Introdução à Arquitetura de Computadores

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1 Introdução à Arquitetura de Computadores José Costa Introdução à Arquitetura de Computadores Departamento de Engenharia Informática (DEI) Instituto Superior Técnico José Costa (DEI/IST) Introdução à Arquitetura de Computadores 1

2 Estudar Arquitetura de Computadores? José Costa (DEI/IST) Introdução à Arquitetura de Computadores 2

3 O Computador José Costa (DEI/IST) Introdução à Arquitetura de Computadores 3

4 O Computador Por dentro José Costa (DEI/IST) Introdução à Arquitetura de Computadores 4

5 O Computador Mais perto José Costa (DEI/IST) Introdução à Arquitetura de Computadores 5

6 O CPU José Costa (DEI/IST) Introdução à Arquitetura de Computadores 6

7 Objetivos da Disciplina Os alunos deverão dominar os conceitos básicos e o funcionamento geral de um computador, a estrutura material que permite a execução de programas Deverão conseguir descrever o funcionamento dos elementos básicos, processador, sistema de memória e sistema de entradas e saídas, e sua interação Em particular, devem ser capazes de compreender a estrutura interna de um processador e o processo de execução das instruções José Costa (DEI/IST) Introdução à Arquitetura de Computadores 7

8 Bibliografia Principal Arquitectura de Computadores: dos Sistemas Digitais aos Microprocessadores, G. Arroz, J. Monteiro, A. Oliveira, 2009, IST Press, 2ª Edição, ISBN: Secundária Arquitectura de Computadores, J. Delgado, C. Ribeiro, 2010, FCA, 4ª Edição, ISBN: Logic and Computer Design Fundamentals, M. Mano, C. Kime, 2008, Prentice-Hall International, 4ª Edição, ISBN: José Costa (DEI/IST) Introdução à Arquitetura de Computadores 8

9 Professores Teóricas José Carlos Campos Costa Laboratórios José Carlos Campos Costa Alberto Manuel Ramos da Cunha Nuno Cavaco Gomes Horta Paulo Alexandre Crisóstomo Lopes José Costa (DEI/IST) Introdução à Arquitetura de Computadores 9

10 Horários de Dúvidas José Costa 5ª das 16h às 17h30 - Sala 2.01, Pavilhão Informática III 6ª das 15h às 16h30 - Sala 2.01, Pavilhão Informática III Alberto Cunha 3ª das 17h às 18h30 - Gab. 2, Pavilhão Informática II Nuno Horta 2ª das 9h30 às 11h - Torre Norte, 9º piso, sala 9.08 Paulo Lopes 4ª das 14h30 às 17h30, INESC-ID José Costa (DEI/IST) Introdução à Arquitetura de Computadores 10

11 Horários José Costa (DEI/IST) Introdução à Arquitetura de Computadores 11

12 Avaliação Projeto + laboratórios: 40% Nota mínima de 8,5 Testes: 60% Nota mínima de 7 em cada teste e 8,5 na média dos testes José Costa (DEI/IST) Introdução à Arquitetura de Computadores 12

13 Laboratórios 1 aula de exercícios Alunos que ainda não têm grupo podem ir a qualquer horário 6 trabalhos de laboratório Preparação dos trabalhos deve ser feita antes da aula de laboratório Aula serve para afinar respostas e mostrar ao docente Entrega de ficha preenchida no final da aula Restantes aulas para apoio ao projeto e avaliações Aulas de laboratório começam na semana de 29 de Setembro José Costa (DEI/IST) Introdução à Arquitetura de Computadores 13

14 Inscrição nos Laboratórios Grupos de 3 elementos Inscrição será via fenix Serão realizadas nas primeiras duas semanas de aulas Inscrições estarão abertas a partir de amanhã (às 8h00) No início da próxima semana serão permitidas inscrições de grupos de 2 (alunos individuais poderão nessa altura preencher os slots disponíveis) Meio da próxima semana serão permitidas inscrições individuais Na 3ª semana grupos serão compactados José Costa (DEI/IST) Introdução à Arquitetura de Computadores 14

15 Projeto Enunciado disponível: 20 de Outubro 1a entrega: Semana de 10 de Novembro durante a aula Entrega final: 5 de Dezembro por via eletrónica (fenix) Visualização: Semana de 8 de Dezembro durante a aula Discussões: Semana de 15 de Dezembro em horário a combinar com o docente José Costa (DEI/IST) Introdução à Arquitetura de Computadores 15

16 Testes 2 testes Datas 1º teste: 29 de Outubro às 18h00 2º teste: 16 de Janeiro às 08h00 Repescagens (1º, 2º teste ou os dois): 28 de Janeiro às 15h00 Bónus na nota final dos testes para quem não fizer repescagem José Costa (DEI/IST) Introdução à Arquitetura de Computadores 16

17 Planeamento (1/3) José Costa (DEI/IST) Introdução à Arquitetura de Computadores 17

20 Arquitetura de Um Computador (1/2) Computador Sistema digital programável através de uma sequência de instruções guardadas em memória. Elemento crucial num computador é a sua unidade central de processamento, ou processador. José Costa (DEI/IST) Introdução à Arquitetura de Computadores 20

21 Arquitetura de Um Computador (2/2) Processador Sistema digital constituído por um circuito de dados e um circuito de controlo. José Costa (DEI/IST) Introdução à Arquitetura de Computadores 21

22 Charles Babbage ( ) Charles Babbage projetou o primeiro computador mecânico capaz de desempenhar automaticamente sequências de operações Computador conhecido como o difference engine usava apenas elementos mecânicos podia ser programado para construir tabelas matemáticas José Costa (DEI/IST) Introdução à Arquitetura de Computadores 22

23 Sistemas Eletro-Mecânicos Primeiro computador completamente automático foi construído em 1944 Harvard Mark I 18 por 2,5 metros 5 toneladas, partes e centenas de kilometros de cabos 9 bytes de memória 3 segundos para fazer adição ou subtração 1º bug da história José Costa (DEI/IST) Introdução à Arquitetura de Computadores 23

24 Computadores Eletrónicos Digitais ENIAC (1946) José Costa (DEI/IST) Introdução à Arquitetura de Computadores 24

25 Computadores de Primeira Geração ( ) Estes computadores a válvulas ficaram conhecidos como computadores de primeira geração O uso de válvulas impunha limites problemas de fiabilidade problemas de tamanho Ocupavam tipicamente uma sala de grandes dimensões Podiam funcionar continuamente apenas durante poucas horas válvulas falhavam com muita frequência José Costa (DEI/IST) Introdução à Arquitetura de Computadores 25

26 Computadores de Segunda Geração ( ) Baseados em transistores Discos magnéticos para guardar informação Memórias baseadas em ferrites José Costa (DEI/IST) Introdução à Arquitetura de Computadores 26

27 Computadores de Terceira Geração ( ) Baseada em circuitos integrados Permitiu redução no tamanho dos computadores Um dos computadores com mais sucesso foi o IBM/360 Permitiu criar uma série de famílias que executavam o mesmo conjunto de instruções Maior reutilização do esforço do programador José Costa (DEI/IST) Introdução à Arquitetura de Computadores 27

28 Computadores de Quarta Geração (1975 -) Baseados em circuitos integrados com grande escala de integração (VLSI - Very Large Scale Integration) Processador contido num só circuito integrado Fez baixar o preço e permitir o uso pessoal Primeiro processador: 4004 da Intel Primeiro computador: baseado no 8080 da Intel IBM definiu o modelo padrão para o computador pessoal baseado no processador 8088 arquitetura ainda hoje é a mais usada em PCs José Costa (DEI/IST) Introdução80286, à Arquitetura 80386, de Computadores 80486, Pentium, Pentium II, 28

29 Computadores de Quinta Geração Baseados em Inteligência Artificial Podem entender linguagem falada Podem imitar o raciocinio humano Podem responder ao que o rodeia José Costa (DEI/IST) Introdução à Arquitetura de Computadores 29

30 Tipos de Computadores Computadores pessoais Servidores Sistemas embebidos José Costa (DEI/IST) Introdução à Arquitetura de Computadores 30

31 Computadores Pessoais Tipicamente quando falamos de computadores estamos a falar deste tipo Otimizado para processamento de Texto, Som, Imagens, Vídeo, Jogos Dispositivos de entrada e saída Teclado, Rato, Monitor, Impressora e muitos outros Fator mais importante: Custo José Costa (DEI/IST) Introdução à Arquitetura de Computadores 31

32 Servidores (1/2) Processam grande quantidade de dados Têm tipicamente um teclado e um monitor para permitir configuração local do servidor Centro de Dados Grandes salas com muitos servidores Controlo rigoroso de temperatura, humidade Controlos de segurança física Sistemas redundantes de geração de energia Fator mais importante: desempenho para as aplicações a que se destina José Costa (DEI/IST) Introdução à Arquitetura de Computadores 32

33 Servidores (2/2) Supercomputadores José Costa (DEI/IST) Introdução à Arquitetura de Computadores 33

34 Sistemas Embebidos São computadores embebidos noutros sistemas, que controlam e monitorizam. Estima-se que 95% dos computadores existentes sejam deste tipo Têm dispositivos de entrada e saída de dados específicos da aplicação a que se destinam Fatores mais importantes: custo, consumo de energia e tamanho José Costa (DEI/IST) Introdução à Arquitetura de Computadores 34

35 Tipos de Processadores (1/2) Na classe dos computadores pessoais o dominio é dos processadores da Intel Arquitetura padrão do 8088 usado pela IBM Na classe dos servidores Elevada capacidade para explorar paralelismo Maior largura da palavra de dados utilizada Itanium da Intel, UltraSPARC da Sun, MIPS64 da MIPS Na classe dos sistemas embebidos Grande variedade com características muito diferentes entre si Intel, FreeScale, Microchip, Transmeta José Costa (DEI/IST) Introdução à Arquitetura de Computadores 35

36 Tipos de Processadores (2/2) Microcontroladores Computador num único circuito integrado Inclui processador, memória e meios de comunicação com o exterior 8051 da Intel Processadores de sinal Extremamente eficientes em aplicações de processamento de sinal Usados em telefones e televisões Freescale, Texas Instruments José Costa (DEI/IST) Introdução à Arquitetura de Computadores 36

37 Organização Interna de Um Computador Computador é programável através de uma sequência de instruções guardadas em memória As instruções especificam qual a sequência de operações de manipulação de dados que deve ser executada Cada instrução especifica, de forma única, qual a operação que deve ser executada e quais os operandos aos quais a mesma deve ser aplicada Exemplo conteúdo da posição 10FAh da memória deve ser somado ao conteúdo do registo R3, devendo o resultado ser guardado na mesma posição de memória, 10FAh José Costa (DEI/IST) Introdução à Arquitetura de Computadores 37

38 Unidade Central de Processamento Capacidade para executar um conjunto de instruções Tem um certo número características comuns de processador para processador Contém circuitos combinatórios que permitem efetuar operações lógicas e aritméticas registos que permitem guardar os dados e resultados das operações José Costa (DEI/IST) Introdução à Arquitetura de Computadores 38

39 Instruções São guardadas sequencialmente em memória Em geral são executadas pela ordem em que se encontram Existem instruções que alteram essa ordem Instruções de salto Instrução poderá especificar que a próxima instrução a executada é a instrução na posição de memória AAF0h. José Costa (DEI/IST) Introdução à Arquitetura de Computadores 39

40 Memória UNIDADE CENTRAL DE PROCESSAMENTO ENDEREÇOS E CONTROLO DADOS MEMÓRIA José Costa (DEI/IST) Introdução à Arquitetura de Computadores 40

41 Fases de Execução de Uma Instrução 1 UCP envia endereço da próxima instrução para a memória e recebe palavra com a instrução a executar 2 UCP descodifica instrução identificando quais os operandos e qual o tipo de operação 3 UCP carrega os operandos - podem estar na memória ou nos registos 4 UCP executa a operação 5 UCP escreve resultado - em memória ou nos registos José Costa (DEI/IST) Introdução à Arquitetura de Computadores 41

42 Alternativas Processadores modernos são extremamente complexos e usam diferentes técnicas para acelerar a velocidade de processamento Algumas diferenças Podem ser necessários vários acessos à memória para obter ou guardar os operandos Instruções podem ser executadas em paralelo José Costa (DEI/IST) Introdução à Arquitetura de Computadores 42

43 Estrutura Interna de Um Processador Unidade de Processamento Unidade de Controlo Palavra de Controlo Bits de Estado Banco de Registos ULA PC IR Barramento de Endereços Barramento de Dados José Costa (DEI/IST) Introdução à Arquitetura de Computadores 43

44 Registos Especiais Contador de Programa (PC) Indica qual a instrução que está a ser executada a cada momento É um endereço de memória Registo de Instrução (IR) Contém a instrução que está a ser executada Determina a sequência de operações que serão executadas José Costa (DEI/IST) Introdução à Arquitetura de Computadores 44

45 Interação com o Exterior Para comunicar com os utilizadores, o computador usa diversos dispositivos periféricos teclados, ratos, monitores, impressoras discos, fitas magnéticas, interfaces de rede Dispositivos encontram-se ligados a portos de entrada/saída Os portos de entrada/saída controlam estes periféricos usando um protocolo que varia de periférico para periférico Protocolo Conjunto de regras que permitem a transferência correta de informação entre diferentes entidades José Costa (DEI/IST) Introdução à Arquitetura de Computadores 45

46 Acesso aos Dispositivos UNIDADE CENTRAL DE PROCESSAMENTO ENDEREÇOS E CONTROLO MEMÒRIA PORTO SÉRIE DADOS PORTO PARALELO PLACA GRÁFICA José Costa (DEI/IST) Introdução à Arquitetura de Computadores 46

47 Tratamento de Dados Diferentes periféricos tratam os dados diferentemente Porto série, os dados são enviados em série que depois serão interpretados pelo periférico Placa gráfica interpreta os dados como comandos para desenhar pontos no monitor Controlador de disco escreve os dados recebidos em localizações específicas do disco magnético José Costa (DEI/IST) Introdução à Arquitetura de Computadores 47

48 Níveis de Abstração de Um Computador NÍVEL 5 APLICAÇÃO NÍVEL 4 NÍVEL 3 NÍVEL 2 NÍVEL 1 NÍVEL 0 PROGRAMA EM LINGUAGEM DE ALTO NÍVEL PROGRAMA EM LINGUAGEM ASSEMBLY PROGRAMA EM LINGUAGEM MÁQUINA MICRO PROGRAMA EM LINGUAGEM DE TRANSFERÊNCIA DE REGISTOS SISTEMA DIGITAL PROGRAMADOR COMPILADOR ASSEMBLER PROJECTISTAS DO PROCESSADOR PROJECTISTAS DE SISTEMAS DIGITAIS José Costa (DEI/IST) Introdução à Arquitetura de Computadores 48

49 Sumário Perspetiva Histórica Tipos de Computadores Tipos de Processadores Organização Interna de Um Computador Estrutura Interna de Um Processador Interação com o Exterior Níveis de Abstração de Um Computador José Costa (DEI/IST) Introdução à Arquitetura de Computadores 49

50 Referências Arquitectura de Computadores: dos Sistemas Digitais aos Microprocessadores, G. Arroz, J. Monteiro, A. Oliveira, Secções 9.1 a 9.7 José Costa (DEI/IST) Introdução à Arquitetura de Computadores 50

51 Próxima Aula Representação Digital da Informação José Costa (DEI/IST) Introdução à Arquitetura de Computadores 51