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1 Organização de Sistemas de Capítulo 2

2 Organização de Sistemas de 2 ORGANIZAÇÃO DE SISTEMAS DE COMPUTADORES 2.1 PROCESSADORES 2.2 MEMÓRIA PRIMÁRIA 2.3 MEMÓRIA SECUNDÁRIA 2.4 ENTRADA/ SAÍDA

3 Organização de Sistemas de 2 ORGANIZAÇÃO DE SISTEMAS DE COMPUTADORES - Computador Digital - sistema interconectado de: - processadores; - memórias; e - dispositivos de entrada/saída.

4 Organização de Sistemas de 2.1 PROCESSADORES Organização da CPU Execução de instrução RISC versus CISC Princípios de projeto para computadores modernos Paralelismo no nível de instrução Paralelismo no nível do processador

5 Organização de Sistemas de 2.1 PROCESSADORES Organização da CPU: - CPU (Central Processing Unit): cérebro do computador. - função: - executar programas armazenados na memória principal - buscando suas instruções; - examinando-as; e - executando-as uma após a outra. - componentes: - Unidade de controle: buscar instruções e determinar seu tipo. - Unidade Aritmética e Lógica: executar as instruções. - Registradores: armazenar resultados temporários.

6 Unidade Central de Processamento

7 Organização de Sistemas de 2.1 PROCESSADORES Organização da CPU: - organização interna de uma CPU: - registradores : - Contador de Programa PC - Registrador de Instrução RI - Uso geral - ULA : - adição, subtração, e outras operações simples. - Diversos barramentos - Instruções: - registrador memória - registrador - registrador

8 Organização da CPU

9 Organização de Sistemas de 2.1 PROCESSADORES Execução de instrução: - CPU executa cada instrução em uma série de pequenas etapas: - Ciclo: buscar-decodificar-executar.

10 Interpretador (1) / / / /

11 Interpretador (2)

12 Organização de Sistemas de 2.1 PROCESSADORES RISC versus CISC RISC (Reduced Instruction Set Computer): - não usar interpretação - instruções simples executadas rapidamente - Sun UltraSPARC CISC (Complex Instruction Set Computer) - Pentium da Intel - núcleo RISC + modo CISC

13 Organização de Sistemas de 2.1 PROCESSADORES Princípios de projeto para computadores modernos -Todas as instruções comuns são executadas diretamente por hardware. - Instruções mais complexas são subdividas em partes separadas - Executadas como uma sequencia de microinstruções. - Maximizar a taxa de execução de instruções - MIPS (Millions of Instructions per Second) - Instruções devem ser fáceis de decodificar - instruções regulares, amanho fixo, pequeno número de campos. - Somente LOAD e STORE devem referenciar a memória - demais instruções utilizarem os registradores da CPU. - Providenciar bastante registradores - Acesso a memória é relativamente lento.

14 Organização de Sistemas de 2.1 PROCESSADORES Paralelismo no nível de instrução - Paralelismo (Pipelining) - fazer duas ou mais coisas ao mesmo tempo. - Nível de instrução: - paralelismo explorado dentro de instruções individuais - busca antecipada: busca e execução. - Nível de processador: - várias CPUs trabalhando juntas no mesmo problema.

15 Paralelismo no Nível de Instrução a) Pipeline de cinco estágios. b) Estado de cada estágio em função do tempo. São ilustrados nove ciclos de relógio.

16 Arquiteturas Superescalares (1) Pipelines duplos de cinco estágios com uma unidade de busca de instrução em comum.

17 Arquiteturas Superescalares (2) Processador superescalar com cinco unidades funcionais.

18 Organização de Sistemas de 2.1 PROCESSADORES Paralelismo no nível do processador - Computadores matriciais - grande número de processadores idênticos que efetuam a mesma sequência de instruções em diferentes conjunto de dados. - SIMD (fluxo único de instruções, flux múltiplo de dados) - Multiprocessadores - sistema paralelo com CPUs totalmente desenvolvidas - compartilha uma memória comum. - fortemente acoplados. - Multicomputadores - grande número de computadores interconectados - memórias privadas - fracamente acopladas - comunicação via mensagens

19 Paralelismo de Processador (1) Processador matricial do tipo ILLIAC IV.

20 Paralelismo de Processador (2) a) Multiprocessador com barramento único. b) Multicomputador com memórias locais.

21 Organização de Sistemas de 2.2 MEMÓRIA PRIMÁRIA Bits Endereços de memória Ordenação de bytes Códigos de correção de erro Memória cache Empacotamento e tipos de memória

22 Organização de Sistemas de 2.2 MEMÓRIA PRIMÁRIA - Memória: parte do computador onde são armazenados programas e dados.

23 Organização de Sistemas de 2.2 MEMÓRIA PRIMÁRIA Bits - Unidade básica de memória é o digito binário bit. - byte = 8 bits. - Sistema numérico binário (revisão) - notação posicional - lei de formação - conversões entre bases numéricas - operações aritméticas

24 Organização de Sistemas de 2.2 MEMÓRIA PRIMÁRIA Endereços de memória - Memórias consistem em quantidade de células ou endereços - A cada célula é atribuído um número (seu endereço) de referência - Para uma memória com n células: - endereços serão de 0 a n 1;. - todas as células contêm o mesmo número de bits (m); - células adjacentes têm endereços consecutivos; - o númro máximo de células endereçaveis é 2 m ;

25 Memória Primária Endereços de Memória (1) Três maneiras de organizar uma memória de 96 bits.

26 Memória Primária Endereços de Memória (2) Número de bits por célula para alguns computadores comerciais historicamente interessantes.

27 Organização de Sistemas de 2.2 MEMÓRIA PRIMÁRIA Ordenação de bytes - Big endian - esquerda para direita - SPARC e Mainframes da IBM - Little endian - direita para esquerda - INTEL

28 Ordenação de bytes (1) (a) Memória big endian (b) Memória little endian

29 Ordenação de Byte (2) (a) Registro pessoal para uma máquina big endian. (b) O mesmo registro para uma máquina little endian. (c) Resultado da transferência de big endian para little endian. (d) Resultado do deslocamento de bytes (c).

30 Organização de Sistemas de 2.2 MEMÓRIA PRIMÁRIA Códigos de correção de erro - Erros de vez em quando devido a picos de tensão ou outras causas. - Bits extras são adicionados a cada palavra - distância de Hamming (ou exclusivo) - Códigos de detecção de erros: d bit de paridade - Códigos de correção de erros: 2d + 1

31 Códigos Corretores de Erros (1) Número de bits de verificação para um código que pode corrigir um único erro.

32 Códigos Corretores de Erros (2) (a) Codificação de 1100 (b) Paridade par adicionada (c) Erro em AC

33 Códigos Corretores de Erros (3) Construção do código de Hamming para a palavra de memória adicionando 5 bits de verificação aos 16 bits de dados.

34 Organização de Sistemas de 2.2 MEMÓRIA PRIMÁRIA Memória cache - CPU sempre são mais rápidas do que as memórias. - Quanto mais lenta a memória, mais ciclos a CPU terá de esperar. - Problema econômico e não tecnológico. - combinar pequena quantidade de memória rápida (cache) com grande quantidade de memória lenta (principal). - velocidade da memória rápida - capacidade da memória grande - preço moderado - Palavras usadas com mais frequência são mantidas no cache. - Quando a CPU precisar da palavra, examina inicialmente a cache.

35 Organização de Sistemas de 2.2 MEMÓRIA PRIMÁRIA Memória cache - Sucesso ou fracasso depende da fração das palavras que estão na cache. - Programas não acessam suas memórias em total aleatoriedade. - Principio da localidade: base de todos os sistemas de cache. - Memórias principais e caches são dividas em blocos de tamanho fixo - quanto maior cache, melhor seu funcionamento, mas também maior é o custo.

36 Memória Cache O cache localiza-se logicamente entre a CPU e a memória principal. Fisicamente há vários locais onde ela pode ser colocada.

37 Organização de Sistemas de 2.2 MEMÓRIA PRIMÁRIA Empacotamento e tipos de memória - SIMM (Single Inline Memory Module): - 72 contatos (pinos) - transferem 32 bits por ciclo - DIMM (Dual Inline Memory Module) contatos (pinos) - transferem 64 bits por ciclo -SO-DIMM (Small Outline DIMM) - usado em notebooks

38 Empacotamento e tipos de memória Módulo de memória em linha única (single inline memory module) (SIMM) contendo 256 MB. Dois dos chips controlam o SIMM.

39 Organização de Sistemas de 2.3 MEMÓRIA SECUNDÁRIA Hierarquia de memória Discos magnéticos Discos Flexíveis Discos IDE Discos SCSI RAID CD-ROMs CDs graváveis CDs regraváveis DVD Blu-Ray

40 Organização de Sistemas de 2.3 MEMÓRIA SECUNDÁRIA - Seja qual for o tamanho da memória principal, ela sempre será insuficiente.

41 Organização de Sistemas de 2.3 MEMÓRIA SECUNDÁRIA Hierarquia de memória - Solução tradicional para armazenar grandes quantidades de dados é uma hierarquia de memória. - Registradores - Memória Cache - Memória principal - Memória secundária - Tempo de acesso - Capacidade de armazenamento - Preço

42 Hierarquias de memória Fita Hierarquia de memória de cinco níveis.

43 Organização de Sistemas de 2.3 MEMÓRIA SECUNDÁRIA Discos magnéticos - Pratos de alumínio com um revestimento magnetizável - Cabeçote de disco com bobina de indução - Polaridade da corrente magnetiza a superfície ou induz no cabeçote. - Trilha: sequencia circular de bits em uma rotação do disco. - Setores: divisão das trilhas em tamanhos fixos. - Cilindro: conjunto de trilhas em uma dada posição radial.

44 Organização de Sistemas de 2.3 MEMÓRIA SECUNDÁRIA Discos magnéticos - busca (seek): tempo para o braço do cabeçote deslocar-se até a posição radial correta. - latência rotacional: tempo até que o setor desejado gire sob o cabeçote. - tempo de transferência: densidade linear + velocidade de rotação. - Controlador de Disco: - comandos: READ, WRITE, FORMAT - movimento do braço - detectar e corrigir erros - converter bytes lidos (memória) em uma corrente serial de bits (disco) - cache de setores

45 Discos Magnéticos (1) Porção de uma trilha de disco. São ilustrados dois setores.

46 Discos Magnéticos (2) Um disco com quatro pratos.

47 Discos Magnéticos (3) Um disco com cinco zonas. Cada zona tem muitas trilhas.

48 Organização de Sistemas de 2.3 MEMÓRIA SECUNDÁRIA Discos Flexíveis - Disquete ou disco flexível: - solução para distribuição de software. - removível - pequeno - cabeçotes tocam as superfícies do disquetes. - desgastes dos cabeçotes.

49 Organização de Sistemas de 2.3 MEMÓRIA SECUNDÁRIA Discos IDE - Sistema Operacional lia e escrevia em um disco: - colocando parâmetros em registradores na CPU - chamando o BIOS (Basic Input Output System) - emitia instruções para carregar os registradores do controlador de disco - iniciar as transferências. - IDE (Integrated Drive Electronics) - controlador integrado com os drives - chamadas do BIOS não foram alteradas (compatibilidade) - endereços dos setores: número do cabeçote, cilindro e setor. - limitação da BIOS 504 MB. - EIDE (Extended IDE) - esquema de endereçamento LBA (Logical Block Addressing) - limitação de discos com 128 GB - dois canais e drive primário e secundário = 4 drives por controlador;

50 Organização de Sistemas de 2.3 MEMÓRIA SECUNDÁRIA Discos IDE - ATA-3 (Attachment) = 16 bits executando em 8 MHz = 16MB/s. - ATAPI-4 (ATA packet Interface) = velocidade de 33 MB/s - ATAPI-5 = velocidade de 66 MB/s - ATAPI-6 = velocidade de 100 MB/s - LBA para 48 bits - ATAPI-7 (ATA serial) = velocidade de 150 MB/s - 1 bit por vez - substituir cabo plano de 80 fios para cabo redondo 7 pinos

51 Organização de Sistemas de 2.3 MEMÓRIA SECUNDÁRIA Discos SCSI - SCSI (Small Computer System Interface) - Iguais aos discos IDE: - em relação organização (cilindros, trilhas e setores) - Diferenças em relação aos discos IDE: - interface (barramento até 7 dispositivos) - taxa de transferência mais elevadas. - Ultra4 SCSI (160 MHz) com 16 bits. -

52 Discos SCSI Alguns dos possíveis parâmetros SCSI.

53 Organização de Sistemas de 2.3 MEMÓRIA SECUNDÁRIA RAID - RAID (Redundant Array of Inexpensive Disk) - Caixa cheia de disco disco único grande e caro. - Melhor desempenho e melhor confiabilidade. - Maioria dos RAIDs consiste de controlador e discos SCSI. - RAID nível 0 até nível 5.

54 Organização de Sistemas de 2.3 MEMÓRIA SECUNDÁRIA RAID - RAID 0: disco virtual simulado pelo RAID divido em k setores. - striping: distribuição dos dados por múltiplos drives. - não existe redundância - RAID 1: duplica todos os discos. (mirror) - desempenho escrita não é melhor - desempenho leitura pode ser duas vezes melhor. - tolerância à falha é excelente - RAID 2: trabalha por palavras - dividir cada byte do disco virtual único e acrescentar código de Hamming - rotação de todos os drives sincronizados - exige da controladora (checksum).

55 Organização de Sistemas de 2.3 MEMÓRIA SECUNDÁRIA RAID - RAID 3: versão simplificada do RAID 2. -Único bit de paridade é computado para cada paladra e escrito em separado - exige sincronismo de rotação - RAID 4: trabalha com tiras - não requer sincronismo - semelhante aos RAID 0, com paridade por tira em drive extra.. - RAID 5: trabalha com tiras - não requer sincronismo -Semelhante ao RAID 0, com paridade por tira distribuído uniformemente

56 RAID (1) Redundant Array of Inexpensive Disks (Arranjo Redundante de Discos Baratos) RAID níveis 0 a 2. Os discos de backup e de paridade estão sombreados.

57 RAID (1) Redundant Array of Inexpensive Disks (Arranjo Redundante de Discos Baratos) RAID níveis 3 a 5. Os discos de backup e de paridade estão sombreados.

58 Organização de Sistemas de 2.3 MEMÓRIA SECUNDÁRIA CD-ROMs - Disco Compacto com memória somente de leitura - Utilização laser infravermelho para sua preparação - queimar orifícios de 0,8 mícron de diâmetro. - Diodo a laser de baixa potência para leitura - distinguir reflexão entre as depressões e os planos. - espiral contínua ( revoluções ao redor do disco) - velocidade linear constante taxa de rotação reduzida

59 CD-ROMs (1) Estrutura de gravação de um Disco Compacto ou CD-ROM.

60 CD-ROMs (2) Layout lógico de dados em um CD-ROM.

61 Organização de Sistemas de 2.3 MEMÓRIA SECUNDÁRIA CDs graváveis - CDRs (CD-Recordables) - adição de uma camada de corante - laser na porção de corante rompe a ligação química - escrita incrementais (multitrilhas) - VTOC (Volume Table of Contents) - trilhas agrupadas em sessões (multissessões)

62 CD-Graváveis Seção transversal de um disco CD-R e laser (não está em escala). Um CD-ROM tem uma estrutura semelhante, exceto por não ter a camada de corante e por ter uma camada de alumínio com depressões ao invés da camada refletiva.

63 Organização de Sistemas de 2.3 MEMÓRIA SECUNDÁRIA CDs regraváveis - CD-RW (CD-ReWritable) - liga de prata, índio, antimônio e telúrio para camada de gravação - dois estados estáveis: cristalino e amorfo, com diferentes refletividades. - lasers com 03 potências diferentes (escrever, zerar, leitura) - mais caros.

64 Organização de Sistemas de 2.3 MEMÓRIA SECUNDÁRIA DVD - DVD (Digital Versatile Disk) - depressões menores - espiral mais apertada - laser com menor comprimento de onda - aumentaram 7 vezes a capacidade = 4,7 GB.

65 DVD DVD de dupla face e dupla camada.

66 Organização de Sistemas de 2.3 MEMÓRIA SECUNDÁRIA Blu-Ray - Laser azul - foco mais preciso - depressões menores - 25 GB

67 Organização de Sistemas de 2.4 ENTRADA / SAÍDA Barramentos Terminais Mouse Impressoras Equipamento de telecomunicações Câmeras digitais Códigos de caracteres

68 Organização de Sistemas de 2.4 ENTRADA / SAÍDA - Como os dispositivos de entrada e saída são conectados ao resto do sistema ( CPU, memórias primária e secundária)? - dispositivos de E/S: controlador e o dispositivo em si. - Arranjo usual : grande placa de circuito impresso denominada placa-mãe. - Placa-mãe: chip da CPU, encaixe para memória principal, vários chips de suporte, barramentos, e soquetes nos quais conectores de placas de E/S podem ser inseridos.

69 Organização de Sistemas de 2.4 ENTRADA / SAÍDA Barramentos - Barramento ISA (Industry Standard archicteture) - Barramento EISA ( Extended ISA) - Barramento PCI (Peripheral Component Interconnect)

70 Entrada/Saída Barramentos (1) Estrutura física de um computador pessoal.

71 Entrada/Saída Barramentos (2) Estrutura lógica de um computador pessoal simples.

72 Entrada/Saída Barramentos (3) PC moderno com um barramento PCI e um barramento ISA.

73 Organização de Sistemas de 2.4 ENTRADA / SAÍDA Terminais - Teclado: - interrupção - Monitor: - CRT (Cathode Ray Tube) - varredura - LCD (Liquid Crystal Display) - Matriz Passiva x Matriz ativa - Pixels

74 Monitores CRT (a) Seção transversal de um CRT. (b) Padrão de varredura de um CRT.

75 Monitores de Tela Plana (a) Construção de uma tela de LCD. (b) Os sulcos nas placas traseira e frontal são perpendiculares uns aos outros.

76 Organização de Sistemas de 2.4 ENTRADA / SAÍDA Mouse -LED (Light Emitting Diode)

77 Mouse Utilização do mouse para apontar itens de menu.

78 Organização de Sistemas de 2.4 ENTRADA / SAÍDA Impressoras -Impressoras monocromáticas - impressora matricial - impressoras de jato de tinta dpi (pontos por polegadas) - impressora a laser - Impressoras em cores - impressoras CYMK - impressora a janto de tinta (4 cartuchos) - impressora de tinta sólida - impressora a laser - impressora a cera - impressora por sublimação

79 Impressoras (1) (a) A letra A em uma matriz 5 x 7. (b) A letra A impressa com 24 agulhas sobrepostas.

80 Impressoras (2) Funcionamento de uma impressora a laser.

81 Impressoras (3) Pontos de meio-tom para várias faixas de escala de cinza. (a) 0 6. (b) (c) (d) (e) (f)

82 Organização de Sistemas de 2.4 ENTRADA / SAÍDA Equipamento de telecomunicações - Modens - modulação de amplitude - modulação de frequência - modulação de fase - full-duplex - half-duplex - DSL (Digital Subscriber Lines) - banda larga - Internet por cabo

83 Telecomunicações Transmissão, bit a bit, do número binário por uma linha telefônica. (a) Sinal de dois níveis. (b) Modulação de amplitude. (c) Modulação de freqüência. (d) Modulação de fase.

84 Linhas Digitais de Assinante (1) Operação do ADSL.

85 Linhas Digitais de Assinante (2) Configuração típica de equipamento ADSL.

86 Internet por Cabo (1) Alocação de freqüência em um sistema de TV a cabo usado para acesso à Internet.

87 Internet por Cabo (2) Detalhes típicos dos canais ascendentes e descendentes na América do Norte. QAM-64 (Modulação de amplitude em quadratura) permite 6 bits/hz, mas funciona somente em altas freqüências. QPSK (Modulação por chaveamento de fase em quadratura) funciona em baixas freqüências, mas permite apenas 2 bits/hz.

88 Organização de Sistemas de 2.4 ENTRADA / SAÍDA Câmeras digitais - JPEG (Joint Photographic Experts Group)

89 Câmeras Digitais

90 Organização de Sistemas de 2.4 ENTRADA / SAÍDA Códigos de caracteres - ASCII (American Standard Code for Information Interchange)

91 Conjunto de Caracteres ASCII (1) Conjunto de caracteres ASCII: caracteres 0 31.

92 Conjunto de Caracteres ASCII (2) Conjunto de caracteres ASCII: caracteres

93 Questionário: Organização de Sistemas de