Introdução à Computação: Arquitetura von Neumann

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1 Introdução à Computação: Arquitetura von Neumann Beatriz F. M. Souza Computer Science Department Federal University of Espírito Santo (Ufes), Vitória, ES Brazil 1

2 Máquinas Multiníveis Revisão Aula Passada Máquinas Multiníveis Parte 3: Nível 3; Nível 4; Nível 5; Compiladores, Assemblers, Linkers e Loaders; Execução de um Programa. ;Soma 2 números - ASM MOV EAX,39 ;39 = 57 ADD EAX,0FA ;0FA = 250 ;Resultado: EAX = 133 ;133 = 307 2

3 Arquitetura von Neumann Introdução John von Neumann: Construiu em 1952 o computador IAS (Institute for Advanced Study Princeton, USA); Programa Armazenado: Programas e dados representados de forma digital em memória (esse mesmo projeto foi usado no EDSAC); Mais flexibilidade e rapidez (ao invés de chaves e cabos); Processamento baseado em aritmética binária, ao invés de decimal; Formalizou o projeto lógico de um computador. 3

4 Arquitetura von Neumann Máquina Máquina de von Neumann: Base de praticamente todas as máquinas atuais; Componentes: Memória; Unidade de Controle (UC); Unidade Lógica e Aritmética (ULA) Aritimetic and Logic Unit (ALU); Dispositivos de entrada/saída (E/S) input/output (I/O). 4

5 Arquitetura von Neumann Máquina Máquina de von Neumann Componentes: Unidade de Controle de Programa: Ou somente Unidade de Controle (UC); Determina a sequência das instruções a serem executadas; Gera os sinais de controle para as outras unidades; Memória: 4096 palavras de 40 bits (2 instruções de 20 bits ou um inteiro); Instrução: 8 bits para indicar o tipo, 12 bits para endereçar a memória; Unidade Lógica e Aritmética (ULA): Execução das instruções (operações lógicas e aritméticas); Acumulador: registrador especial de 40 bits utilizado para armazenar um operando e/ou um resultado fornecido pela ULA; Dispositivos de Entrada e Saída: Comunicação externa. 5

6 Arquitetura von Neumann Máquina Máquina de von Neumann Ciclo de execução: Busca Decodificação Execução. 6

7 Arquitetura von Neumann Máquina Máquina de von Neumann Ciclo de execução: Busca: A instrução é lida da memória; Decodificação: Determina-se a instrução a ser executada, geralmente usase lógica combinacional para esta tarefa; Execução: Para cada tipo de instrução é realizada sua execução, conforme o necessário. 7

8 Arquitetura von Neumann Conceitos Máquina de von Neumann Conceitos Importantes: Registradores: Estruturas de memória interna da CPU, especializadas para funções específicas; Podem armazenar endereços de memória com função específica ou dados temporários; OP Code: Conjunto de instruções com formatação e funções específicas, de acordo com a arquitetura da máquina. 8

9 Arquitetura von Neumann Conceitos Máquina de von Neumann Conceitos Importantes: Relógio (Clock): Referência de tempo necessária à CPU; Um circuito eletrônico oscilador gera uma onda quadrada, essencial para o sequenciamento das operações realizadas pela CPU; Está relacionado com a frequência (taxa) de operação do processador; Interrupções: Sinais de controle externos, usados para reconhecimento de ações externas, por parte da CPU; Geralmente são disparados por dispositivos de E/S (teclado, impressora, etc.). 9

10 Arquitetura von Neumann Conceitos Máquina de von Neumann Conceitos Importantes: Endereçamento: As informações na memória são localizadas por meio de sua posição; Cada posição da memória possui um endereço de localização; Instruções e dados: Armazenados em memória, cada qual em seu espaço de endereçamento específico; Instruções executadas sequencialmente, exceto em casos especiais (saltos ou sub-rotinas); Barramento (Bus): Estrutura para transporte das informações (dados, instruções ou sinais de controle). 10

11 Arquitetura von Neumann Gargalo Gargalo de von Neumann: Tráfego intenso no barramento do sistema: Principal rota de informação: entre CPU e memória (ponto crítico); Constante fluxo de dados e instruções; Gera desperdício de tempo (CPU em espera); Agrava-se gradativamente pelo aumento do gap de velocidade entre a memória principal e a CPU. 11

12 Arquitetura de Harvard Introdução Arquitetura de Harvard: É uma variação da arquitetura de von Neumann; Barramentos são separados para instruções e dados; Memórias separadas para dados e instruções O termo Harvard foi originado dos computadores Mark I a Mark IV devido à Universidade de Harvard onde foram desenvolvidos. 12

13 Arquitetura de Harvard Introdução Arquitetura de Harvard: 13

14 Arquitetura von Neumann versus Harvard von Neumann X Harvard von Neumann: Processa uma informação por vez; Dados e instruções trafegam no mesmo barramento; Mais simples, porém mais lenta; Harvard: Dados e instruções trafegam em barramentos separados; Componentes internos dispostos em locais distintos; Mais rápida, porém mais complexa. 14

15 Arquitetura não-von Neumann Introdução Máquinas não-von Neumann outras arquiteturas: É qualquer máquina que não se enquadra nas características definidas por von Neumann; Máquinas paralelas: Máquinas com várias unidades de processamento (CPUs) executando programas de forma cooperativa, com controle centralizado ou não; Máquinas de fluxo de dados: Máquinas que não executam instruções de um programa, mas realizam operações de acordo com a disponibilidade dos dados envolvidos; 15

16 Arquitetura não-von Neumann Introdução Máquinas não-von Neumann outras arquiteturas: Redes neurais artificiais: Também não executam instruções de um programa, trabalhando com um modelo onde os resultados são gerados a partir de respostas a estímulos de entrada; Processadores sistólicos (VLSI): O processamento ocorre pela passagem de dados por arranjo de células de processamento executando operações básicas, organizadas de forma a gerar o resultado desejado; 16

17 Lei de Moore (19/04/1965) Gordon E. Moore, publicou em 19 de abril de 1965 pela Eletronic Magazine, a Lei de Moore: Exatamente a 50 anos. O número de transistores dobra, em média, a cada 18 meses, mantendo o mesmo (ou menor) custo e o mesmo espaço. 17

18 Lei de Moore (19/04/1965) 18

19 Lei de Moore (19/04/1965) Análise: A aplicação do excerto dessa lei vai muito além do número de transistores: O processamento de informações pelos chips também aumenta em 100%; Isso significa dizer que a tecnologia fica duplamente mais eficiente a cada geração. Importância: Porque explica a velocidade da evolução tecnológica e as grandes mudanças na maneira em que vivemos. 19

20 Lei de Moore (19/04/1965) Reflexos: Rápido crescimento da capacidade de processamento dos computadores, miniaturização e redução de custos; Flop/s: operações em ponto flutuante por segundo (Floating point operations per second). 20

21 Lei de Moore (19/04/1965) Reflexos: 21

22 Arquitetura von Neumann Próxima Aula Arquitetura von Neumann: Para a próxima aula: Componentes. Continuaremos na próxima aula! Até breve. 22

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