Arquitectura de Computadores
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- Aurélio Domingues Figueiredo
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1 Arquitectura de Computadores José Monteiro Licenciatura em Engenharia Informática e de Computadores Departamento de Engenharia Informática (DEI) Instituto Superior Técnico 2 de Março, 2009 José Monteiro (DEI / IST) Arquitectura de Computadores / 47
2 Porquˆe Estudar Arquitectura de Computadores Acabou a boleia para os programadores... Jos e Monteiro (DEI / IST) Arquitectura de Computadores / 47
3 Objectivos da Disciplina Fornecer conhecimentos nos seguintes tópicos: Princípios gerais da arquitectura de um computador Arquitectura interna de um microprocessador Programação de um microprocessador Hierarquia de memória Sistema de entradas e saídas José Monteiro (DEI / IST) Arquitectura de Computadores / 47
4 Posicionamento da Disciplina Compiladores 4º Semestre Sistemas Operativos 3º Semestre Arquitectura de Computadores Introdução aos Algoritmos e Estruturas de Dados 2º Semestre Sistemas Digitais Fundamentos da Programação 1º Semestre José Monteiro (DEI / IST) Arquitectura de Computadores / 47
5 Organização da Disciplina Aulas Teóricas 2 aulas/semana, de hora e meia cada Segundas, 9h00-10h30 ou 10h30-12h00, PA1 Quintas, 10h00-11h30 ou 11h30-13h00, GA1 Aulas Práticas (laboratório ou exercícios) 1 aula/semana, de hora e meia cada Frequência obrigatória! Processo de inscrição descrito à frente. Começam para na próxima semana, dia 9 de Março. José Monteiro (DEI / IST) Arquitectura de Computadores / 47
6 Professores Teóricas: Práticas: José Monteiro - Responsável jose.monteiro@inesc-id.pt Aula de dúvidas: Segundas 12h00 e Quintas 13h00, sala de dúvidas do DEI Renato Nunes renato.nunes@inesc-id.pt Nuno Roma nuno.roma@inesc-id.pt José Costa jose.costa@inesc-id.pt Carlos Sampaio carlosbourasampaio@gmail.com Aulas de dúvidas decorrem durante os turnos de laboratório. José Monteiro (DEI / IST) Arquitectura de Computadores / 47
7 Avaliação 3 componentes de avaliação: Peso Data Laboratório 40% 1 a 5 de Junho 1o teste 30% 20 de Abril, 18h 2o teste 30% 9 de Junho, 18h repescagem 30 de Junho, 9h José Monteiro (DEI / IST) Arquitectura de Computadores / 47
8 Avaliação 3 componentes de avaliação: Notas mínimas: Peso Data Laboratório 40% 1 a 5 de Junho 1o teste 30% 20 de Abril, 18h 2o teste 30% 9 de Junho, 18h repescagem 8,5 valores para laboratório 7 valores para cada teste 8,5 para a média dos testes 30 de Junho, 9h José Monteiro (DEI / IST) Arquitectura de Computadores / 47
9 Avaliação 3 componentes de avaliação: Notas mínimas: Peso Data Laboratório 40% 1 a 5 de Junho 1o teste 30% 20 de Abril, 18h 2o teste 30% 9 de Junho, 18h repescagem 8,5 valores para laboratório 7 valores para cada teste 8,5 para a média dos testes 30 de Junho, 9h Poderão fazer a repescagem de um dos testes. No entanto, é atribuído um bónus a quem não se inscrever para o teste de repescagem. José Monteiro (DEI / IST) Arquitectura de Computadores / 47
10 Laboratório Consiste em: 6 trabalhos de laboratório o relatório de cada trabalho será entregue no fim da sessão de laboratório em que se realizou o trabalho para que isso, os alunos deverão preparar os trabalhos previamente um projecto, a apresentar em duas fases 1a parte: 20 a 24 de Abril 2a parte: 18 a 22 de Maio A nota de laboratório é individual, definida na discussão no final do semestre. Repententes: são válidas as notas de laboratório dos 2 últimos anos. José Monteiro (DEI / IST) Arquitectura de Computadores / 47
11 Turnos de Laboratório José Monteiro (DEI / IST) Arquitectura de Computadores / 47
12 Inscrições Laboratório Laboratórios funcionam com 6 grupos de 3 elementos. Inscrições pelo Fenix, com o seguinte calendário: 3a feira, dia 3, às 8h: inscrições abertas para grupos completos 4a feira, dia 4, às 9h: inscrições abertas para grupos de 2 ou mais 5a feira, dia 5, às 9h: inscrições abertas sem restrições Nota: podem inscrever-se em qualquer turno, não vamos ligar à turma. Repetentes com nota: a inscrição no laboratório implica a perda da nota. José Monteiro (DEI / IST) Arquitectura de Computadores / 47
13 Bibliografia Arquitectura de Computadores: dos sistemas digitais aos microprocessadores Guilherme Arroz, José Monteiro, Arlindo Oliveira IST Press 2007 José Monteiro (DEI / IST) Arquitectura de Computadores / 47
14 Programa Aula Tema Bibliografia AMO I. Arquitectura de Computadores 1 Apresentação da cadeira; Introdução à Arquitectura de Computadores 9.1 a Instruções Assembly 9.7 e 9.8, 10.1 a Modos de Endereçamento 1.4, 10.3 e 10.4 II. Instruções Assembly 4 Operandos Aritméticos 5.2, 5.5 e Instruções de Controlo e Interrupção ISA do P e Técnicas de Programação em Assembly 11.1 e 11.2 III. Programação Assembly 8 Exemplo de Programação em Assembly 11.3 e Geração do Código Objecto 10.7 e Estrutura de um Processador 8.1 a 8.3, Circuito de Dados de um Processador 5.1 a 5.3, IV. Estrutura de um Processador 12 Unidades Lógica e de Deslocamento Unidade de Controlo 7.2.1, 7.2.3, Controlo Microprogramado Organização Interna do P3: Circuito de Dados 12.1 V. Projecto de um Processador 16 Organização Interna do P3: Unidade de Controlo 12.2 e Organização Interna do P3: Microprogramação 12.2 e Sistemas de Memória, Memória Cache 6.8, 13.1 a 13.3 VI. Sistema de Memória 19 Memória Cache Memórias Cache: políticas de substituição e escrita Memória Virtual Espaços de Endereçamento: Memória e Entradas/Saídas 14.1 e 14.3 VII. Sistema de Entradas/Saídas 23 Modos de Transferência de Dados 14.4 e DMA e Processadores IO 14.6 VIII. Arquitecturas Avançadas 25 Arquitecturas Avançadas de Processadores 15 José Monteiro (DEI / IST) Arquitectura de Computadores / 47
15 Planeamento Semana Dia Mês Teóricas Laboratório Mar Mar 1 4-Mar Inscrições 5-Mar Mar 9-Mar 3 3 1º Trabalho 10/Mar 1º Trabalho 2 11/Mar 1º Trabalho 12/Mar 4 4 1º Trabalho 13/Mar 1º Trabalho 16/Mar 5 5 2º Trabalho 17/Mar 2º Trabalho 3 18/Mar 2º Trabalho 19/Mar 6 6 2º Trabalho 20/Mar 2º Trabalho 23-Mar 7 7 3º Trabalho 24/Mar 3º Trabalho 4 25/Mar 3º Trabalho 26/Mar 8 8 3º Trabalho 27/Mar 3º Trabalho 30-Mar 9 9 4º Trabalho 31/Mar 4º Trabalho 5 1/Apr 4º Trabalho 2/Apr º Trabalho 3/Apr 4º Trabalho 6-Apr Exercícios 7/Apr Exercícios 6 8/Apr Exercícios 9/Apr 10/Apr 13-Apr Férias PÁSCOA 14/Apr 7 15/Apr 16/Apr Exercícios 17/Apr Exercícios 20/Apr Projecto (1ª parte) 1º TESTE 21/Apr Projecto (1ª parte) 8 22/Apr Projecto (1ª parte) 23/Apr Projecto (1ª parte) 24/Apr Projecto (1ª parte) José Monteiro (DEI / IST) Arquitectura de Computadores / 47
16 Planeamento Semana Dia Mês Teóricas Laboratório Apr º Trabalho 28/Apr 5º Trabalho 9 29/Apr 5º Trabalho 30/Apr º Trabalho 1/May FERIADO 4-May º Trabalho 5/May 6º Trabalho 10 6/May 6º Trabalho 7/May º Trabalho 8/May 5º Trabalho 11-May Projecto (2ª parte) 12/May Projecto (2ª parte) 11 13/May Projecto (2ª parte) 14/May Projecto (2ª parte) 15/May 6º Trabalho 18/May Projecto (2ª parte) 19/May Projecto (2ª parte) 12 20/May Projecto (2ª parte) 21/May Projecto (2ª parte) 22/May Projecto (2ª parte) 25-May Exercícios 26/May Exercícios 13 27/May Exercícios 28/May Exercícios 29/May Exercícios 1-Jun /Jun 14 3/Jun Discussões 4/Jun /Jun 8-Jun /Jun 15 10/Jun FERIADO 11/Jun FERIADO 12/Jun 2º TESTE José Monteiro (DEI / IST) Arquitectura de Computadores / 47
17 Página Web Toda esta informação, e outra que surja, está disponível na página da disciplina: José Monteiro (DEI / IST) Arquitectura de Computadores / 47
18 Marcos na Evolução dos Computadores Data Autor Sistema 3000AC Babilónia Abaco. José Monteiro (DEI / IST) Arquitectura de Computadores / 47
19 Abaco José Monteiro (DEI / IST) Arquitectura de Computadores / 47
20 Marcos na Evolução dos Computadores Data Autor Sistema 3000AC Babilónia Abaco Blaise Pascal Somador mecânico. José Monteiro (DEI / IST) Arquitectura de Computadores / 47
21 Somador Mecânico José Monteiro (DEI / IST) Arquitectura de Computadores / 47
22 Marcos na Evolução dos Computadores Data Autor Sistema 3000AC Babilónia Abaco Blaise Pascal Somador mecânico Gottfried Leibniz Multiplicador mecânico. José Monteiro (DEI / IST) Arquitectura de Computadores / 47
23 Marcos na Evolução dos Computadores Data Autor Sistema 3000AC Babilónia Abaco Blaise Pascal Somador mecânico Gottfried Leibniz Multiplicador mecânico J-M Jacquard Máquina de tecer com padrões controlados por cartões perfurados. José Monteiro (DEI / IST) Arquitectura de Computadores / 47
24 Máquina de Tecer Automática José Monteiro (DEI / IST) Arquitectura de Computadores / 47
25 Cartão Perfurado José Monteiro (DEI / IST) Arquitectura de Computadores / 47
26 Marcos na Evolução dos Computadores Data Autor Sistema 3000AC Babilónia Abaco Blaise Pascal Somador mecânico Gottfried Leibniz Multiplicador mecânico J-M Jacquard Máquina de tecer com padrões controlados por cartões perfurados Charles Babbage Analytical Engine: base dos computadores modernos. José Monteiro (DEI / IST) Arquitectura de Computadores / 47
27 Analytical Engine José Monteiro (DEI / IST) Arquitectura de Computadores / 47
28 Marcos na Evolução dos Computadores Data Autor Sistema 3000AC Babilónia Abaco Blaise Pascal Somador mecânico Gottfried Leibniz Multiplicador mecânico J-M Jacquard Máquina de tecer com padrões controlados por cartões perfurados Charles Babbage Analytical Engine: base dos computadores modernos George Boole Escreve An Investigation to the Laws of Thought, base dos sistemas lógicos. José Monteiro (DEI / IST) Arquitectura de Computadores / 47
29 Marcos na Evolução dos Computadores Data Autor Sistema 3000AC Babilónia Abaco Blaise Pascal Somador mecânico Gottfried Leibniz Multiplicador mecânico J-M Jacquard Máquina de tecer com padrões controlados por cartões perfurados Charles Babbage Analytical Engine: base dos computadores modernos George Boole Escreve An Investigation to the Laws of Thought, base dos sistemas lógicos Fleming & Forest Invenção da válvula de vácuo. José Monteiro (DEI / IST) Arquitectura de Computadores / 47
30 Marcos na Evolução dos Computadores Data Autor Sistema 3000AC Babilónia Abaco Blaise Pascal Somador mecânico Gottfried Leibniz Multiplicador mecânico J-M Jacquard Máquina de tecer com padrões controlados por cartões perfurados Charles Babbage Analytical Engine: base dos computadores modernos George Boole Escreve An Investigation to the Laws of Thought, base dos sistemas lógicos Fleming & Forest Invenção da válvula de vácuo Vannevar Bush Differential Analyzer, sistema electrónico para cálculo diferencial. José Monteiro (DEI / IST) Arquitectura de Computadores / 47
31 Differential Analyzer José Monteiro (DEI / IST) Arquitectura de Computadores / 47
32 Marcos na Evolução dos Computadores Data Autor Sistema 3000AC Babilónia Abaco Blaise Pascal Somador mecânico Gottfried Leibniz Multiplicador mecânico J-M Jacquard Máquina de tecer com padrões controlados por cartões perfurados Charles Babbage Analytical Engine: base dos computadores modernos George Boole Escreve An Investigation to the Laws of Thought, base dos sistemas lógicos Fleming & Forest Invenção da válvula de vácuo Vannevar Bush Differential Analyzer, sistema electrónico para cálculo diferencial Alan Turing Escreve On Computable Numbers, modelo teórico para os computadores actuais. José Monteiro (DEI / IST) Arquitectura de Computadores / 47
33 Marcos na Evolução dos Computadores Data Autor Sistema Primeiros computadores: 1938 Konrad Zuse Z1, Alemanha 1943 Betchley Park Colossus, Reino Unido 1944 Harvard Mark I, EUA 1945 Filadélfia ENIAC, EUA José Monteiro (DEI / IST) Arquitectura de Computadores / 47
34 ENIAC José Monteiro (DEI / IST) Arquitectura de Computadores / 47
35 Programação do ENIAC José Monteiro (DEI / IST) Arquitectura de Computadores / 47
36 Marcos na Evolução dos Computadores Data Autor Sistema Primeiros computadores: 1938 Konrad Zuse Z1, Alemanha 1943 Betchley Park Colossus, Reino Unido 1944 Harvard Mark I, EUA 1945 Filadélfia ENIAC, EUA 1945 Harvard Primeiro bug documentado. José Monteiro (DEI / IST) Arquitectura de Computadores / 47
37 Primeiro Bug Documentado José Monteiro (DEI / IST) Arquitectura de Computadores / 47
38 Marcos na Evolução dos Computadores Data Autor Sistema Primeiros computadores: 1938 Konrad Zuse Z1, Alemanha 1943 Betchley Park Colossus, Reino Unido 1944 Harvard Mark I, EUA 1945 Filadélfia ENIAC, EUA 1945 Harvard Primeiro bug documentado John von Neumann Conceito de programa em memória. José Monteiro (DEI / IST) Arquitectura de Computadores / 47
39 Marcos na Evolução dos Computadores Data Autor Sistema Primeiros computadores: 1938 Konrad Zuse Z1, Alemanha 1943 Betchley Park Colossus, Reino Unido 1944 Harvard Mark I, EUA 1945 Filadélfia ENIAC, EUA 1945 Harvard Primeiro bug documentado John von Neumann Conceito de programa em memória William Shockley Invenção do transistor. José Monteiro (DEI / IST) Arquitectura de Computadores / 47
40 Marcos na Evolução dos Computadores Data Autor Sistema Primeiros computadores: 1938 Konrad Zuse Z1, Alemanha 1943 Betchley Park Colossus, Reino Unido 1944 Harvard Mark I, EUA 1945 Filadélfia ENIAC, EUA 1945 Harvard Primeiro bug documentado John von Neumann Conceito de programa em memória William Shockley Invenção do transistor UNIVAC UNIVAC I, Primeiro computador comercial. José Monteiro (DEI / IST) Arquitectura de Computadores / 47
41 UNIVAC I - Primeiro Computador Comercial José Monteiro (DEI / IST) Arquitectura de Computadores / 47
42 Marcos na Evolução dos Computadores Data Autor Sistema Primeiros computadores: 1938 Konrad Zuse Z1, Alemanha 1943 Betchley Park Colossus, Reino Unido 1944 Harvard Mark I, EUA 1945 Filadélfia ENIAC, EUA 1945 Harvard Primeiro bug documentado John von Neumann Conceito de programa em memória William Shockley Invenção do transistor UNIVAC UNIVAC I, Primeiro computador comercial RAMAC Primeiro disco rígido. José Monteiro (DEI / IST) Arquitectura de Computadores / 47
43 Marcos na Evolução dos Computadores Data Autor Sistema Primeiros computadores: 1938 Konrad Zuse Z1, Alemanha 1943 Betchley Park Colossus, Reino Unido 1944 Harvard Mark I, EUA 1945 Filadélfia ENIAC, EUA 1945 Harvard Primeiro bug documentado John von Neumann Conceito de programa em memória William Shockley Invenção do transistor UNIVAC UNIVAC I, Primeiro computador comercial RAMAC Primeiro disco rígido Kilby & Noyce Invenção do circuito integrado. José Monteiro (DEI / IST) Arquitectura de Computadores / 47
44 Marcos na Evolução dos Computadores Data Autor Sistema Primeiros computadores: 1938 Konrad Zuse Z1, Alemanha 1943 Betchley Park Colossus, Reino Unido 1944 Harvard Mark I, EUA 1945 Filadélfia ENIAC, EUA 1945 Harvard Primeiro bug documentado John von Neumann Conceito de programa em memória William Shockley Invenção do transistor UNIVAC UNIVAC I, Primeiro computador comercial RAMAC Primeiro disco rígido Kilby & Noyce Invenção do circuito integrado DEC PDP-1, primeiro computador comercial com teclado e monitor. José Monteiro (DEI / IST) Arquitectura de Computadores / 47
45 PDP-1 José Monteiro (DEI / IST) Arquitectura de Computadores / 47
46 Marcos na Evolução dos Computadores Data Autor Sistema Primeiros computadores: 1938 Konrad Zuse Z1, Alemanha 1943 Betchley Park Colossus, Reino Unido 1944 Harvard Mark I, EUA 1945 Filadélfia ENIAC, EUA 1945 Harvard Primeiro bug documentado John von Neumann Conceito de programa em memória William Shockley Invenção do transistor UNIVAC UNIVAC I, Primeiro computador comercial RAMAC Primeiro disco rígido Kilby & Noyce Invenção do circuito integrado DEC PDP-1, primeiro computador comercial com teclado e monitor Douglas Engelbart Invenção do rato. José Monteiro (DEI / IST) Arquitectura de Computadores / 47
47 Marcos na Evolução dos Computadores Data Autor Sistema 1971 Intel 4004, microprocessador de 4 bits. José Monteiro (DEI / IST) Arquitectura de Computadores / 47
48 Marcos na Evolução dos Computadores Data Autor Sistema 1971 Intel 4004, microprocessador de 4 bits Intel 8008, microprocessador de 8 bits. José Monteiro (DEI / IST) Arquitectura de Computadores / 47
49 Marcos na Evolução dos Computadores Data Autor Sistema 1971 Intel 4004, microprocessador de 4 bits Intel 8008, microprocessador de 8 bits Motorola 6800, microprocessador de 8 bits. José Monteiro (DEI / IST) Arquitectura de Computadores / 47
50 Marcos na Evolução dos Computadores Data Autor Sistema 1971 Intel 4004, microprocessador de 4 bits Intel 8008, microprocessador de 8 bits Motorola 6800, microprocessador de 8 bits Intel 8080, 1o microprocessador com grande procura. José Monteiro (DEI / IST) Arquitectura de Computadores / 47
51 Marcos na Evolução dos Computadores Data Autor Sistema 1971 Intel 4004, microprocessador de 4 bits Intel 8008, microprocessador de 8 bits Motorola 6800, microprocessador de 8 bits Intel 8080, 1o microprocessador com grande procura Altair Altair 8800, primeiro computador pessoal. José Monteiro (DEI / IST) Arquitectura de Computadores / 47
52 Altair Primeiro Computador Pessoal José Monteiro (DEI / IST) Arquitectura de Computadores / 47
53 Marcos na Evolução dos Computadores Data Autor Sistema 1971 Intel 4004, microprocessador de 4 bits Intel 8008, microprocessador de 8 bits Motorola 6800, microprocessador de 8 bits Intel 8080, 1o microprocessador com grande procura Altair Altair 8800, primeiro computador pessoal Apple Apple II é lançado. José Monteiro (DEI / IST) Arquitectura de Computadores / 47
54 Apple II José Monteiro (DEI / IST) Arquitectura de Computadores / 47
55 Marcos na Evolução dos Computadores Data Autor Sistema 1971 Intel 4004, microprocessador de 4 bits Intel 8008, microprocessador de 8 bits Motorola 6800, microprocessador de 8 bits Intel 8080, 1o microprocessador com grande procura Altair Altair 8800, primeiro computador pessoal Apple Apple II é lançado Intel 8086/8088, microprocessador de 16 bits. José Monteiro (DEI / IST) Arquitectura de Computadores / 47
56 Marcos na Evolução dos Computadores Data Autor Sistema 1971 Intel 4004, microprocessador de 4 bits Intel 8008, microprocessador de 8 bits Motorola 6800, microprocessador de 8 bits Intel 8080, 1o microprocessador com grande procura Altair Altair 8800, primeiro computador pessoal Apple Apple II é lançado Intel 8086/8088, microprocessador de 16 bits Motorola 68000, microprocessador de 16 bits. José Monteiro (DEI / IST) Arquitectura de Computadores / 47
57 Marcos na Evolução dos Computadores Data Autor Sistema 1971 Intel 4004, microprocessador de 4 bits Intel 8008, microprocessador de 8 bits Motorola 6800, microprocessador de 8 bits Intel 8080, 1o microprocessador com grande procura Altair Altair 8800, primeiro computador pessoal Apple Apple II é lançado Intel 8086/8088, microprocessador de 16 bits Motorola 68000, microprocessador de 16 bits IBM Lançamento do PC. José Monteiro (DEI / IST) Arquitectura de Computadores / 47
58 Layout Processadores INTEL 4004, ano khz, T 8086, ano MHz, T Pentium 4, ano ,5 GHz, T Core 2 Duo, ano ,9 GHz, T Jos e Monteiro (DEI / IST) Arquitectura de Computadores / 47
59 Circuitos Integrados Processadores INTEL Pentium 4 Core 2 Duo José Monteiro (DEI / IST) Arquitectura de Computadores / 47
60 Motherboard José Monteiro (DEI / IST) Arquitectura de Computadores / 47
61 Frases Famosas Everything that can be invented has been invented. - Charles H. Duel, US Commissioner of Patents, 1899 José Monteiro (DEI / IST) Arquitectura de Computadores / 47
62 Frases Famosas Everything that can be invented has been invented. - Charles H. Duel, US Commissioner of Patents, 1899 I think there is a world market for maybe five computers. - Thomas Watson, chairman of IBM, 1943 José Monteiro (DEI / IST) Arquitectura de Computadores / 47
63 Frases Famosas Everything that can be invented has been invented. - Charles H. Duel, US Commissioner of Patents, 1899 I think there is a world market for maybe five computers. - Thomas Watson, chairman of IBM, 1943 Computers in the future may weigh no more than 1,5 tons. - Popular Mechanics, 1949 José Monteiro (DEI / IST) Arquitectura de Computadores / 47
64 Frases Famosas Everything that can be invented has been invented. - Charles H. Duel, US Commissioner of Patents, 1899 I think there is a world market for maybe five computers. - Thomas Watson, chairman of IBM, 1943 Computers in the future may weigh no more than 1,5 tons. - Popular Mechanics, 1949 There is no reason anyone would want a computer in their home. - Ken Olson, president, chairman and founder of DEC, 1977 José Monteiro (DEI / IST) Arquitectura de Computadores / 47
65 Frases Famosas Everything that can be invented has been invented. - Charles H. Duel, US Commissioner of Patents, 1899 I think there is a world market for maybe five computers. - Thomas Watson, chairman of IBM, 1943 Computers in the future may weigh no more than 1,5 tons. - Popular Mechanics, 1949 There is no reason anyone would want a computer in their home. - Ken Olson, president, chairman and founder of DEC, K ought to be enough for anybody. - Bill Gates, 1981 José Monteiro (DEI / IST) Arquitectura de Computadores / 47
66 Próxima Aula tipos de computadores visão geral da aquitectura de um computador linguagem Assembly execução de uma instrução código máquina José Monteiro (DEI / IST) Arquitectura de Computadores / 47
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