Arquitetura de Computadores. Ivan Saraiva Silva

Transcrição

1 Arquitetura de Computadores Introdução Ivan Saraiva Silva

2 Sumário Introdução Bibliografia Recomendada O que é um computador Organização de um Computador Modelo de Von Neumann IAS Máquina de Von Neuman Memória Execução de instruções Gargalo de Von Neumann Noções de Desempenho Convenções Gráficas

3 Introdução Plano de aula Avaliações Três provas e um projeto Uso da linguagem VHDL ou SystemC

4 Bibliografia Recomendada Organização e projeto de de Computadores: A Interface hardware/software, David A. Patterson, John L. Hennessy - Campus 2005 Arquitetura de Computadores: Uma Abordagem Quantitativa - John L. Hennessy -, David A. Patterson - Campus Arquitetura e Organização de Computadores - Quinta Edição - William Stallings - Prentice Hall Organização estruturada de computadores, quarta edição, Andrew S. Tanenbaum LTC Analysis and Design of Digital Systems with VHDL - Allen Dewey - PWS Publishing Company

5 O que é um Computador Um computador é uma máquina eletrônica lógica Programável Programa Instruções Representável por uma hierarquia de níveis de abstração (Tanenbaum) Microeletrônica (mais baixo) Sistema Operacional (mais alto)

6 Níveis de Abstração Linguagem Linguagens orientada de alto a problemas nível Linguagem de Assembly Montágem Gerencia de sistema e interface Sistema Operacional de usuário Máquina Conjunto Convencional de instrções Interpretador Microprogramação em firware Unidades lógicas combinacionais e Lógica Digital sequenciais Caracteristicas físicas, malha de Microeletrônica transistores

7 Organização de um Computador Modelo de Von Neumann (1945) Conceito de programa armazenado Separação da Unidade Aritmética e de Controle Utilização de barramentos e registradores Hardware de entrada e saída (I/O) UCP Memória I/O

8 Modelo de Von Neumann Controle Aritmética Controle de Execução Execução de Operações Memória I/O Instruções e Dados

9 Modelo de Von Neumann Bloco de controle operação CPU Bloco operacional endereços instruções Memória dados dados

10 Modelo de Von Neumann Memória: Conjunto de posições/locações endereçáveis Palavras: Posição/locação da memória. Contém dados e instruções. Palavra: Unidade básica de transferência de/para memória. Palavras são localizadas através de um endereço Dados, instruções e endereços são codificados em binário

11 Modelo de Von Neumann Programa é uma seqüência de instruções, colocadas numa seqüência de endereços A execução de um programa corresponde à execução seqüencial de suas instruções A seqüência das instruções é definida de forma dinâmica em tempo de execução Existência de instruções de controle de fluxo

12 IAS Máquina de Von Neumann Unidade Central de Processamento Unidade Lógica e Aritmética Acumulador MQ Circuitos de Lógica e Aritmética Hardware de Entrada e Saída MBR Dados e Instruções Memória Principal IBR IR PC Circuitos de Controle MAR Unidade de Controle Endereço

13 IAS Máquina de Von Neumann Unidade Central de Processamento Unidade Lógica e Aritmética Acumulador MQ Circuitos de Lógica e Aritmética Hardware de Entrada e Saída MBR Dados e Instruções Memória Principal IBR IR PC Circuitos de Controle MAR Unidade de Controle Endereço

14 Conceitos e Convenções Registradores: Posições de memória internas a UCP. Dedicados e de Uso Geral Barramento: Via de comunicação Dados e Instruções, Endereços e Controle Comunicação Síncrona e Assincrona

15 Memória Em um computador geralmente existe uma hierarquia de memória. Cada nível da hierarquia é dividido em palavras de N bits cada A palavra é a unidade básica de transferência entre a UCP e a memória. Uma memória com 2 M palavras necessita de M bits de endereço

16 Memória M Bits Endereço N Bits Posição 0 Posição 2 M M posições N Bits

17 Execução de Instruções busca da próxima instrução na memória manda endereço, volta instrução decodificação da instrução interpreta código da instrução se a instrução precisa de dados (na memória) manda endereço, busca dado execução da instrução executa ações específicas para cada instrução

18 Execução de Instruções BC MEM BC MEM BC MEM BC BO BC BO endereço instrução instrução endereço operando 1 operando 1 endereço operando 2 operando 2 ordem de execução executa soma endereço resultado resultado MEM BC MEM BO MEM BO BO MEM MEM Bloco Controle endereço instrução operação Memória Bloco Operativa dados dados

19 Gargalo de Von Neuman Refere-se ao tráfego no barramento vai endereço da instrução volta instrução vão endereços dos operandos vão e voltam operandos Para eliminar gargalo: diminuir tráfego de informações manter informações na CPU diminuir tamanho em bits das informações transferidas Inclusão de registradores

20 Noções de Desempenho Ciclo de relógio (clock): intervalos básicos de tempo nos quais são executadas as operações elementares de uma instrução transferências de valores entre registradores operações aritméticas na ALU Período do relógio (T): Tempo de duração de um ciclo do relógio Freqüência do relógio (f): Freqüência de repetição de ciclos de clock por unidade de tempo Exemplo: Se o período do relógio é de T = 4 ns = 4x10-9 f = 1/T = 1/4x10-9 = 250 MHz

21 Isto significa que? Para um período de T=4ns a máquina pode executar 250 milhões de operações elementares As operações elementares são executadas de forma síncrona com o relógio O desempenho da máquina e proporcional a: nº ciclos x período = nº ciclos freqüência Circuito Seqüencial Circuito Combinatório T Relógio

22 Convenções Gráficas Multilexador / Demultiplexador Seleção N x 1 (multiplexador) 1 x N (demultiplexador) Para 2 n entradas/saídas de dados tem-se n entradas de controle Ctrl IN1 IN2. INn IN1 Ctrl IN2 n OUT IN And Not And Ctrl n OUT1 OUT2. OUTn Or OUT

23 Convenções Gráficas Registrador Posição de memória interna ao microprocessador Registradores de uso geral e específico Acumulador Apontador de programa PC Aceleram o acesso aos dados Habilitação de escrita We IN We IN Clk Clk OUT R OUT R

24 Convenções Gráficas Deslocadores Deslocamento de bits para a direita/esquerda Deslocadores lógicos Inserção de zeros no lado oposto ao deslocamento Deslocadores Aritméticos Re-inserção do último bit do lado oposto do deslocamento IN OUT

25 Convenções Gráficas Unidades de Lógica e Aritmética (ULA) Realizam operações lógicas e aritméticas Podem gerar sinais destinados ao controle Para 2 n operações necessita de n entradas de seleção Operações podem variar de ULA para ULA Número de ciclos para execução pode variar de operação para operação Sel Operando1 Resultado Operando2 Controle