionado no capítulo anterior, os microcomputadores, ou computadores pessoais pioneiros não vinham dotados de disco rígido, sendo que o usuário era obrigado a manter suas informações armazenadas em

4 Apostila de Arquitetura de Computadores II 4 disquetes de 5¼", com capacidade para armazenar até 36 Kbyte...em 1985, quando os IBM-XT foram lançados, estes vinham equipados com discos rígidos de 2 a 5 Mbyte...em 199, os microcomputadores da linha 386 vinham equipados com discos rígidos na faixa entre 4 e 1 Mbyte... mais tarde, em 1995, os micros 486 eram adquiridos com discos de 54 e 85 Mb em média... atualmente, um microcomputador Pentium é adquirido com um disco de no mínimo 2 Gbyte Dispositivos de entrada/saída Conhecidos também como I/O (de Input/Output), são os elementos que possibilitam a troca de dados entre o computador e o seu ambiente (usuário, periféricos, outros equipamentos). Os periféricos mais utilizados nos computadores de uso geral são o teclado, o mouse, as impressoras, o monitor de vídeo, etc. Os circuitos que possibilitam a troca de dados com o ambiente externo ao computador são conhecidas sob o nome de portas de E/S, as quais podem implementar a transmissão das palavras de dados segundo duas diferentes políticas: a comunicação paralela, onde cada dígito (ou bit) da palavra de dados é conduzido por um fio dedicado, o que significa que os cabos utilizados para a comunicação paralela são dotados de uma grande quantidade de fios (ou vias); o exemplo mais clássico de dispositivos que utilizam a comunicação paralela são as impressoras; a comunicação serial, onde os bits de cada palavra são transmitidos um a um, de forma seqüencial, através de uma única via, o que explica o fato dos cabos que implementam este tipo de comunicação serem constituídos por uma pequena quantidade de fios; os exemplos mais conhecidos de dispositivos que fazem uso desta política de comunicação são o mouse e os modems. 3. INVESTIGANDO OS MICROPROCESSADORES Como já dissemos, desde o início dos anos 7, os processadores ou microprocessadores, elementos de base dos computadores, são produzidos em circuitos integrados. A figura 2.3 apresenta duas opções em termos de aspecto externo de um microprocessador. De um ponto de vista interno, um microprocessador assume um aspecto mais próximo do que é apresentado na figura 2.4. nesta figura, é apresentado o interior do 44. Olhando para esta figura, já se pode imaginar o quanto mais complexo pode ser o aspecto interno de um Pentium. Figura 2.3 Formatos padrão dos microprocessadores. Figura 2.4 Aspecto interno de um microprocessador.

5 Apostila de Arquitetura de Computadores II 5 A + B seção de registros da CPU A B A B registros de entrada da ALU Unidade de Controle ALU A + B registro de saída da ALU Figura 2.5 Caminho de dados de um microprocessador. Entretanto, como forma de explicar, ainda num nível genérico, o funcionamento de um microprocessador, vamos considerar como visão interna o diagrama apresentado na figura 2.5, o qual será descrito a seguir. 3.1 As principais seções de um microprocessador Na maior parte dos estudos dos microprocessadores, encontra-se uma divisão clássica de sua estrutura interna considerando três grandes unidades: Unidade Lógica e Aritmética ou ALU (para Aritmethic and Logic Unit), que assume todas as tarefas relacionadas às operações lógicas (ou, e, negação, etc...) e aritméticas (adições, subtrações, etc.) a serem realizadas no contexto de uma tarefa realizada através dos computadores; as primeiras ALUs eram de concepção bastante simples, realizando um conjunto relativamente modesto de operação, com operandos de pequena dimensão (no que diz respeito ao tamanho da palavra)... com o passar do tempo, eles elementos foram tornando-se sofisticados para suportar operações mais complexas a maiores tamanhos de palavras de dados para permitir o grande potencial de cálculo oferecido pelos atuais microprocessadores; Seção de Registros, que, como o nome indica, abriga o conjunto de registros dos microprocessadores, essenciais para a realização das instruções dos programas do computador; de forma mais superficial, pode-se subdividir o conjunto de registros de um microprocessador em dois grupos: os registros de uso geral, utilizados para armazenamento de operandos ou resultados de operações executadas pelo microprocessador, os registros de controle, utilizados como suporte à execução dos programas do computador; Unidade de Controle a responsável de tarefas nobres como a interpretação das instruções de máquina a serem executadas pelo computador, a sincronização destas instruções, o atendimento a eventos de hardware, etc. Esta unidade assume toda a tarefa de controle das ações a serem realizadas pelo computador, comandando todos os demais componentes de sua arquitetura, garantindo a correta execução dos programas e a utilização dos dados corretos nas operações que as manipulam. É a unidade de controle quem gerencia todos os eventos associados à operação do computador, particularmente as chamadas interrupções, tão utilizadas nos sistemas há muito tempo Os microprocessadores e a execução de programas Na seção anterior, vimos que a CPU é considerada o "cérebro" do computador. Ela é encarregada da execução dos programas armazenados na memória central, através do carregamento das instruções, sua decodificação e execução seqüencial. Ela é composta de uma unidade de controle, responsável do carregamento e decodificação das instruções e de uma unidade lógica e aritmética (ALU) que efetua operações tais como a adição, a função booleana "E" (AND), etc... A CPU contém também uma memória de alta velocidade que permite o armazenamento de valores intermediários ou informações de comando. Esta memória é composta de registros, na qual cada registro tem uma função própria Papel dos registros na execução das instruções O registro mais importante da memória é o contador de programa ou PC de (Program Counter), cuja função é armazenar o endereço da instrução que deve ser executada num dado instante. O PC funciona como uma espécie de apontador, que indica, a todo instante, em que posição de memória encontra-se a próxima instrução a executar. Por esta razão, este registro é identificado pela sigla IP (de Instruction Pointer). Outro registro de importância é o registro de instruções ou IR (Instruction Register) que armazena o código binário da instrução em execução.

6 Apostila de Arquitetura de Computadores II 6 Os processadores contém ainda outros registros que permitem aos programadores o armazenamento de resultados intermediários A execução de uma instrução De forma simplificada, pode-se descrever os passos que envolvem a execução de um programa, como realizada internamente pela CPU: carregamento da instrução a executar para o registro de instrução; modificação do valor do contador de programa para que ele aponte a palavra de memória seguinte; decodificação da instrução armazenada no registro de instrução; localização, em memória, dos eventuais valores utilizados pela instrução; carregamento dos dados, se necessário, nos registros internos da CPU; execução da instrução; armazenamento dos resultados em seus destinos respectivos; retorno ao passo para execução da instrução seguinte. A esta seqüência de etapas, chamamos ciclo de carregamento-decodificação-execução, que é o ciclo de base no funcionamento de todo processador. O fato de se poder escrever um programa que simule o comportamento de uma CPU para execução de instruções deixa clara a possibilidade de que um programa não seja executado unicamente pelo hardware, mas também pelo software, num nível superior da estrutura de um computador. A estes programas, damos o nome de interpretadores e esta possibilidade vai ter grande importância no momento de se definir a arquitetura de um computador. Por exemplo, a definição de uma determinada linguagem associada a um determinado nível do computador vai estar intimamente ligada ao conhecimento de que ela seja executada pelo hardware ou por um interpretador (software).

7 Apostila de Arquitetura de Computadores II 7 Capítulo 2 - Conceituação Básica 1. UMA CLASSIFICAÇÃO DAS ARQUITETURAS DE COMPUTADORES 1.1. Linguagem de Máquina e Tipos de Instrução A realização das tarefas a serem automatizadas por qualquer computador é formalizada através de um programa, o qual, no final da escala de produção, transforma-se num conjunto de bits que define as instruções de máquina que o microprocessador deve executar. As instruções executadas pela CPU podem ser organizadas em três principais categorias: as instruções registro-memória permitem o tratamento de dados armazenados em memória para transferi-los aos registros da CPU. Estes dados poderão, em seguida, ser tratados por outras instruções como dados de entrada da ALU; as instruções registro-registro se caracterizam pela transferência de dados contidos nos registros da CPU aos registros de entrada da ALU, a realização de uma operação sobre estes dados e a transferência do resultado para um registro da CPU; as instruções memória-memória obtém os operandos diretamente na memória e os armazenam nos registros de entrada da ALU. Após ter efetuado uma operação sobre os dados, o resultado será armazenado em memória. A linguagem de máquina constitui um conjunto de instruções capazes de ser executada por um dado microprocessador. O conjunto de instruções varia muito de um microprocessador para outro, mas é comum, no caso de famílias de microprocessadores como (os microprocessadores da Intel, por exemplo) que um microprocessador suporte o conjunto de instruções de seus predecessores. A linguagem de máquina de um microprocessador pode ter de 2 a 3 instruções. Um grande número de instruções não é necessariamente o melhor, sendo em muitos casos o contrário Fluxo de Dados Na organização interna da CPU da figura 2.5 pode-se distinguir um fluxo de dados, formado pelos registros e a ALU. Os valores armazenados nestes registros podem ser transferidos aos registros de entrada da ALU (por exemplo, os registros identificados por A e B) durante a realização de um tratamento de dados por parte desta. A ALU é responsável das operações de adição, subtração e outras operações sobre os dados de entrada. Os dados correspondentes aos resultados destas operações são armazenados no registro de saída da ALU e podem, em seguida, ser transferidos para um outro registro da CPU antes de serem armazenados em memória. O caminho dos dados é um aspecto importante do funcionamento de uma CPU, pois ele vai definir o que uma máquina vai poder efetuar em termos de operações A Classificação de Flynn Desde o início dos trabalhos na área da informática, os fabricantes de computadores tentam construir máquinas mais poderosas e, principalmente, mais velozes. Um caminho para atingir este objetivo é a fabricação de componentes de maior desempenho em termos de velocidade. No entanto, o que se tem visto é que este caminho conduz, na maioria dos casos, a uma série de obstáculos e limitações. No entanto, outras formas de se obter um melhor desempenho na execução de programas podem ser resultado da própria política de concepção da arquitetura da máquina. Segundo, Michael Flynn, um pesquisador e professor da Universidade de Stanford que, as arquiteturas de computador podem ser assim classificadas: SISD - Simples fluxo de Instruções, Simples fluxo de Dados SIMD - Simples fluxo de Instruções, Múltiplos fluxos de Dados MISD - Múltiplos fluxo de Instruções, Simples fluxos de Dados MIMD - Múltiplos fluxos de Instruções, Múltiplos fluxos de Dados As Máquinas SISD A maioria das máquinas disponíveis atualmente enquadram-se nesta classificação. As instruções são executadas de modo sequencial, embora algum grau de paralelismo pode ser obtido neste caso, como por exemplo, através da técnica de pipelining. Uma máquina SISD pode ser caracterizada por mais de uma unidade funcional, sendo que estas serão controladas por uma única unidade de controle. O diagrama geral de funcionamento de uma máquina SISD é apresentado na figura As Máquinas SIMD O caso mais típico de máquinas enquadrando-se nesta classificação é aquele das máquinas vetoriais. Estas máquinas, cujo esquema de funcionamento geral é ilustrado na figura 2.7, são caracterizadas por um conjunto de elementos de processamento, supervisionados por uma mesma unidade de controle.

8 Apostila de Arquitetura de Computadores II 8 FI FI FD UC UP MM Figura 2.6 Máquinas SISD. FI UP 1 FD 1 MM 1 UC FI FI UP 2 FD 2 MM 2 FI UP N FD N MM N FI Figura 2.7 Máquinas SIMD. FD FI1 UC 1 FI1 UP1 FI 2 UC 2 FI 2 UP 2 MM 1 MM 2 MM N FI N UC N FI N UP N FD FI 1 FI FI 2 N Figura 2.8 Máquinas MISD. FI1 UC 1 FI1 UP1 FD 1 MM 1 FI 1 FI 2 UC 2 FI2 UP 2 FD 2 MM 2 FI 2 FI N UC N FI N UP N FD N MM N FI N Figura 2.9 Máquinas MIMD. Todas as unidades de processamento (UPs) recebem, por broadcast, o mesmo conjunto de instruções, sendo que as operações a serem realizadas no contexto de cada instrução envolvem um conjunto diferente de dados (para cada UP) As Máquinas MISD Estas são caracterizadas pela disponibilidade de n unidades de processamento, cada uma recebendo instruções distintas que operam sobre um mesmo conjunto de dados. Os resultados (saída) de uma unidade de processamento podem ser a entrada de uma outra unidade, compondo assim o que se denomina uma macropipe. Na maioria das apresentações da classificação de Flynn, esta categoria é quase sempre omitida por ser considerada de difícil implementação prática, sendo que não se conhece nenhuma máquina que tenha adotado esta estrutura As Máquinas MIMD Esta categoria de máquinas tem como principal ilustração as máquinas a multiprocessadores, que são caracterizadas pela existência de múltiplas unidades de processamento, as quais executam diferentes programas, no caso (múltiplos fluxos de instruções) sobre conjuntos distintos de dados. Uma subclassificação destas máquinas é relacionada com a intensidade das interações entre as unidades de processamento compondo estas máquinas. Os sistemas fortemente acoplados são aqueles onde as interações entre as unidades de processamento são de alta intensidade (frequência). Em outro caso, as máquinas são ditas fracamente acopladas. 2. ALGUNS CONCEITOS RELACIONADOS AOS COMPUTADORES Para finalizar, vamos apresentar uma descrição sucinta dos principais conceitos relacionados às arquiteturas de computadores e ao funcionamento dos microproces-sadores. A lista de conceitos não é exaustiva e muitos destes conceitos serão aprofundados ao longo do curso, mas é importante que se tenha uma apresentação inicial para o caso destes serem citados nos capítulos que seguem.

9 Apostila de Arquitetura de Computadores II Arquitetura de Computadores CPU Sigla americana para Unidade Central de Processamento, ou microprocessador, que corresponde ao chip capaz de realizar as instruções num computador. Exemplos mais recentes de CPU são o Pentium e Power PC Memória Nome genérico dado a todo dispositivo de armazenamento dos computadores. Engloba as memórias RAM (Random Access Memory), ROM (Read Only Memory). Outros dispositivos, como o disco rígido e os já obsoletos periféricos de cartão perfurado e fitas de papel podem também ser designados como memória (secundária) Memória Cache Classe de memória associada aos microprocessadores, utilizada para armazenar temporariamente parte dos dados e das instruções manipuladas nos programas num dado instante. A disponibilidade de uma grande quantidade de memória cache num computador propicia um ganho de desempenho na execução dos programas Memória Virtual Mecanismo implementado a nível de sistemas operacionais que permite que sistemas computacionais contendo pouca quantidade de memória de trabalho (RAM) possam executar programas mais exigentes em termos de memória. Neste mecanismo, o sistema operacional aloca uma porção do disco rígido para fins de armazenamento do programa a ser executado e seus dados. Esta porção constitui a memória virtual e a execução do programa é realizada pelo computador graças à troca de dados e instruções entre o disco e a memória RAM, numa operação denominada swap. A maior parte dos sistemas operacionais atuais utiliza este recurso. No entanto, é importante destacar que o uso de memória virtual, apesar de permitir executar programas de grande porte, não permite a execução dos programas com tanta eficiência quanto num computador com configuração suficiente em termos de RAM Entradas/Saídas Nome genérico dado a todo dispositivo relacionado à comunicação entre o computador ou o microprocessador e os demais elementos de seu ambiente. As operações de comunicação entre computador e impressora ou microprocessador e as portas seriais e paralelas são exemplos de operações de E/S Microprocessadores ALU Ou Unidade Lógica e Aritmética, é a parte de um microprocessador responsável pela realização das operações lógicas e aritméticas embutidas nas instruções de um programa Unidade de Controle Conjunto de componentes internos de um microprocessador que realizam as funções de controle do funcionamento de um microprocessador. O mecanismo de execução das instruções de um programa, o tratamento de interrupções, a sincronização de componentes, são exemplos de operações atribuídas a este elemento Registros Elementos internos de um microprocessador que constituem uma memória interna deste componente. Os registros podem ser acessíveis pelo programa de usuário para fins de armazenamento temporário de dados durante seu processamento, ou então pela Unidade de Controle que manipula estes registros para fins de controle da execução de um programa Contador de Programa Registro específico dos microprocessadores que opera como um "apontador" para as instruções que estão armazenadas na memória do computador. Os valores armazenados no PC (Program Counter) ou IP (Instruction Pointer) são endereços (ou porções de endereços) que correspondem à posição da próxima instrução a ser executada Registro de Instrução Registro componente da Unidade de Controle dos microprocessadores responsável do armazenamento do código da instrução que será executada num dado instante. O valor do código é manipulado para fins de decodificação Stack Área da memória do computador alocada para fins de armazenamento temporário de dados. Exemplos de dados que utilizam o stack são parâmetros de subrotinas e endereços de retorno para a finalização de subrotinas. O stack é também conhecido pela denominação de pilha, tradução para o Português do termo americano Stack Pointer Registro específico que funciona como apontador para a área de stack. O SP pode ser acessado diretamente pelos programas de aplicação do computador ou alterado automáticamente em conseqüência da execução de instruções de manipulação (por exemplo, uma instrução de chamada ou de retorno de subrotina).

10 Apostila de Arquitetura de Computadores II Barramento de dados Corresponde às vias de comunicação entre a CPU e os demais elementos compondo a arquitetura de um computador. Como o nome indica, este barramento é utilizado para permitir a troca de dados bidirecional entre o microprocessador e os demais elementos da arquitetura do computador como memória e dispositivos de E/S. O barramento de dados de um microprocessador é acessível através de pinos presentes em seu chip. Os pinos compondo o barramento de dados de um microprocessador podem ser identificados através de consulta ao manual do fabricante Barramento de endereços O barramento de endereços de um microprocessador é o conjunto de pinos presentes em sua interface através dos quais este elemento informa aos demais componentes da arquitetura do computador os endereços nos quais uma operação de comunicação será realizada. Por exemplo, durante um ciclo de leitura em memória, um dos passos é a colocação, neste barramento, do endereço de memória onde está armazenado o dado a ser lido. Da mesma forma que no caso do barramento de dados, os pinos deste barramento podem ser identificados através de consulta ao manual do fabricante Capacidade de endereçamento Está relacionada com a máxima quantidade de memória que um computador pode suportar. A capacidade de endereçamento é uma propriedade do microprocessador que depende do tamanho (em número de bits) do barramento de endereços. Quanto maior o tamanho do barramento de endereços, maior será a capacidade de endereçamento do microprocessador Interrupção Mecanismo implementado em praticamente todos os microprocessadores para o tratamento de eventos relacionados à operação de um computador. O mecanismo implica na possibilidade de interromper a execução de uma seqüência de instruções de programa para executar uma rotina de tratamento, a partir da ativação por hardware (modificação do estado de um sinal digital num pino do microprocessador) ou por software (instrução específica de chamada). A digitação de uma tecla, a realização de operações de entrada saída, o tratamento de erros de sistema, são exemplos de eventos tratados através do mecanismo de interrupção Pipelining Mecanismo implementado em alguns microprocessadores mais recentes onde a execução de instruções de um programa são antecipadas de modo a se obter um melhor desempenho do sistema.

11 Apostila de Arquitetura de Computadores II 11 Capítulo 3 - Nível da Lógica Digital 3.1.CONCEITOS DE LÓGICA DIGITAL CIRCUITOS LÓGICOS E GATES Todos as complexas operações de um computador digital acabam sendo combinações de simples operações aritméticas e lógicas básicas: somar bits, complementar bits (para fazer subtrações), comparar bits, mover bits. Estas operações são fisicamente realizadas por circuitos eletrônicos, chamados circuitos lógicos (ou gates - "portas" lógicas). Computadores digitais (binários) são construídos com circuitos eletrônicos digitais - as portas lógicas (circuitos lógicos). Os sistemas lógicos são estudados pela álgebra de chaveamentos, um ramo da álgebra moderna ou álgebra de Boole, conceituada pelo matemático inglês George Boole ( ). Boole construiu sua lógica a partir de símbolos, representando as expressões por letras e ligando-as através de conectivos - símbolos algébricos. A álgebra de Boole trabalha com apenas duas grandezas: falso ou verdadeiro. As duas grandezas são representadas por (falso) e 1 (verdadeiro). Nota: nos circuitos lógicos do computador, os sinais binários são representados por níveis de tensão OPERADORES LÓGICOS Os conectivos ou OPERADORES LÓGICOS ou FUNÇÕES LÓGICAS são: - E (ou AND) - uma sentença é verdadeira SE - e somente se - todos os termos forem verdadeiros; - OU (ou OR) - uma sentença resulta verdadeira se QUALQUER UM dos termos for verdadeiro; - NÃO (ou NOT) - este operador INVERTE um termo. Os operadores lógicos são representados por: NOT --> (uma barra horizontal sobre o termo a ser invertido ou negado). E >. (um ponto, como se fosse uma multiplicação) OU ----> + (o sinal de soma) TABELA VERDADE São tabelas que representam todas as possíveis combinações das variáveis de entrada de uma função, e os seus respectivos valores de saída. A seguir, apresentamos as funções básicas, e suas representações em tabelas-verdade. AND - FUNÇÃO E OR - FUNÇÃO OU

12 Apostila de Arquitetura de Computadores II 12 Nota: A menos da estranha expressão = 1, as demais expressões "parecem" a aritmética comum a que estamos acostumados, onde E substitui "vezes" e OU substitui "mais". FUNÇÃO NOT Obs.: a inversão em binário funciona como se fizéssemos 1 - A = X. Ou seja, 1 - = 1 e 1-1 = APLICAÇÃO DA ÁLGEBRA DE BOOLE AOS COMPUTADORES DIGITAIS Boole desenvolveu sua álgebra a partir desses conceitos básicos e utilizando apenas os algarismos e 1. Os primeiros computadores fabricados, como o ENIAC, trabalhavam em DECIMAL. No entanto, a utilização de circuitos eletrônicos que operassem com 1 diferentes níveis de tensão (para possibilitar detectar as 1 diferentes grandezas representadas no sistema decimal) acarretavam uma grande complexidade ao projeto e construção dos computadores, tendo por conseqüência um custo muito elevado. Surgiu então a idéia de aplicar a álgebra de Boole, simplificando extremamente o projeto e construção dos computadores. Mas como os conceitos da álgebra de chaveamentos (um ramo da álgebra do Boole) são aplicados ao projeto dos computadores digitais? A chave de tudo é um circuito eletrônico chamado CHAVE AUTOMÁTICA. Como funciona uma chave automática? Vamos imaginar um circuito chaveador com as seguintes entradas: - uma fonte de alimentação (fornece energia para o circuito) - um fio de controle (comanda a operação do circuito) - um fio de saída (conduz o resultado) No desenho, a chave permanece aberta enquanto o sinal C no fio de controle for (ou Falso). Enquanto não houver um sinal (sinal 1 ou Verdadeiro) no fio de controle, que mude a posição da chave, o sinal no fio de saída S será (ou Falso). Quando for aplicado um sinal (sinal 1 ou Verdadeiro) ao fio de controle, a chave muda de posição, tendo como resultado que o sinal na saída será então 1 (ou Verdadeiro). A posição da chave se manterá enquanto não ocorrer um novo sinal na entrada. A chave automática foi inicialmente implementada com relés eletromecânicos e depois com válvulas eletrônicas. A partir da metade da década de 5, passaram a ser utilizados dispositivos em estado sólido - os TRANSISTORES, inventados em Stanford em Os modernos Circuitos Integrados - CI's e os microprocessadores são implementados com milhões de transistores "impressos" em minúsculas pastilhas.

13 Apostila de Arquitetura de Computadores II 13 Vamos agora analisar o que ocorreria se nós ligássemos em SÉRIE duas chaves automáticas como as acima, e ligássemos uma lâmpada ao circuito. O circuito resultante poderia ser representado assim: A lâmpada acenderia SE - e somente se - as DUAS chaves estivessem na posição LIGADO (ou verdadeiro), o que seria conseguido com as duas entradas A e B em estado 1 (Verdadeiro). Substituindo CORRENTE (ou chave ligada) por 1 e AUSÊNCIA DE CORRENTE (ou chave desligada) por, como ficaria nossa tabela verdade para LÂMPADA LIGADA = 1 e LÂMPADA DESLIGADA =? Dá para reconhecer a nossa já familiar FUNÇÃO E? A B F 1 </DIV> O circuito acima que implementa a função E é chamado de PORTA E (AND GATE). Vamos agora analisar o que ocorreria se nós ligássemos em PARALELO duas chaves automáticas como as acima, e ligássemos uma lâmpada ao circuito. O circuito resultante poderia ser representado assim: A lâmpada acenderia SE QUALQUER UMA DAS-CHAVES estivesse na posição LIGADO (ou verdadeiro), o que seria conseguido com uma das duas entradas A ou B em estado 1 (Verdadeiro). Substituindo CORRENTE (ou chave ligada) por 1 e AUSÊNCIA DE CORRENTE (ou chave desligada) por, como ficaria nossa tabela verdade para LÂMPADA LIGADA = 1 e LÂMPADA DESLIGADA =? A B L

14 Apostila de Arquitetura de Computadores II 14 </DIV> E agora, dá para reconhecer a nossa já familiar FUNÇÃO OU? O circuito acima, que implementa a função OU, é chamado de PORTA OU (OR GATE) PORTA LÓGICA OU GATE São dispositivos ou circuitos lógicos que operam um ou mais sinais lógicos de entrada para produzir uma (e somente uma) saída, a qual é dependente da função implementada no circuito. Um computador é constituído de uma infinidade de circuitos lógicos, que executam as seguintes funções básicas: a) realizam operações matemáticas b) controlam o fluxo dos sinais c) armazenam dados Existem dois tipos de circuitos lógicos: a. COMBINACIONAL - a saída é função dos valores de entrada correntes; esses circuitos não tem capacidade de armazenamento [casos a) e b) acima]. b. SEQUENCIAL - a saída é função dos valores de entrada correntes e dos valores de entrada no instante anterior; é usada para a construção de circuitos de memória (chamados "flip-flops" - caso c acima); esses circuitos não serão estudados neste curso, mas apresentamos uma breve introdução no final do capítulo CIRCUITOS LÓGICOS PORTAS BÁSICAS PORTA NOT (NÃO) A porta NOT inverte o sinal de entrada (executa a NEGAÇÃO do sinal de entrada), ou seja, se o sinal de entrada for ela produz uma saída 1, se a entrada for 1 ela produz uma saída. PORTA AND (E) A porta AND combina dois ou mais sinais de entrada de forma equivalente a um circuito em série, para produzir um único sinal de saída, ou seja, ela produz uma saída 1, se todos os sinais de entrada forem ; caso qualquer um dos sinais de entrada for, a porta AND produzirá um sinal de saída igual a zero.

15 Apostila de Arquitetura de Computadores II 15 PORTA OR (OU) A porta OR combina dois ou mais sinais de entrada de forma equivalente a um circuito em paralelo, para produzir um único sinal de saída, ou seja, ela produz uma saída 1, se qualquer um dos sinais de entrada for igual a 1; a porta OR produzirá um sinal de saída igual a zero apenas se todos os sinais de entrada forem. PORTA NAND (NÃO E) A porta NAND equivale a uma porta AND seguida por uma porta NOT, isto é, ela produz uma saída que é o inverso da saída produzida pela porta AND. PORTA NOR (NÃO OU) A porta NOR equivale a uma porta OR seguida por uma porta NOT, isto é, ela produz uma saída que é o inverso da saída produzida pela porta OR. PORTA XOR (OU EXCLUSIVO) A porta XOR compara os bits; ela produz saída quando todos os bits de entrada são iguais e saída 1 quando pelo menos um dos bits de entrada é diferente dos demais.

16 Apostila de Arquitetura de Computadores II 16 Exemplo de circuitos utilizando portas lógicas: A) Uma campainha que toca (saída) se o motorista der a partida no motor do carro (entrada) sem estar com o cinto de segurança afivelado (entrada). Se a ignição for ACIONADA (1) e o cinto estiver DESAFIVELADO (1), a campainha é ACIONADA (1). Caso contrário, a campainha não toca. Tabela Verdade: Ignição Cinto Campainha </DIV> Basta incluir uma porta AND. B) Detector de incêndio com vários sensores (entradas) e uma campainha para alarme (saída). Se QUALQUER UM dos sensores for acionado (significando que um dos sensores detectou sinal de incêndio), a campainha é ACIONADA. Tabela verdade: Basta incluir uma porta OR. Sensor 1 Sensor 2 Campainha </DIV> 3.3. ÁLGEBRA DE BOOLE As operações básicas da Álgebra de Boole são: AVALIAÇÃO DE UMA EXPRESSÃO BOOLEANA Uma expressão booleana é uma expressão formada por sinais de entrada (chamados variáveis de entrada) ligados por conectivos lógicos, produzindo como resultado um único sinal de saída. Na avaliação de uma expressão Booleana, deverá ser seguida uma ordem de precedência conforme a seguir definido: 1º - avalie NOT 2º - avalie AND 3º - avalie OR Obs.: respeitando-se sempre os parênteses! Ex.: Avalie a expressão:

17 Apostila de Arquitetura de Computadores II EQUIVALÊNCIA DE FUNÇÕES LÓGICAS Duas funções Booleanas são equivalentes se - e somente se - para a mesma entrada, produzirem iguais valores de saída. PORTANTO, DUAS FUNÇÕES LÓGICAS EQUIVALENTES TÊM A MESMA TABELA VERDADE. Ex.: Verifique se as funções lógicas a seguir representam funções equivalentes: PROPRIEDADES DA ÁLGEBRA DE BOOLE Exercício: Simplifique a seguinte expressão: PROPRIEDADES DA FUNÇÃO EXCLUSIVE OR (XOR)

18 Apostila de Arquitetura de Computadores II REPRESENTAÇÃO DE CIRCUITOS COM AS FUNÇÕES NAND E NOR Usando as propriedades apresentadas, todo e qualquer circuito pode ser representado usando exclusivamente as função NAND ou as função NOR. Para que serviria tal artimanha, além da dor de cabeça aos estudantes? Há neste caso uma razão maior que a comodidade ou a aparente dificuldade: a razão econômica. Por diversas razões construtivas, fica mais barato construir TODOS os circuitos de um computador usando APENAS UM ÚNICO TIPO DE CIRCUITO. Aceitando essa afirmação, vamos enfrentar a tarefa de represntar os nossos circuitos já conhecidos usando apenas funções NAND ou os NOR. a) CIRCUITO INVERSOR b) CIRCUITO AND c) CIRCUITO OR

19 Apostila de Arquitetura de Computadores II 19 Exercício: Escreva a expressão do circuito abaixo e simplifique. Solução: Este circuito implementa a função XOR, usando apenas portas NAND! 3.5.FORMAS CANÔNICAS REPRESENTAÇÃO DE UM CIRCUITO ATRAVÉS DE UMA TABELA VERDADE Os circuitos de um computador realizam funções de grande complexidade, cuja representação geralmente não é óbvia. O processo para realização de uma função através de um circuito começa na descrição verbal do circuito (descrição do comportamento de suas possíveis saídas, em função das diversas combinações possíveis de seus sinais de entrada), a partir do que é possível montar sua tabela verdade. Exemplos: 1) Considere um circuito elétrico composto de uma fonte de energia comercial (a alimentação da empresa de distribuição de energia, p.ex., a CEB) e um interruptor (nossas entradas ) e uma lâmpada (nossa saída). A lâmpada acenderá se - e somente se - a) houver energia disponível (se não estiver "faltando luz") e b) o interruptor estiver ligado. Elabore a tabela

20 Apostila de Arquitetura de Computadores II 2 verdade que representa esse circuito lógico. 2) Considere um sistema composto de duas caixas d'água (uma superior e uma cisterna). A cisterna é alimentada pela entrada de água da "rua", via empresa distribuidora (ex.: CAESB). A caixa superior serve para distribuir a água, por gravidade, em todo o prédio: bicas, chuveiros, descargas sanitárias, circuitos anti-incêndio, etc, com a água sendo impulsionada por uma bomba hidráulica através de uma tubulação que liga a cisterna à caixa superior. Considerando que a bomba queimará se for acionada sem haver água no circuito hidráulico, projete um circuito lógico para acionar a bomba sempre que a caixa superior estiver vazia, desde que tenha água na cisterna. 3) Considere um circuito elétrico composto de uma fonte de energia comercial (a alimentação da empresa de distribuição de energia, p.ex., a CEB), uma alimentação auxiliar (um gerador e um no-break, com bateria de acumulação) e um interruptor (nossas entradas ) e um sistema de computadores (nossa saída). O computador poderá operar se: a) houver energia disponível (se não estiver "faltando luz") em um dos circuitos de alimentação e b) o interruptor estiver ligado. Elabore a tabela verdade que representa esse circuito lógico FORMAS CANÔNICAS A partir da tabela verdade produzida conforme item anterior, é possível chegar à expressão que representa o comportamento do circuito, e em seguida construir o circuito, usando as portas lógicas já estudadas. O processo de elaboração da expressão usa as chamadas formas canônicas, que consistem em regras para representar as condições de entrada que: a) produzirão saída 1 (e portanto as demais condições produzirão saída ) ou alternativamente, b) produzirão saída (e portanto as demais condições produzirão saída 1). São portanto duas as formas canônicas: uma representa as condições que produzem saída 1 (SOMA DOS MINITERMOS), a outra representa as condições que produzirão saída (PRODUTO DOS MAXITERMOS). Essas formas são alternativas, CLR isto é, a expressão poderá ser encontrada aplicando-se alternativamente UMA ou OUTRA das formas. MINITERMO - são termos somente com AND (termos PRODUTO) MAXITERMO - são termos somente com OR (termos SOMA) SOMA DOS MINITERMOS É produzida construindo: - um termo (uma sub-expressão) para cada linha da tabela verdade (que representa uma combinação de valores de entrada) em que a saída é 1, - cada um desses termos é formado pelo PRODUTO (FUNÇÃO AND) das variáveis de entrada, sendo que: quando a variável for 1, mantenha; quando a variável for, complemente-a (função NOT). - a função booleana será obtida unindo-se os termos PRODUTO (ou minitermos) por uma porta OR (ou seja, "forçandose" a saída 1 caso qualquer minitermo resulte no valor 1). Dessa forma, ligando os termos-produto (também chamados minitermos) pela porta OR, caso QUALQUER UM dos minitermos seja 1 (portanto, caso qualquer uma das condições de valores de entrada que produz saída 1se verifique), a saída pela porta OR será também 1. Ou seja, basta que se verifique qualquer uma das alternativas de valores de entrada expressos em um dos minitermos, e a saída será também 1, forçada pelo OR. Caso nenhuma dessas alternativas se verifique, produz-se a saída. Exemplo: D SET Q Q D CLK Q 1 1

21 Apostila de Arquitetura de Computadores II PRODUTO DOS MAXITERMOS É produzida construindo: - um termo (uma sub-expressão) para cada linha da tabela verdade (que representa uma combinação de valores de entrada) em que a saída é, - cada um desses termos é formado pela SOMA (FUNÇÃO OR) das variáveis de entrada, sendo que: quando a variável for, mantenha; quando a variável for 1, complemente-a (função NOT). - a função booleana será obtida unindo-se os termos SOMA (ou maxitermos) por uma porta AND (ou seja, "forçandose" a saída caso qualquer minitermo resulte no valor ). Dessa forma, ligando os termos-soma (também chamados maxitermos) pela porta AND, caso QUALQUER UM dos minitermos seja (portanto, caso qualquer uma das condições de valores de entrada que produz saída se verifique), a saída pela porta AND será também. Ou seja, basta que se verifique qualquer uma das alternativas de valores de entrada expressos em um dos maxitermos, e a saída será também, forçada pelo AND. Caso nenhuma dessas alternativas se verifique, produz-se a saída 1. Exemplo: O MESMO COMPORTAMENTO (A MESMA TABELA VERDADE) PODE SER IGUALMENTE REPRESENTADA POR QUALQUER DAS FORMAS CANÔNICAS. Exemplo:

22 Apostila de Arquitetura de Computadores II 22 Se ambas as formas canônicas produzem expressões equivalentes, como escolher qual a representação a utilizar? Escolha a que resultar em menor número de termos, produzindo uma expressão mais simples. Por esse método, pode-se encontrar a expressão que represente qualquer tabela verdade. Após se encontrar uma expressão que represente o comportamento esperado, é possível que não seja uma expressão simples que possa ser construída com poucas portas lógicas. Antes de projetar o circuito, é útil SIMPLIFICAR a expressão, de forma a possibilitar construir um circuito mais simples e portanto mais barato. Portanto, o fluxo de nosso procedimento será: DESCRIÇÃO VERBAL ---> TABELA VERDADE ---> FORMA CANÔNICA ---> --->FUNÇÃO SIMPLIFICADA ---> CIRCUITO MAPA DE KARNAUGH O Mapa de Karnaugh é uma ferramenta de auxílio à minimização de funções booleanas. O próprio nome mapa vem do fato dele ser um mapeamento biunívoco a partir de uma tabela-verdade. Vejamos como é feito este mapeamento <BIG><BIG>Mapa de Karnaugh para 1 Variável</BIG></BIG> Considere a tabela-verdade, já vista, de uma função NOT, A f(a) = A 1 1 Para se fazer um Mapa de Karnaugh a partir desta tabela-verdade, realiza-se a construção ilustrada na figura abaixo, ou seja (veja que a variável A, em verde, está indicando que a função em questão só possui uma variável independente): 1. Acrescenta-se mais uma coluna à tabela-verdade original. Esta coluna tem por função enumerar as linhas, a partir de zero (). 2. Constroi-se tantos quadrículos quantas forem as linhas da tabela-verdade, enumerando-os com o número da linha correspondente no canto superior esquerdo de cada quadrículo (números em preto). 3. Coloca-se os valores das variáveis do lado de fora de cada quadrículo (números em azul). 4. Coloca-se os valores da função no centro de cada quadrículo, respeitando-se o número da linha correspondente (números em vermelho) <BIG><BIG>Mapa de Karnaugh para 2 Variáveis</BIG></BIG> Veja para função de duas varáveis (por exemplo, a função AND),

23 Apostila de Arquitetura de Computadores II <BIG><BIG>Mapa de Karnaugh para 3 Variáveis</BIG></BIG> Para funções de três variáveis independentes, <BIG><BIG>Mapa de Karnaugh para 4 Variáveis</BIG></BIG> Para funções de quatro variáveis independentes, Note que, a partir do Mapa de Karnaugh para funções três ou mais variáveis independentes, há uma anotação das filas (linhas ou colunas) de quadrículos onde a variável independente não muda de valor. Também observe que, de uma fila de quadrículos para outra fila, só há uma mudança de valor nas variáveis. Observe que a ordem de numeração das linhas e colunas, representativas de combinações de variáveis, obedece o Código de Gray (Gray Code), às vezes chamado de Código Refletido.

24 Apostila de Arquitetura de Computadores II 24 <BIG><BIG>Exemplos de Uso</BIG></BIG> Ex.1 - Considere a seguinte função lógica de duas variáveis, F(A,B), Do lado da equação booleana, e pelo Teorema 11, visto anteriormente, a redução é evidente. Do lado do Mapa de Karnaugh, os dois quadrículos contíguos, contendo o valor lógico 1 cada, indicam que: 1A variável A não muda de valor lógico nos dois quadrículos contendo o valor lógico 1 da função F (1 acima da tabela): mantenha a variável A. 2A variável B muda de valor lógico nos dois quadrículos contendo o valor lógico 1 da função F ( e 1 à esquerda da tabela): elimine a variável B. Ex.2 - Considere, agora, a função de três variáveis, F(A,B,C), Por não ser trivial a conclusão obtida com o mapa de Karnaugh, aí segue a prova, Como pode ser visto, o mapa de Karnaugh é uma ferramenta eficiente para simplificar funções booelanas. Uma simplificação algébrica alternativa da função acima fica como exercício. Note que no mapa de Karnaugh acima, os quatro quadrículos contíguos (linha - coluna 11; linha - coluna 1; linha 1 - coluna 11; linha 1 - coluna 1), contendo o valor lógico 1 cada, indicam que a variável A não muda de valor lógico nos quatro quadrículos contendo o valor lógico 1 da função F. Esta é a razão de manter-se a variável A (primeiro termo da simplificação). A variável A muda de valor lógico nos dois quadrículos contendo o valor lógico 1 da função F: elimine a variável A, mantendo B e C complementadas (segundo termo da simplificação). Ex.3 - Considere, agora, a função lógica do exemplo 2. Faremos sua minimização através do conceito de maxtermos. Para isso, complete as lacunas com o dígito,