Sâmia Rodrigues Gorayeb. Arquitetura de Computadores Processadores

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1 Sâmia Rodrigues Gorayeb Arquitetura de Computadores Processadores

2 Arquitetura de Computadores Agenda: 1. Introdução (definição). 2. Funções 3. Arquitetura básica 4. Componentes 5. Funcionamento 6. Modelo de Von Neumann 7. Interpretador 8. RISC X CISC 9. Computadores modernos Processadores

3 Introdução O processador é um componente vital do sistema de computação. É o cérebro do computador. Função Realizar operações de controle e de processamento. Executar os programas armazenados na memória principal

4 Arquitetura básica de um computador: Arquitetura básica de um processador:

5 Componentes Unidade de Controle - UC: É o dispositivo mais complexo da CPU; Responsável pela busca de instruções na memória principal e determinação de seus tipos; Controla a ação da UAL; Realiza a movimentação de dados;

6 Componentes Unidade Aritmética e Lógica - UAL: Responsável por realizar as operações matemáticas e booleanas; Registradores: Utilizados para o armazenamento temporário de dados ou de informações de controle; Program Counter: aponta para a próxima instrução a ser buscada; Registrador de Instrução: armazena a instrução que está sendo executada;

7 Componentes Relógio: Processadores Dispositivo gerador de pulsos cuja duração é chamada de ciclo; A quantidade de vezes em que este pulso se repete em um segundo define a unidade de medida do relógio A unidade de medida usual para a freqüência dos relógios da CPU é o Hertz (HZ) Como se trata de freqüências elevadas, abreviam-se os valores usando-se se MHz

8 Funcionamento Buscar uma instrução na memória - ler; Interpretar a instrução - decodificar; Buscar os dados onde estiverem armazenados; Executar a operação com os dados; Guardar o resultado no local definido na instrução; Reiniciar o processo, apanhando nova instrução.

9 Modelo de Von Neumann É uma arquitetura de computador que se caracteriza pela possibilidade de uma máquina digital armazenar seus programas no mesmo espaço de memória que os dados, podendo assim, manipular tais programas. Até então as instruções eram lidas de cartões perfurados e executadas uma a uma.

10 Modelo de Von Neumann É o modelo que define um computador seqüencial digital em que o processamento das informações é feito passo a passo. Tem um comportamento determinístico. A memória Central só aceita um acesso de cada vez, seja para leitura ou para escrita.

11 Modelo de Von Neumann Componentes: unidade de entrada, memória, unidade aritmética e lógica (ALU), unidade de controle (CU) e unidade de saída Função buscar um programa na memória, instrução por instrução, e executá-lo sobre os dados de entrada.

12 Modelo de Von Neumann A unidade de entrada provê instruções e dados ao sistema, que são armazenados na memória. Essas instruções são processadas pela UAL, sob a supervisão da UC e os resultados são enviados para unidade de saída.

13 Modernização do Modelo Particiona o modelo computacional em CPU, memória e entrada e saída.

14 Modelo de Barramento do Sistema É o caminho compartilhado responsável pela comunicação entre os componentes. Barramento de dados: transporta a informação que está sendo transmitida; Barramento de endereços: identifica para onde a informação está sendo enviada; Barramento de controle: descreve aspectos sobre a informação que está sendo transmitida e de que forma; Barramento de energia: responsável por levar energia aos componentes;

15 Instruções Todo processador tem uma seqüência de instruções: busca, decodificação e execução; Um dos fatores que diferenciam os processadores são os seus conjuntos de instruções operações básicas fornecidas; As operações básicas são: de memórias, aritméticas, comparações e de controle;

16 Instruções As instruções de um processador podem ser classificadas como: registrador memória (permite que o unidades de dados sejam armazenados) ou registrador-registrador (busca operandos em registradores e coloca-os os na entrada da UAL para realizar alguma operação sobre eles.

17 Interpretador É um programa que consegue buscar, decodificar e executar instruções; Essa equivalência de processadores construídos em hardware e interpretadores é muito importante na organização e projeto de sistemas de computadores.

18 Interpretador Após especificar a linguagem de máquina de um processador, os projetistas devem decidir: Se constroem um processador em hardware que execute diretamente os programas; Ou se devem escrever um interpretador para interpretar os programas. Porém nesse caso é necessário que se projete um hardware para rodar o interpretador.

19 Interpretador (cont) Existem casos com parte da construção híbrida, ou seja, parte da execução sob a responsabilidade de hardware e parte baseada na interpretação por software.

20 Interpretador (cont) O interpretador divide as instruções em um conjunto de pequenos passos. Logo o processador pode ser muito mais simples e muito mais barato que os construídos em hardware. Essa economia é importante se a máquina tiver um grande número de instruções e se as instruções forem complicadas e com muitas opções de execução.

21 Interpretador (cont) Os primeiros computadores tinham um conjunto de instruções simples, porém conforme a necessidade foram criadas máquinas mais robustas com instruções mais complexas No caso de computadores de alta performance foi criada a possibilidade de execução intercalada, ou em paralelo.

22 Interpretador (cont) Em contrapartida o custo do desenvolvimento de software cada vez mais alto e as exigências de compatibilização de instruções, criaram a necessidade de implementação de instruções complexas em máquinas de performance baixa.

23 Interpretador (cont) Em 1950 a IBM introduziu o termo arquitetura para descrever o nível de compatibilidade entre as máquinas. Uma nova família de computadores poderia ter uma única arquitetura e muitas implementações diferentes. Como construir um computador de baixo custo capaz de executar todas as instruções complexas das máquinas de alta performance?

24 Interpretador (cont) A resposta foi baseada em máquinas com hardware puro e em máquinas cujas instruções eram interpretadas. Vantagens dos computadores mais simples: Capacidade de corrigir eventuais erros ; Oportunidade de incorporara novas instruções; Projeto estruturado que permitia o desenvolvimento, o teste e a documentação de instruções complexas.

25 RISC x CISC RISC: computador com conjunto reduzido de instruções. A melhor maneira de se projetar um processador era com um pequeno número de instruções, todas muito simples, capazes de serem executadas em um ciclo de caminho de dados(buscando o conteúdo de dois registradores, operando-os os e guardando o resultado em outro registrador). CISC: computador com conjunto complexo de instruções. A melhor maneira de se projetar um processador era com instruções complexas.

26 RISC x CISC (cont) Principal argumento era que por mais que uma máquina RISC precisasse executar 5 instruções para fazer o mesmo que uma máquina CISC e as suas instruções fossem 10 vezes mais rápidas, por não serem interpretadas as máquinas RISC venceriam.

27 RISC x CISC (cont) É importante observar que naquela época a velocidade das memórias principais havia alcançado a velocidade das memórias read-only only,, de modo que a penalidade paga pela interpretação cresceu bastante o que favorecia as máquinas RISC.

28 RISC x CISC (cont) Em função da melhor performance da tecnologia RISC, podemos acreditar que as máquinas projetadas em tecnologia CISC não teriam mais espaço no mercado. Porém isso não ocorreu por questão de compatibilidade com as máquinas mais antigas e levando em consideração que as mudar de arquitetura seria jogar no lixo bilhões de dólares.

29 RISC x CISC (cont) Além disso a Intel tem se esforçado em utilizar idéias básicas do projeto RISC em suas máquinas com filosofia CISC. A partir do 486, a Intel passou a projetar seus processadores com um núcleo RISC (responsável pela execução de instruções mais simples). Porém as instruções mais complexas são interpretadas. Resultando em instruções comuns sendo executadas rapidamente e instruções menos comuns sendo executadas em um tempo maior.

30 RISC x CISC (cont) RISC: Todas as instruções das máquinas são executadas diretamente pelo hardware. Tornando a velocidade de execução mais rápida. CISC: As instruções mais complexas podem ser divididas em várias partes, cada uma sendo executadas por uma seqüência de microinstrução.esse passo extra torna a máquina mais lenta.

31 Computadores Modernos Utilizam as filosofias RISC e CISC: algumas instruções são executadas diretamente no hardware e outras são interpretadas. Os computadores modernos executam o máximo possível de instruções por segundo, independente do tempo que cada instrução vai demorar pra ser executada.

32 Computadores Modernos (cont) John Hennessy projetou o processador MIPS (milhões de instruções por segundo) Esse princípio sugere que o paralelismo pode ter um papel muito importante na melhora de performance, visto que desta maneira é possível executar um grande número de instruções lentas ao mesmo tempo.

33 Computadores Modernos (cont) Apesar das instruções serem apresentadas na ordem lógica, nem sempre elas serão executadas nessa ordem. Isso ocorre, pois alguns recursos necessários a sua execução podem estar ocupados. Caso uma instrução dependa de outra, isso deve ficar claro no modelo de execução, ou seja, para que isso ocorra é necessário uma certa burocracia que deve ser levada em consideração.

34 Computadores Modernos (cont) A decodificação é um dos processos críticos que mais influenciam na velocidade de execução das instruções. È o processo que determina quais recursos serão usados na execução das instruções.

35 Computadores Modernos (cont) Para agilizar esse processo é necessário projetar as instruções de forma mais regular possível, usando um tamanho único em todas elas e com o menor número de campos possível. Quanto menos formatos de instrução houver, melhor será a sua decodificação.

36 Computadores Modernos (cont) A forma mais simples de dividir operações em vários passos é estabelecer que os operandos para a maioria das instruções venham de registradores e retornem para registradores. A operação de transferir operandos da memória para os registradores deve ser realizada por instruções especiais.

37 Computadores Modernos (cont) Como o acesso a memória pode demorar, a execução das instruções especiais pode ser intercalada com a a execução de outras instruções, desde que as instruções especiais não façam nada além dessa transferência. Isso leva a criação de instruções LOAD e STORE para realizar acesso à memória.

38 Computadores Modernos (cont) Considerando que o acesso à memória é lento, há necessidade de se ter vários registradores (mínimo 32), de modo que, sempre que uma palavra venha da memória seu conteúdo possa ser mantido em um registrador até que esse valor não seja mais necessário. O processo de armazenar o conteúdo de um registrador na memória, por falta de registrador, deve ser evitado.

39 Computadores Modernos (cont) Uma das maneiras de melhorar a performance das máquinas é fazer com que os chips rodem cada vez mais rápido, aumentando a velocidade do clock,, mas existe um limite tecnológico para isso. Conseqüentemente como forma de obter uma performance ainda melhor os arquitetos voltam-se para a execução de duas ou mais operações ao mesmo tempo para uma certa velocidade de clock (paralelismo).

40 Computadores Modernos (cont) Existem duas maneiras de paralelismo: A nível de instrução; Á nível de processador; O paralelismo a nível de instrução é explorado dentro de instruções individuais de maneira a conseguir que a máquina execute mais instruções por segundo.

41 Computadores Modernos (cont) Sabe-se que o maior gargalo para velocidade de execução de instruções é o acesso à memória e para tentar minimizar esse problema as máquinas tem capacidade de buscar antecipadamente instruções da memória de modo à encontra-la no processador quando chegar o momento de executá-las. Tais instruções eram armazenadas em um conjunto de registradores chamados de buffer de pré-busca.

42 Computadores Modernos (cont) A pré-busca divide a execução das instruções em duas partes: a busca e a efetiva execução. O conceito de pipeline leva a estratégia bem mais além, divide a execução das instruções em várias partes, cada uma tratada por um hardware dedicado exclusivamente a ela. Lembrando que a execução ocorre em paralelo.

43 Computadores Modernos (cont) Pipeline com 5 estágios 1. Busca a instrução da memória e armazena no buffer até o momento de execução. 2. Decodifica a instrução, determina seu tipo e quais operandos serão necessários à sua execução. 3. Ocorre a localização e a busca dos operandos que podem estar em registradores ou na memória. 4. Os operandos passam pelo caminho de dados, a execução propriamente dita. 5. O resultado do processamento é escrito em um registrador

44 Computadores Modernos (cont) Operação de pipeline em função do tempo.

45 Computadores Modernos (cont) O processamento de pipeline permite que se estabeleça uma relação entre quanto uma instrução demora pra ser executada (latência) e a quantos MIPS o processador executa (banda passante).

46 Computadores Modernos (cont) É possível projetar um processador com dois pipelines,, onde uma única unidade busca pares de instruções e coloca cada uma em um pipeline.

47 Computadores Modernos (cont) A determinação do par de instruções compatíveis é feita segundo um conjunto de regras. A existência de 4 pipelines é conceitualmente possível, porém seria necessário a duplicação de hardware. Portanto, em vez disso as máquinas de alta performance usam outra metodologia. A idéia básica é ter um único pipeline com várias unidades funcionais.

48 Computadores Modernos (cont) A arquitetura superescalar busca uma instrução muito mais rápido passando-a a a uma das unidades funcionais que operam em paralelo disponível, depois o processador busca a instrução seguinte. A idéia do processador superescalar traz o fato de que o estágio 3 pode distribuir instruções muito mais rápido que a capacidade do estágio 4 tem de executá- las.

49 Computadores Modernos (cont) Arquiteturas superescalares com 5 unidades funcionais.

50 Computadores Modernos (cont) O paralelismo na execução de instrução ajuda a aumentar a velocidade de execução, mas a operação dos processadores em pipeline ou em superecalar deixa a performance no máximo 10 vezes melhor. Para obter ganhos da ordem de 50, 100, ou mais é necessário projetar computadores com mais de um processador.

51 Computadores Modernos (cont) Um processador matricial é composto de um grande número de processadores idênticos que executam a mesma seqüência de instruções sobre diferentes conjuntos de dados. Um processador vetorial é muito eficiente na execução de uma seqüência de operações em pares de elementos de dados. Todas as operações aritméticas são realizadas em uma única UAL que opera em pipeline.

52 Computadores Modernos (cont) Os dois processadores trabalham sobre conjunto de dados e ambos executam instruções únicas sobre os dados. Mas enquanto o processador matricial faz isso com tantos somadores quanto forem os elementos do vetor, o processador vetorial contém registradores vetoriais que podem ser carregados de uma única instrução que os carrega um depois do outro.

53 Computadores Modernos (cont) Os processadores matriciais são pouco comercializados, em função de serem eficientes somente na solução de problemas que executam os mesmos cálculos sobre diversas estruturas de dados diferentes simultaneamente. Esses processadores podem executar algumas operações mais rapidamente, mas precisam de muito hardware e são muito difíceis de serem programados.

54 Computadores Modernos (cont) O processamento vetorial pode ser incorporado a processadores convencionais, o resultado é que as partes de um programa que podem ser vetorizadas serão executadas mais rapidamente se puder aproveitar a unidade vetorial do processador.

55 Computadores Modernos (cont) O primeiro multiprocessador é composto de vários processadores independentes compartilhando a mesma memória. Considerando que cada processador pode ler ou escrever em qualquer parte da memória, é necessário que as atividades sejam coordenadas por software, para evitar que a atividade de um processador interfira na atividade de outro.

56 Computadores Modernos (cont) Os sistemas multiprocessadores com um pequeno número de processadores são de fácil construção. A dificuldade está na conexão dos processadores à memória e para resolver isso construíram sistemas com um grande número de computadores interconectados sem qualquer tipo de memória comum, conhecidos como multicomputadores.

57 Computadores Modernos (cont) Os processadores de um sistema multicomputador comunicam-se por meio do mecanismo de troca de mensagens de maneira veloz. Os sistemas multiprocessadores são mais fáceis de programar e os sistemas multicomputadores mais fáceis de construir.

58 Computadores Modernos (cont) As empresas tem apontado para sistemas híbridos que combinam as vantagens de ambos, são computadores que dão a ilusão de memória compartilhada sem arcar com o ônus de implementá-lo lo diretamente.

59 Conclusão A demanda por computadores cada vez mais rápidos parece não ter fim. À medida que os processadores vão ficando mais rápidos seus projetistas começam a esbarrar em limitações de ordem física, como a velocidade da luz no meio escolhido. Além disso quanto mais rápido for o chip, mais calor ele vai produzir.

60 Conclusão (cont) Com isso os arquitetos de computadores estão sempre sendo desafiados para melhorar cada vez mais a performance das máquinas que eles projetam. Porém caso ocorra alguma mudança de paradigmas tecnológicos todas as nossas convicções atuais serão história. Por isso é necessário que os projetistas estejam sempre atentos a essas mudanças.

61 Exercício: Processadores 1. O que é o processador? 2. Qual a principal função do processador? 3. Quais são os componentes de um processador que usa o modelo de Von Neumann? 4. Qual a principal característica do modelo de Von Neumann? 5. Explique o funcionamento do modelo de Von Neumann. 6. Quais mudanças ocorreram na modernização do modelo de Von Neumann? 7. Para que servem os barramentos de sistema?

62 Exercício (cont): Processadores 8. Cite um dos tipos de barramento e para que serve. 9. Qual é a seqüência básica de instrução de um processador? 10. Cite uma operação básica executada por um conjunto de instruções. 11. Como as instruções de um processador podem ser classificadas? 12. Como é chamado o programa que tem as mesmas funções que o processador em hardware puro? 13. Explique como funciona o interpretador.

63 Exercício (cont): Processadores 14. Cite uma vantagem e uma desvantagen de usar o interpretador. 15. Cite uma vantagem e uma desvantagen de usar hardware puro. 16. Qual a diferença entre RISC e CISC? 17. Por que apesar da tecnologia RISC ter melhor performance que a CISC as máquinas não foram substituídas? 18. Qual das duas tecnologias os processadores modernos usam? 19. Como os computadores modernos trabalham?

64 Exercício (cont): Processadores 20. Qual a maior vantagem de usar paralelismo? 21. Por que a decodificação é um processo crítico nos computadores modernos? 22. Como é possível acelerar o processo de decodificação? 23. Por que a transferência de operandos da memória para os registradores deve ser feita por instruções especiais? 24. Cite uma maneira de melhorar a performance dos computadores? 25. Quais são as maneiras existentes de paralelismo?

65 Exercício (cont): Processadores 26. Qual a principal função do paralelismo a nivel de instrução? 27. Qual a principal função do paralelismo a nivel de processador? 28. Para que serve o buffer de pré-busca? 29. O que é o pipeline? 30. Explique o passo-a-passo de um pipeline de 5 estágios. 31. Por que a existência de 4 pipelines não foi utilizada? 32. O que é a arquitetura superescalar?

66 Exercício (cont): Processadores 33. Qual é a diferença entre um processador matricial e um vetorial? 34. Explique o funcionamento de um multiprocessador. 35. Explique o funcionamento de um multicomputador. 36. Qual é a vantagem dos sistemas multiprocessadores e multicomputadores? 37. Qual é a desvantagem dos sistemas multiprocessadores e multicomputadores? 38. Como funcionam os computadores modernos que usam sistemas híbridos?