Ciência da Computação Arq. e Org. de Computadores Parte II Prof. Sergio Ribeiro de um computador sistema constituído de vários componentes (vários tipos diferentes de memória) interligados e integrados, com o objetivo de armazenar e recuperar informações. Conceitos Importantes: Tempo de acesso Capacidade Volatilidade Tecnologia de fabricação Temporariedade Custo 2 Tempo de acesso Indica quanto tempo a memória gasta para colocar uma informação no barramento de dados após uma determinada posição ter sido endereçada. É um dos parâmetros que pode medir o desempenho da memória. Denominação tempo de acesso para leitura (ou tempo de leitura). 3 Tempo de acesso Dependente do modo como o sistema de memória é construído e da velocidade dos seus circuitos. s eletrônicas igual, independentemente da distância física entre o local de um acesso e o local do próximo acesso acesso aleatório (direto). Dispositivos eletromecânicos (discos, CDs,...) tempo de acesso varia conforme a distância física entre dois acessos consecutivos acesso seqüencial. 4 Capacidade Quantidade de informação que pode ser armazenada em uma memória. Unidade de medida mais comum byte, podem ser usadas outras unidades como células (no caso de memória principal ou cache), setores (no caso de discos) e bits (no caso de registradores). Dependendo do tamanho da memória, isto é, de sua capacidade, indica-se o valor numérico total de elementos de forma simplificada, através da inclusão de K (kilo), M (mega), G (giga) ou T (tera). 5 Volatilidade s podem ser do tipo volátil ou não volátil. não volátil retém a informação armazenada quando a energia elétrica é desligada. Ex: discos, fitas. volátil perde a informação armazenada na ausência de energia elétrica. Ex: registradores, memória principal. É possível manter a energia em uma memória originalmente não volátil uso de baterias. 6 1
Tecnologias de fabricação s de semicondutores s de meio magnético s de meio óptico 7 s de semicondutores Dispositivos fabricados com circuitos eletrônicos e baseados em semicondutores. Rápidas e relativamente caras, se comparadas com outros tipos. Há várias tecnologias específicas, cada uma com suas vantagens, desvantagens, velocidade, custo, etc. 8 Classificação de s Semicondutoras RAM L/E - Leitura/Escrita (R/W - Read/Write) ROM (Somente Leitura) (Read Only Memory) SRAM DRAM ROM PROM EPROM Arquitetura de Computadores -EEPROM Facape FPM DRAM EDO DRAM BEDO RAM SDRAM RDRAM 9 R/W - Read and Write de leitura e escrita, de acesso aleatório e volátil. Pode ser estática (SRAM) ou dinâmica (DRAM). SRAM uso de circuitos transistorizados (flip-flops) mantém a informação enquanto estiver energizada, muito rápida (~ns), usada tipicamente como memória cache. DRAM uso de capacitores (1 transistor e 1 capacitor por bit, não usa flip-flops), necessita de refresh, alta capacidade de armazenamento (> densidade), mais lentas, usadas tipicamente como memória principal. Evolução FPM DRAM (Fast Page Mode) assíncrona e mais antiga, EDO DRAM (Extended Data Output), também assíncrona, SDRAM (memórias Síncronas), etc. 10 R/W - Read and Write ROM - Read Only Memory DDR ou SDRAM-II (Double Data Rate SDRAM) É uma memória SDRAM muito mais avançada e que consegue trabalhar com o dobro do desempenho. Pode-se encontrá-la, por exemplo, em placas-mãe equipadas com o processador AMD K7. RDRAM (Rambus DRAM) Baseada em protocolo, isto é, usa padrão de barramento proprietário. A arquitetura interna dos circuitos, é muito diferente das demais pois, permite a leitura e escrita de até 16 dados simultaneamente por circuito. Utilizadas, principalmente, em algumas máquinas de jogos e em aplicações gráficas muito intensivas. 11 apenas de leitura. Uma vez gravada não pode mais ser alterada. De acesso aleatório, não é volátil. Mais lenta que a R/W e mais barata. Pode ser programada por máscara ("mask programmed " - MROM) em fábrica. Devido ao alto custo da máscara somente se torna econômica em grandes quantidades. MROM o firmware era gravado durante a fabricação do circuito, com o auxílio de um filme fotográfico - máscara. As máscaras apresentam o inconveniente de serem caras e não permitem regravação. 12 2
ROM - Read Only Memory Utilizada geralmente para gravar programas que não se deseja permitir que o usuário possa alterar ou apagar (Ex: o BIOS - Basic Input Output System e Microprogramas de s de Controle). Outros tipos: PROM, EPROM, EEPROM e Flash. 13 PROM - Programmable Read Only Memory apenas de leitura, programável. ROM programável com máquinas adequadas queimadores de PROM. Geralmente é comprada "virgem" (sem nada gravado), sendo muito utilizada no processo de testar programas no lugar da ROM, ou sempre que se queira produzir ROM em quantidades pequenas. Uma vez programada (em fábrica ou não), não pode mais ser alterada. 14 EPROM - Erasable Programmable Read Only Memory apenas de leitura, programável (com queimadores de PROM) e apagável (com máquinas adequadas, à base de raios ultra-violeta). Tem utilização semelhante à da PROM, para testar programas no lugar da ROM, ou sempre que se queira produzir ROM em quantidades pequenas, com a vantagem de poder ser apagada e reutilizada. EEPROM (ou E2PROM) - Electrically Erasable Programmable Read Only Memory apenas de leitura, programável e eletronicamente alterável. Também chamada EAROM (Electrically Alterable ROM). EPROM apagável processo eletrônico, sob controle da UCP (equipamento e programas adequados), menor e mais rápida que a EPROM. Mais cara, geralmente utilizada em dispositivos aos quais se deseja permitir a alteração, via modem (carga de novas versões de programas à distância ou possibilitar a reprogramação dinâmica de funções específicas de um programa, geralmente relativas ao hardware, p.ex., reconfiguração de teclado, programação de terminal, etc). 15 16 ROM Flash Funcionamento similar ao da EEPROM conteúdo total ou parcial da memória pode ser apagado normalmente por um processo de escrita. Apagadas e regravadas por blocos (o apagamento não pode ser efetuado ao nível de byte como na EEPROM), alta capacidade de armazenamento. O termo flash foi imaginado devido à elevada velocidade de apagamento dessas memórias em comparação com as antigas EPROM e EEPROM. Ideal para várias aplicações portáteis (câmeras digitais, palmtop, assistentes digitais portáteis, aparelhos de música digital ou telefones celulares). 17 s de meio magnético Fabricadas de modo a armazenar informações sob a forma de campos magnéticos. Devido à natureza eletromecânica de seus componentes e à tecnologia de construção em comparação com memórias de semicondutores, esse tipo é mais barato, permitindo armazenamento de grande quantidade de informação. Método de acesso às informações seqüencial. Exemplos: disquetes, discos rígidos e fitas magnéticas (de carretel ou de cartucho). 18 3
s de meio óptico Dispositivos que utilizam um feixe de luz para marcar o valor (0 ou 1) de cada dado em sua superfície. Exemplos: CD-ROM (leitura) CD-RW (leitura e escrita) Temporariedade Indica o conceito de tempo de permanência da informação em um dado tipo de memória. Classificação: armazenamento permanente. Ex: discos, disquetes. armazenamento transitório (temporário). Ex: registradores, memória cache, memória principal. 19 20 Organização Básica de Computadores Custo Bastante variado em função de diversos fatores: tecnologia de fabricação ciclo de memória quantidade de bits em um certo espaço físico, etc. Uma boa unidade de medida de custo é o preço por byte armazenado, em vez do custo total da memória em si. 21 Computador eletrônico digital Sistema composto por: processador memória dispositivos de entrada e saída interligados 22 Dispositivos de E/S O usuário se comunica com o núcleo do computador (composto por UCP e memória principal) através de dispositivos de entrada e saída (dispositivos de E/S ou I/O devices, também denominados periféricos). Funções básicas dos dispositivos de E/S: a comunicação do usuário com o computador; a comunicação do computador com o meio ambiente (dispositivos externos a serem monitorados ou controlados); armazenamento (gravação) de dados. Tipos de Dispositivos Dispositivos de ENTRADA Funções coletar informações e introduzir as informações na máquina, converter informações do homem para a máquina e recuperar informações dos dispositivos de armazenamento. Ex: teclado, mouse, scanner, leitoras óticas, leitoras de cartões magnéticos, câmeras de vídeo, microfones, sensores, etc. Dispositivos de SAÍDA Funções exibir ou imprimir os resultados do processamento, ou ainda controlar dispositivos externos. Ex: impressoras, monitores de vídeo, plotters, atuadores, chaves, etc. Permitem a comunicação homem-máquina 23 24 4
Exemplos de Dispositivos de Entrada e Saída Interfaces de Entrada e Saída A UCP não se comunica diretamente com cada dispositivo de E/S e sim com "interfaces ", de forma a compatibilizar as diferentes características. O processo de comunicação ("protocolo") é feito através de transferência de informações de controle, endereços e dados propriamente ditos. 25 26 Interfaces de Entrada e Saída Função compatibilizar as diferentes características de um periférico e da UCP/MP, permitindo um fluxo correto de dados em uma velocidade adequada a ambos os elementos que estão sendo interconectados. Conhecidas por diversos nomes, dependendo do fabricante. Interface de E/S Adaptador de Periférico, Controladora de E/S, Processador de Periférico, Canal de E/S. Barramentos Barramento de Expansão Barramento Interno Barramento do Sistema 27 28 Barramentos Barramentos Caminho elétrico comum que liga diversos dispositivos. Como um dado é composto por bits (geralmente um ou mais bytes) o barramento deverá ter tantas linhas condutoras quanto forem os bits a serem transportados de cada vez. Em alguns computadores (usando uma abordagem que visa a redução de custos), os dados podem ser transportados usando mais de um ciclo do barramento. 29 Podem ser: internos ao processador transferência de dados entre UAL e registradores. externos ao processador transferência de dados entre CPU, memória e dispositivos de E/S. Os barramentos externos podem ser expandidos para facilitar a conexão de dispositivos especiais. Tipos de barramento: Barramento de dados bidirecional. Barramento de endereço unidirecional. Barramento de controle bidirecional. 30 5
Barramento de Dados (Data Bus) Barramento de Endereços (Address Bus) São linhas usadas para transferência de dados e instruções entre processador, memória e dispositivos de E/S. Possuem diferentes tamanhos, dependendo do processador. Exemplo: 8, 16, 32, 64 e 128. Usado para selecionar a origem ou destino de sinais transmitidos em um dos outros barramentos ou em uma de suas linhas. Conduz endereços. Uma função típica selecionar um registrador em um dos dispositivos do sistema que é usado como a fonte ou o destino do dado. O processador usa n linhas de endereço do barramento para endereçar 2 n posições diferentes de memória Exemplo Barramento de Endereços com 16 linhas, pode endereçar 2 16 (64 K) dispositivos (1K = 1024). 31 32 Barramento de Controle (Control Bus) Dispositivo de E/S Sincroniza as atividades do sistema. Conduz o status e a informação de controle de/para o microprocessador. Para um Barramento de Controle ser formado, várias linhas de controle são necessárias (no mínimo 10, geralmente são mais). Cada dispositivo de E/S é composto de duas partes: Controladora contém a maioria dos circuitos eletrônicos do dispositivo. O dispositivo propriamente dito (ex: drive de disco). 33 34 Controladora Acesso Direto à (DMA) Em geral está em uma placa ligada a um slot livre, exceto no caso daquelas que não são opcionais (ex: teclado), que muitas vezes está na placa mãe. Função controlar seu dispositivo de E/S e tratar o acesso do dispositivo ao barramento. Uma controladora que lê ou escreve dados da/na memória sem que seja necessária a intervenção do processador executa Acesso Direto à (Direct Memory Access DMA) 35 Quando termina a transferência dos dados, a controladora força uma interrupção, fazendo com que o processador suspenda a execução do programa corrente, para começar a rodar um procedimento especial rotina de tratamento da interrupção. Quando a rotina de tratamento da interrupção terminar sua execução processador retorna a execução do programa interrompido quando da ocorrência da interrupção. 36 6
Protocolos de Barramento É um conjunto de regras que especificam o funcionamento do barramento. Define as regras e especificações, elétricas e mecânicas, de compatibilização de um conjunto de dispositivos de E/S, em geral fornecidos por terceiros, com o barramento. Os dispositivos ligados ao barramento podem funcionar como: mestres dispositivos ativos, ou seja, que comandam o barramento. escravos dispositivos passivos, ou seja, não controlam o barramento. 37 Protocolos de Barramento UNIBUS - definido pela DEC, praticamente fora de uso. ISA (Industry Standard Architecture/Adapter) - definido pela IBM para o PC-AT e adotado por toda a indústria. EISA (Extended ISA) - praticamente abandonado. PCI (Peripheral Component Interconnect) - desenvolvido pela Intel, quase um padrão para o mercado, com barramento de E/S de alta velocidade. AGP (Accelerated Graphics Port) - visa acelerar as transferências de dados do vídeo para a memória, especialmente dados para 3D. 38 Protocolos de Barramento Protocolos de Barramento Esquema de slots para três normas de barramentos. 39 USB (Universal Serial Bus) Permite a conexão de muitos periféricos simultaneamente ao barramento e este, por uma única tomada, se conecta a placa mãe. Este barramento é plug-and-play e pretende ser norma para os dispositivos que necessitem de baixa velocidade (Ex: teclado, mouse, modem, scanner, impressoras). Taxas de transferência USB: USB 1.1 (lançado em 1998) taxas entre 1,5 e 12 Mbps para periféricos mais lentos como teclados, mouse, etc. USB 2.0 (lançado em 2000) taxas de 480 Mbps para periféricos mais velozes como impressoras, scanners, etc. USB 3.0 (em fase de popularização) taxas de 4,8 Gbps com um fornecimento de energia 80% maior. 40 Protocolos de Barramento Processador Genérico Fire-Wire (nome oficial - IEEE 1394) barramento serial de altíssimo desempenho que proporciona a conexão de diversos equipamentos, utilizando uma topologia flexível e proporcionando uma boa relação custo-benefício. Criado pela Apple no início da década de 90, foi adaptado, em 1995. Capacidade de comunicação pode atingir até 30 vezes a velocidade do USB. Idéia é parecida com a do USB possui uma interface simples capaz de receber até 63 dispositivos (drives de discos, câmeras digitais, televisão digital, computadores, etc). 41 Pinagem Arquitetura lógica de Computadores um processador - Facape genérico. 42 7
Processador Genérico Um chip processador m pinos de endereço acessar 2 m posições de memória. n pinos de dados ler ou escrever uma palavra de n bits em uma única operação envolvendo a memória. pinos de controle. se comunica com a memória e os dispositivos de E/S colocando e lendo sinais digitais no/do barramento. 43 Processador Genérico Exemplo busca de uma instrução na memória: O processador: 1. coloca endereço da memória nos pinos de endereço 2. envia sinal de leitura, pino de controle, para a memória A memória: 1. coloca dados (instrução) da palavra selecionada nos pinos de dados 2. envia sinal de sucesso de leitura, pino de controle, para o processador O processador: 1. lê instrução que está já está disponível nos pinos de dados 2. inicia execução da instrução 44 Placa-mãe (Motherboard) Placa-mãe (Motherboard) É possivelmente a parte mais importante do computador. Gerencia toda a transação de dados entre a CPU e os periféricos. Mantém a CPU, sua memória cache secundária, o chipset, BIOS, memória principal, chips I/O, portas de teclado, serial, paralela, discos e placas plug-in. 45 Os microcomputadores diferenciam-se principalmente pelo processador instalado na motherboard e pelos padrões dos barramentos de expansão. Em virtude do lançamento constante de um novo processador com novas tecnologias para acelerar o processamento (duplo cache interno, maior velocidade de clock, etc.), muitas motherboards permitem o upgrade (atualização do processador sem a troca de qualquer outro componente do microcomputador). A maioria tem jumpers de configuração onde é possível modificar a velocidade do clock, do processador, etc. 46 Placa-mãe (Motherboard) Placa-mãe Intel 47 8