Organização e Arquitetura de Computadores I. Introdução. Ivan Saraiva Silva Leonardo Casillo

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1 Organização e Arquitetura de Computadores I Introdução Ivan Saraiva Silva Leonardo Casillo

2 Sumário Introdução Bibliografia Recomendada O que é um computador Organização de um Computador Modelo de Von Neumann IAS Máquina de Von Neuman Memória Execução de instruções Gargalo de Von Neumann Noções de Desempenho

3 Introdução Plano de aula Avaliações Três provas e um projeto Uso da linguagem VHDL Fórum de Estudantes 2004 Design Contest

4 Bibliografia Recomendada Arquitetura e Organização de Computadores - Quinta Edição - William Stallings - Prentice Hall Organização estruturada de computadores, quarta edição, Andrew S. Tanenbaum Computer Organization & Design: The Hardware/Software Interface - David A. Patterson, John L. Hennessy - Morgan Kaufmann Analysis and Design of Digital Systems with VHDL - Allen Dewey - PWS Publishing Company

5 O que é um Computador Um computador é uma máquina eletrônica lógica Programável Programa Instruções Representável por uma hierarquia de níveis de abstração (Tanenbaum) Microeletrônica (mais baixo) Sistema Operacional (mais alto)

6 Níveis de Abstração Linguagem Linguagens orientada de alto a problemas nível Linguagem de Assembly Montágem Gerencia de sistema e interface Sistema Operacional de usuário Máquina Conjunto Convencional de instruções Interpretador Microprogramação em firware Unidades lógicas combinacionais e Lógica Digital sequenciais Caracteristicas físicas, malha de Microeletrônica transistores

7 Organização de um Computador Modelo de Von Neumann (1945) Concito de programa armazenado Separação da Unidade Aritmética e de Controle Utilização de barramentos e registradores Hardware de entrada e saída (I/O) UCP Memória I/O

8 Modelo de Von Neumann Controle Aritmética Controle de Execução Execução de Operações Memória I/O Instruções e Dados

9 Modelo de Von Neumann Bloco de controle operação Bloco operacional CPU endereços instruções Memória dados dados

10 Modelo de Von Neumann Memória: Conjunto de posições/locações endereçáveis Palavras: Posição/locação da memória. Contém dados e instruções. Palavra: Unidade básica de transferência de/para memória. Palavras são localizadas através de um endereço Dados, instruções e endereços são codificados em binário

11 Modelo de Von Neumann Programa é uma seqüência de instruções, colocadas numa seqüência de endereços A execução de um programa corresponde à execução seqüencial de suas instruções A seqüência das instruções é definida de forma dinâmica em tempo de execução Existência de instruções de controle de fluxo

12 IAS Máquina de Von Neumann Unidade Central de Processamento Unidade Lógica e Aritmética Acumulador MQ Circuitos de Lógica e Aritmética Hardware de Entrada e Saída MBR Dados e Instruções Memória Principal IBR IR PC Circuitos de Controle MAR Unidade de Controle Endereço

13 IAS Máquina de Von Neumann Unidade Central de Processamento Unidade Lógica e Aritmética Acumulador MQ Circuitos de Lógica e Aritmética Hardware de Entrada e Saída MBR Dados e Instruções Memória Principal IBR IR PC Circuitos de Controle MAR Unidade de Controle Endereço

14 Conceitos e Convenções Registradores: Posições de memória internas a UCP. Dedicados e de Uso Geral Barramento: Via de comunicação Dados e Instruções, Endereços e Controle Comunicação Síncrona e Assincrona

15 Memória Em um computador geralmente existe uma hierarquia de memória. Cada nível da hierarquia é dividido em palavras de N bits cada A palavra é a unidade básica de transferência entre a UCP e a memória. Uma memória com 2 M palavras necessita de M bits de endereço

16 Memória M Bits Endereço N Bits Posição 0 Posição 2 M M posições N Bits

17 Execução de Instruções busca da próxima instrução na memória manda endereço, volta instrução decodificação da instrução interpreta código da instrução se a instrução precisa de dados (na memória) manda endereço, busca dado execução da instrução executa ações específicas para cada instrução

18 Execução de Instruções BC MEM BC MEM BC MEM BC BO BC BO endereço instrução instrução endereço operando 1 operando 1 endereço operando 2 operando 2 ordem de execução executa soma endereço resultado resultado MEM BC MEM BO MEM BO BO MEM MEM Bloco Controle endereço instrução operação Memória Bloco Operativa dados dados

19 Gargalo de Von Neuman Refere-se ao tráfego no barramento vai endereço da instrução volta instrução vão endereços dos operandos vão e voltam operandos Para eliminar gargalo: diminuir tráfego de informações manter informações na CPU diminuir tamanho em bits das informações transferidas Inclusão de registradores

20 Noções de Desempenho Ciclo de relógio (clock): intervalos básicos de tempo nos quais são executadas as operações elementares de uma instrução transferências de valores entre registradores operações aritméticas na ALU Período do relógio (T): Tempo de duração de um ciclo do relógio Freqüência do relógio (f): Freqüência de repetição de ciclos de clock por unidade de tempo Exemplo: Se o período do relógio é de T = 4 ns = 4x10-9 f = 1/T = 1/4x10-9 = 250 MHz

21 Isto significa que? Para um período de T=4ns a máquina pode executar 250 milhões de operações elementares As operações elementares são executadas de forma síncrona com o relógio O desempenho da máquina e proporcional a: nº ciclos x período = nº ciclos freqüência Circuito Seqüencial Circuito Combinatório T Relógio

22 Noções de Desempenho Tempo de UCP de execução de um programa pode se dividido em tempo do usuário e tempo do sistema tempo de usuário execução de instruções do programa do usuário tempo de sistema tarefas do S.O. necessárias para a execução do programa do usuário Além do tempo UCP há o tempo de resposta (ou tempo relógio real) que inclui: acessos a disco, atividades de I/O overhead do sistema operacional