Dos sistemas digitais aos computadores e aos µps. Arquitecturas pré von Neumann. O paradigma do programa residente em memória

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1 Dos sistemas digitais aos computadores e aos µps Organização: Arquitecturas pré- von Neumann O paradigma do programa residente em memória Sobreousodamemória Arquitectura básica da unidade de processamento central Etapas elementares na execução de uma O impacto da microelectrónica Conceitos básicos sobre os microprocessadores de 8 bits Dos sistemas digitais aos computadores e aos microprocessadores - 1 Arquitecturas pré von Neumann Computadores electro-mecânicos: KonradZuse(Z1aZ3) Howard Aiken (Mark I) Computadores baseados em válvulas John Atanasoff e Clifford Berry (ABC) John P. Eckert e John W. Mauchly (ENIAC) Dos sistemas digitais aos computadores e aos microprocessadores - 2 Arquitecturas pré von Neumann: O ENIAC Apresentado ao público em 1945, o ENIAC foi o primeiro computador electrónico (Electronic Numerical Integrator And Computer) As suas válvulas permitiam-lhe executar adições por segundo (mas o recorde de funcionamento ininterrupto foi de apenas 20 horas...) O paradigma do programa residente em memória Uma das principais desvantagens do ENIAC consistia no facto de a programação do computador ser efectuada por recablagem da sua unidade de controlo Foi ainda durante o desenvolvimento do ENIAC que o conceito de programa residente em memória tomou forma, com base no célebre documento de John von Neumann, First Draft of a Report on the EDVAC (que compilava o trabalho de um grupo de 32 pessoas) Dos sistemas digitais aos computadores e aos microprocessadores - 3 Dos sistemas digitais aos computadores e aos microprocessadores - 4

2 A arquitectura de von Neumann As principais características da arquitectura proposta no First Draft of a Report on the EDVAC são as seguintes: Usava o sistema binário para representar os dígitos Advogava o processamento em série, bit a bit Propunha que as operações a executar fossem armazenadas em memória, em vez de serem definidas pelo estabelecimento de ligações físicas Dos sistemas digitais aos computadores e aos microprocessadores - 5 MEM. CONTR. E/S EXT. John von Neumann (cont.) Nas arquitecturas de von Neumann, O programa a executar é definido pelo conjunto de instruções suportadas pela unidade de processamento central, sendo a introdução do programa em memória e a saída de resultados asseguradas pela unidade de E/S A execução do programa tem lugar pela repetição de um ciclo com as seguintes etapas: i) leitura da a executar, ii) obtenção dos operandos, iii) realização da operação e iv) armazenamento do resultado Dos sistemas digitais aos computadores e aos microprocessadores - 6 MEM. CONTR. E/S EXT. O uso da memória e o von Neumann bottleneck Código de Operando Dos sistemas digitais aos computadores e aos microprocessadores - 7 Operando Código de +VAL Ainda sobre o uso da memória Na apresentação anterior omitiram-se explicitamente vários pormenores: Como são gerados os endereços? Dos sistemas digitais aos computadores e aos microprocessadores - 8 Código de Como é que é indicado à qual a operação a realizar em cada instante? Como é que se indica aos vários registos quando devem carregar um novo conteúdo?

3 Ainda sobre o uso da memória (cont.) O necessita por vezes de suspender temporariamente o programa principal, para executar um outro segmento de programa: Quando se efectua a chamada a uma subrotina Quando um evento exterior requer a atenção do Após esta suspensão, a execução do programa principal deve ser retomada no mesmo ponto (o que obriga naturalmente a guardar esta informação...) Dos sistemas digitais aos computadores e aos microprocessadores - 9 Ainda sobre o uso da memória (cont.) O programa principal só pode ser retomado no local onde foi suspenso se o endereço da que iria ser executada a seguir for armazenado em memória (de leitura e escrita) À zona de memória que é usada para armazenar o endereço da seguinte é dada a designação de stack ( pilha ) Dos sistemas digitais aos computadores e aos microprocessadores - 10 Arquitectura básica da UPC Para facilitar a nossa abordagem, começaremos por considerar a arquitectura mínima que nos permite a execução de um programa programa (PC) Descodificação e Instrução controlo de execução residente em Registo (IR) das instruções m bits memória: (3Eh) (55h) de dados incr_rp carr_ carr_ri n bits (código de ) (sinais de controlo) Arquitectura básica da UPC (cont.) Assumindo que se pretende apenas executar uma que permita a carga de um operando em memória, deverá ser fácil concluir porque é que a arquitectura apresentada é de facto a mínima... (3Eh) (55h) programa (RP) mbits de dados Registo Instrução (IR) incr_rp carr_ carr_ri Descodificação e controlo de execução das instruções (código de ) (sinais de controlo) Dos sistemas digitais aos computadores e aos microprocessadores - 11 Dos sistemas digitais aos computadores e aos microprocessadores - 12

4 Etapas elementares na execução de uma Instrução LD,#55H: (3Eh) (55h) programa (PC) mbits de dados Registo Instrução (IR) incr_rp carr_ carr_ri Dos sistemas digitais aos computadores e aos microprocessadores - 13 A B Descodificação e controlocde execução das instruções (código de ) D (sinais de controlo) carr_ir incr_pc carr_ incr_pc (carrega registo de ) ler o operando 55h) (carrega o operando no registo ) apontar para o código da seguinte) Etapas elementares (cont.) O diagrama de estados para a execução da LD,#55H tem uma correspondência directa com o seguinte diagrama temporal: A Relógio (CLK) carr_ir incr_pc carr_ Dos sistemas digitais aos computadores e aos microprocessadores - 14 T1 T2 T3 T4 B C D (carrega registo de ) ler o operando 55h) (carrega o operando no registo ) apontar para o código da seguinte) O impacto da microelectrónica Na época posterior aos computadores baseados em válvulas electrónicas, os principais marcos tecnológicos foram os seguintes: 1947: O transístor (primeiro computador baseado em transístores: NCR 304, em 1957) 1958:O circuito integrado (primeiros computadores baseados em CI: IBM System 360, DEC PDP-8, em 1965) 1971: O microprocessador (primeiro computador baseado num microprocessador: Micral, em 1973) Dos sistemas digitais aos computadores e aos microprocessadores - 15 O i4004: O primeiro microprocessador O Intel 4004 foi o primeiro microprocessador, tendo sido inventado por Ted Hoff (a quem tinha sido dado o encargo de projectar uma calculadora para uma firma Japonesa) Com transístores, o i4004 baseava-se numa arquitectura de 4 bits e apresentava um custo unitário de 200 dólares (o i4004 não chegou no entanto a constituir o de nenhum computador) Dos sistemas digitais aos computadores e aos microprocessadores - 16

5 Conceitos básicos sobre µps de 8 bits Apesar das arquitecturas de 32 e 64 bits serem hoje em dia comuns, os componentes de 8 bits continuarão a existir por tempo indeterminado, já que: Muitas aplicações (em particular em domínios com o controlo de máquinas, electrodomésticos, etc.) não obtêm benefícios de um maior número de bits Passar de 8 para 16 bits representa em princípio maior área de silício e maior número de pinos, logo maior custo, sendo que o baixo custo é fundamental para o sucesso Dos sistemas digitais aos computadores e aos microprocessadores - 17 Conceitos básicos sobre µps de 8 bits (cont.) Repare-se que a arquitectura apresentada abaixo, face à arquitectura mínima analisada, acrescenta dois blocos: o stack pointer ea n m SP PC de dados Dos sistemas digitais aos computadores e aos microprocessadores - 18 R0 IR Descodificação e controlo de execução Acumulador das instruções n n Variáveis de estado Reg. temp. Transferência interna de dados Repare-se que o bloco acumulador é necessário para nos permitir aplicar às entradas da os dois operandos em simultâneo, uma vez que temos apenas um barramento interno de dados Dos sistemas digitais aos computadores e aos microprocessadores - 19 Variáveis de estado Acumulador n n Reg. temp. Pela mesma razão, é necessário um registo para armazenar temporariamente o resultado Controlo de estado nas saídas dos registos A solução apresentada na transparência anterior requer que as saídas dos registos possam ser colocadas em terceiro estado, para garantir a inexistência de conflitos no Dados[7:0] (oito bits) acesso ao barramento Dos sistemas digitais aos computadores e aos microprocessadores - 20 abre_reg RK (um qualquer dos registos na figura 5.8) Bit 0 Bit 7 Dados[0] Dados[7] R0 R2 RK Dados [7:0] (oito bits)

6 A comunicação com o exterior A unidade de processamento central comunica com o exterior através de três barramentos: Endereços, onde se especifica qual a posição (de memória ou E/S) a aceder Dados,peloqualcirculaainformaçãode/parao Controlo, que reúne as linhas que codificam o tipo de operações a executar (e.g. se o pretende ler ou escrever na memória) A memória revisitada: Subrotinas e interrupções Referimos já que a suspensão temporária do programa principal pode ocorrer em duas situações: Por chamada a uma subrotina Por ocorrência de um evento assíncrono com a execução do programa principal, que o interrompe para poder ter a atenção do A sequência de acções que tem lugar é no entanto idêntica em ambos os casos e será agora analisada Dos sistemas digitais aos computadores e aos microprocessadores - 21 Dos sistemas digitais aos computadores e aos microprocessadores - 22 Subrotinas e interrupções (cont.) Ousodastack A progressão na execução de um programa, temporariamente suspensa por uma das razões apontadas na transparência anterior, pode ser ilustrada como se apresenta à direita: Cód. da instr. actual Cód. da instr. seguinte Código de Cód. instr. de retorno Código principal Código que éexecutado a pedido Assumindo que a stack cresce para baixo, o que nem sempre acontece, o seu uso começaria assim: Chamada a subrotina Cód. da instr. seguinte Código de (RP) (endereços crescentes) (AP) Subrotina (a apontar para a posição com endereço A )? (livre)? (livre) Pilha Cód. da instr. actual Cód. da instr. seguinte Código de (endereços crescentes) (AP) (RP) Subrotina? (livre) Ender. da posição A+1 Pilha Dos sistemas digitais aos computadores e aos microprocessadores - 23 Cód. instr. de retorno Dos sistemas digitais aos computadores e aos microprocessadores - 24 Cód. instr. de retorno

7 Conclusão Objectivo principal do capítulo: Efectuar a ponte entre as duas alternativas principais de projecto Hardware dedicado (com funções pré-definidas ou DLP) Código residente em memória Pistas para a continuação do estudo: Arquitectura de computadores (princípios gerais e evolução desde von Neumann) Impacto da tecnologia Dos sistemas digitais aos computadores e aos microprocessadores - 25