Universidade Federal do Piauí Centro de Tecnologia Curso de Engenharia Elétrica. Prof. Marcos Zurita

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1 Universidade Federal do Piauí Centro de Tecnologia Curso de Engenharia Elétrica Arquiteturas de Computadores Prof. Marcos Zurita Teresina Arquiteturas de Computadores 2. CPU, Barramento e Programa 3. Níveis de Abstração 4. Memórias 5. Sistema de E/S 6. Noções de Desempenho Bibliografia 2

2 1. Arquiteturas de Computadores 3 Arquiteturas de Computadores O conceito de Arquitetura de um Computador refere-se à integração entre a estrutura física e a estrutura lógica de um computador. Pode-se dizer também que o termo refere-se aos atributos do sistema visíveis para o programador, tendo impacto direto sobre a execução lógica de um programa. De acordo com as unidades operacionais presentes num sistema computacional e a forma como elas são organizadas, pode-se classifica-los em: Máquinas Von Neumann Máquinas Não Von Neumann 4

3 Máquinas Von Neumann Caracterizam-se por: Composição a partir de 3 subsistemas básicos: CPU; Memória Principal; Sistema de Entrada e Saída (E/S). Conceito de programa armazenado; Execução sequencial de instruções; Um único caminho entre a unidade de controle e a memória. Memória endereço instruções/dados CPU ULA Regs Unidade de Controle Sistema de E/S 5 Ciclo de Von Neumann A execução de cada instrução numa máquina de Von Neumann obedece a um ciclo composto por 3 passos: Busca: a UC copia a instrução a ser executada da posição de memória apontada pelo registrador PC para o registrador IR (Instruction Register). Decodificação: a UC decodifica a instrução armazenada em IR, Buscar identificando o que deve ser executado pela CPU. Execução: a UC comanda a ULA para a execução da instrução decodificada e incrementa o reg. PC para a próxima instrução. Executar Decodificar 6

4 Máquinas Harvard São um tipo particular de máquinas Von Neumann. Conservam todas as características de uma máquina Von Neumann, porém, possuem vias separadas de acesso a dados e endereços entre a CPU e a Memória. A existência de acessos separados a programa e dados na memória permite que a CPU possa acessá-los simultaneamente, adiantando o ciclo de execução da instrução seguinte. Em contrapartida há um aumento na complexidade do sistema e na quantidade de conexões CPU - Memória. Sua implementação pode ser feita através de uma memória de porta dupla (dual port memory) ou através de memórias distintas para programa e dados. 7 Implementação através de memória de porta dupla: Memória endereço instruções endereço dados CPU ULA Regs Unidade de Controle Sistema de E/S Permite arbitrar a parcela da memória dedicada a programa e a parcela dedicada a dados; Memórias dual port são mais complexas e mais caras. 8

5 Implementação através de memórias distintas para programa e dados: Memória de Programa Memória de Dados endereço instruções endereço dados CPU ULA Regs Unidade de Controle Sistema de E/S Permite empregar memórias de tipos diferentes para programa e dados. Ex.: Flash e RAM; O tamanho do programa e dos dados é limitado pela dimensão de suas respectivas memórias (não é possível arbitrar suas parcelas entre o montante total disponível). 9 Caminho de dados de uma típica máquina de Von Neumann A + B Registrador de rascunho A B Registradores Registradores de entrada da ULA A B ULA A+B Registrador de saída da ULA 10

6 Máquinas Não Von Neumann São todos sistemas computacionais que diferem das características das máquinas Von Neumann. Ex.: Computadores Analógicos: operam sobre grandezas físicas não necessariamente discretizadas; Máquinas Paralelas: múltiplos processadores executando programas deforma cooperativa; Redes Neuroniais Artificiais: saídas geradas a partir do aprendizado da rede a estímulos externos. Não há um programa sendo executado; Máquinas de Fluxo de Dados: Não há execução de um programa. Realizam operações conforme os dados envolvidos são disponibilizados CPU, Barramento e Programa 12

7 CPU (UCP) Central Processor Unit - Unidade Central de Processamento. Constitui um dos 3 subsistemas básicos de um computador juntamente com a memória e o sistema de E/S. É responsável pela execução dos programas armazenados na memória. Composto a partir de 3 partes básicas: ULA: Unidade Lógica e Aritmética é responsável pela execução das principais operações lógicas e aritméticas da máquina. Registradores: são pequenas memórias de alta velocidade internas à CPU. UC: Unidade de Controle responsável por buscar as instruções na memória principal, decodifica-las e coordenar as demais partes para executa-la. 13 Programa É um conjunto sequencial de instruções armazenadas numa sequência de endereços da memória. A execução de um programa Instruções Endereços corresponde a execução sequencial de suas instruções; A sequência de execução das instruções é definida dinamicamente em tempo de execução. Existência de instruções de controle da sequência A 0B 0C 0D 0E 0F PC 14

8 Barramento É um conjunto de vias (fios) responsáveis pela interconexão de sistemas ou subsistemas. Podem ser externos à CPU, conectando, memória e dispositivos de E/S ou internos à ela, conectando seus componentes. Podem ser divididos em 3 categorias básicas: Barramento de dados Barramento de endereços Barramento de sinais de controle Níveis de Abstração 16

9 Níveis de Abstração Estabelecem o grau de detalhamento com que um dado sistema é descrito. Maior o nível de abstração: menor o nível de detalhamento (mais abstrata); descrição mais simples; compreensão mais simples. Menor o nível de abstração: maior o nível de detalhamento (menos abstrata); descrição mais complexa; compreensão mais difícil. 17 Ex.: Uma soma descrita em 5 níveis de abstração. Redução do nível de abstração

10 Computador É uma máquina eletrônica de lógica programável, representável por uma hierarquia de níveis de abstração. Nível 5 Nível 4 Nível das Linguagens Orientadas à Solução de Problemas Tradução (compilador) Nível da Linguagem Assembly Tradução (montador) Nível 3 Nível 2 Nível 1 Nível do Sistema Operacional Nível da Arquitetura do Conjunto de Instruções (ISA) Nível da Microarquitetura Interpretação parcial (Sistema Operacional) Interpretação (Microprograma) ou execução direta Hardware Nível 0 Nível da Lógica Digital 19 Nível 0: Lógica Digital Composto por componentes lógicos elementares tais como portas lógicas, registradores e barramentos. Seria possível definir ainda níveis de abstração abaixo desse nível, tal como o nível da malha de transistores ou o nível de leiaute, entretanto isso não convém a essa abordagem. Nível 1: Microarquitetura Neste nível o computador é descrito por meio de blocos funcionais (formados a partir de componentes lógicos elementares), tais como a ULA, a unidade de controle, o conjunto de registradores, etc. 20

11 Nível 2: Arquitetura do Conjunto de Instruções (ISA) A partir deste nível a máquina deixa de ser representada por componentes físicos (hardware) e passa a ser representada por um conjunto de instruções (software). O conjunto de instruções que compõem o nível ISA é denominado Linguagem de Máquina, puramente numérica. Nível 3: Sistema Operacional É um nível híbrido, isto é, parte das instruções deste nível também pertencem ao nível ISA. Além das instruções comuns ao nível ISA, este nível implementa instruções mais complexas tais como aquelas necessárias à execução simultânea de múltiplos programas. 21 Nível 4: Linguagem Assembly Trata-se do primeiro nível cuja linguagem é voltada para programadores de aplicação. Instruções deixam de ser puramente numéricas e passam a ser representadas por palavras ou abreviações próximas à linguagem humana. A execução de programas escritos nesse nível é feita através de sua tradução para os níveis 1, 2 ou 3, por uma ferramenta chamada Montador (Assembler). Nível 5: Linguagens Orientadas à Solução de Problemas Linguagens de alto nível tais como C, C++, Pascal, Java, etc. Execução de programas feita geralmente através de sua tradução para os níveis 3 ou 4, por um Compilador. 22

12 4. Memórias 23 Memória Conjunto de posições endereçáveis capaz de armazenar uma faixa limitada de valores em cada endereço. Bit: dígito binário (0 ou 1); Byte: conjunto de 8 bits; Palavra (word): conjunto de 2 ou mais bytes*. Memória MxN: Memória organizada em M endereços de N bits cada; Capacidade: M * N bits. M bits de endereço M -1 N bits... Valores de N bits 2 M endereços 24

13 Operação de Escrita: Recebe: endereço e dado; Entrega: nada. endereço dado M Operação de Leitura: Recebe: endereço; Entrega: dado. endereço M dado Qualquer circuito puramente combinacional de M entradas e N saídas pode ser substituído por uma memória MxN devidamente programada. 25 Classificação das Memórias: Tempo de retenção: Volátil: perde os dados armazenados ao ser desligada. Não volátil: retém os dados armazenados mesmo desligada; Forma de acesso: Sequencial: o endereço de leitura/escrita obedece sequência preestabelecida. Exs.: FIFO, LIFO (pilha), fitas magnéticas; Aleatório: a leitura/escrita pode ser feita acessado-se diretamente o endereço desejado. Ex.: Memória DDR; Tipo de acesso: Escrita e leitura: Exs.: Disco rígido, memória RAM, pen-drive; Somente leitura: Exs.: CD de música (original). 26

14 Tecnologia: Semicondutora Exs.: memória Flash (pen-drive), RAM; Magnética Exs.: Disco rígido, fita magnética; Óptica - Exs.: CD, DVD, Blue-Ray. Tipo de armazenamento: Estática: o dado é retido enquanto houver alimentação. Dinâmica: mesmo a memória permanecendo alimentada, os dados armazenados se corrompem passado um certo tempo após sua escrita (geralmente alguns nanossegundos). Necessidade de um sistema de refresh (leitura e reescrita periódica do seu conteúdo); 27 Registradores São pequenas memórias de alta velocidade, internas à CPU, dedicadas a armazenar valores temporários de uma instrução, bem como dados de controle necessários à sua execução. Sua implementação mais comum é através de um conjunto de flip-flops. Cada registrador pode ter um número arbitrário de bits, conforme sua função, podendo ser divido em partes. Registrador AX (16 bits) b 15 b 14 b 13 b 12 b 11 b 10 b 9 b 8 b 7 b 6 b 5 b 4 b 3 b 2 b 1 b 0 Registrador AH (8 bits) Registrador AL (8 bits) 28

15 Gargalo de Von Neumann Para uma mesma tecnologia, a velocidade com que a CPU pode operar é notavelmente superior à velocidade da memória principal. Consequentemente, o ciclo de execução de uma instrução será tanto mais rápido quanto menos acessos ela exigir à memória externa. Gargalo de Von Neumann: baixa limitação da taxa de transferência entre a memória principal e a CPU em relação à taxa com a qual a CPU é capaz de operar. Solução: reduzir o tráfego de dados CPU Memória Principal. 29 Memória Cache Uma das formas de se contornar o gargalo de Von Neumann é através do uso de memórias cache. Como a memória principal é lenta em relação à CPU, pode-se aumentar o desempenho do sistema fazendo com que a CPU acesse a memória principal indiretamente através de uma memória intermediária de maior velocidade. Memória Cache: memória rápida e pequena, intermediária entre a memória principal e os registradores. CPU ULA Regs Unidade de Controle Cache Memória Principal 30

16 Princípio da Localidade Referências à memória em curtos intervalos de tempo tendem a usar uma pequena fração da memória total. O processador mantém na cache as informações que (em função da localidade) mais provavelmente necessitará em seguida. O armazenamento em cache reduz o tempo médio de acesso à informação. Cache primária - interna ao processador. Cache secundária - externa ao processador. 31 Hierarquia de Memória Num computador, a memória é dividida em níveis hierárquicos: mais rápida mais cara menor capacidade Registradores Cache Memória Principal (RAM) mais lenta mais barata maior capacidade Memória Secundária (HD, CD, DVD, etc.) 32

17 5. Sistema de E/S 33

18 De maneira geral, os dispositivos de E/S são compostos por duas partes: Controladora: contém os circuitos necessários à comunicação com o barramento da CPU e boa parte dos circuitos de controle do periférico. Ex.: Placa de Vídeo; Periférico controlado: é dispositivo propriamente dito. Ex.: Monitor. 35 Comunicação de E/S Quanto ao tipo de comunicação entre a controladora e o periférico, pode-se classifica-la basicamente em 2 tipos: Paralela: todos os bits de um simbolo (byte, word, etc) são transmitidos simultaneamente. Ex.: ATA, PCI, IDE. Simplicidade; Elevada densidade de interconexões; Dificuldade de sincronização à altas taxas. Serial: os bits de um simbolo são transmitidos sequencialmente. Ex.: RS-232, USB, PS/2, SATA, FireWire. Baixa densidade de interconexões; Capaz de operar à altas taxas; Complexidade; 36

19 6. Noções de Desempenho 37 Noções de Desempenho Desempenho da CPU: MIPS: Milhões de Instruções Por Segundo; MFLOPS: Milhões de Operações em Ponto Flutuante Por Segundo. Vazão (throughput): é a taxa de transferência de dados ou de execução de ações por unidade de tempo. Latência: é o tempo que um dispositivo leva para fornecer uma resposta após uma solicitação ou estímulo. Bom Desempenho: Baixa latência e elevada vazão. 38

20 Andrew S. Tanenbaum, Organização Estruturada de Computadores, 5a Ed., Pearson, J. L. Hennessy & D. A. Patterson, Arquitetura de Computadores - Uma Abordagem Quantitativa, Editora Campus, Willians Stallings, Arquitetura e Organização de Computadores, 5ª Edição, Pearson, Albert Paul Malvino, Microcomputadores e Microprocessadores, McGraw-Hill, Herbert Taub, Circuitos Digitais e Microprocessadores, Mcgranw-Hill, Notas de aula do professor Ivan Saraiva, UFPI. 39