Estrutura Interna Computador Arquitectura de von Neumann Overview Conceitos Informáticos Sistemas Informáticos Input Devices Primária CPU Secundária Output Devices O computador executa uma sequência de instruções que actuam sobre dados. Tanto as instruções como os dados encontram-se em memória Comandos de Controlo Unidade de Controlo ALU (Unidade Aritmética e Lógica) CPU Comandos de Controlo Dispositivos de Entrada/Saída (c) Paulo Marques SLIDES 2 Fetch-Decode-Execute Toda a arquitectura de von Neumann é baseada no ciclo fetch-decodeexecute Em cada ciclo de relógio: Vai-se buscar uma instrução à memória, de acordo com o valor do Program Counter (PC), colocando-se a mesma no Instruction Register (IR) Descodifica-se a instrução, verificando-se o que é que esta deverá fazer Executa-se a instrução propriamente dita (em IR) Instructions A B C Data Modelo simples de um processador O processador contém a Unidade Aritmética e Lógica (ALU), e a Unidade de Controlo Existem dois registos especiais: IR (contém a instrução a executar) e PC (o contador de programa). Existem também registos de âmbito geral e registos especiais ALU Processador IR: Instruction Register PC: Program Counter R0: General Register 0 R1: General Register 0 Unidade Controlo BUS 00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13 John von Neumann (1903-1957) Matemático brilhante, inventor do conceito de stored-program e pai do computador moderno Na verdade, sabe-se que uma boa parte do trabalho foi feito pela equipa de JP Eckert (ENIAC), simplesmente von Neumann não colocou o nome dos outros autores no artigo original Desenhou a máquina IAS que se tornou o protótipo de virtualmente todos os computadores que se seguiram! Foi um dos homens a quem foi encarregue a construção da bomba atómica em Los Alamos Para saber mais: http://www-gap.dcs.st-and.ac.uk/~history/mathematicians/von_neumann.html http://ei.cs.vt.edu/~history/vonneumann.html 1
A importância do BUS Hierarquia de memória Principais tipos de memórias num PC Velocidade Preço Registos Cache Central (RAM) Princípio da localidade espacial: Se eu acedi a estes dados, é provável que aceda aos dados que estão próximos (e.g. uma imagem) Princípio da localidade temporal: Se eu acedi à pouco tempo a estes dados, é provável que lhes vá aceder dentro de pouco tempo ~128x 32bits ~512Kbyte ~512Mbyte ROM: Read-Only Memory apenas de leitura, programada de fábrica. Os dados não desaparecem quando é desligada da corrente. Tipicamente utilizada para implementar a BIOS (Basic Input Output System) nos computadores. Hoje em dia, é tipicamente utilizada EEPROM Electrical Erasable ROM RAM: Random Access Memory de leitura e escrita, de acesso aleatório É volátil: os dados desaparecem quando se desliga da corrente Tipicamente utilizada para implementar a memória central dos computadores. Existem muitas tecnologias: DDR, SDRAM, EDO... Front-side BUS de Massa (Disco) ~60Gbyte Massa não volátil, de tecnologia mecânico-magnética Utilizada para armazenamento de grandes quantidades de dados Tamanho O cérebro O CPU (1) Lei de Moore Apenas quatro anos após o circuito integrado ter sido inventado, Moore disse que: O número de transístores que a indústria irá colocar num circuito integrado duplicará todos os anos. A lei neste momento diz que são todos os 18 meses! A performance está directamente relacionada com o número de transístores num integrado (mas não só!) Gordon E. Moore, Co-Fundador da Intel em 1968 Lei de Moore (2) Pentium 4 die, 42 milhões de transistores! Pentium 4 waffer Infelizmente, as outras partes dos computadores (nomeadamente os discos), não acompanham esta evolução. 2
Desempenho dos Processadores Um exemplo: Compaq Presario 6640PT Instruction Set = conjunto de instruções (Linguagem Máquina - seq. de 0s e 1s) que Processador o processador pode interpretar e executar Uma Visão Sobre um PC Moderno Clock = gerador de impulsos (oscilador de cristal) que comanda o ritmo de funcionamento do processador A cada impulso do Relógio, o processador inicia um ciclo de aquisição e execução de instruções. MIPS MIPS==Milhões Milhõesde deinstruções InstruçõesInteiras Inteiraspor porsegundo Segundo 256 MB DDR-SDRAM 333MHz, em dois DIMMs Armazenamento Medida falaciosa pois depende não apenas do tipo da instrução mas também da arquitectura do processador 60 GB Unidade de disco rígido Ultra DMA (5400 rpm) Unidade de DVD-ROM 16x + Gravador de CDs 48x 12x 48x Unidade de disquete de 3,5-1,44 MB Video/Audio Unidades mais específica para avaliar o desempenho de um processador Modem V92 56 kbps Interface de rede 10/100BT Interface IEEE 1394 Acessórios Estas instruções estão armazenadas na memória principal. - algumas instruções podem ser executadas num único ciclo do clock - outras poderão exigir vários ciclos para serem concluídas 11Megahertz Megahertz==11milhão milhãode deimpulsos impulsospor porsegundo segundo Comunicação Intel Pentium 4 2,4 GHz Chipset Intel i845ge 533MHz Velocidade de bus 512 KB de cache de nível 2 Teclado + Rato PS2 Ecrã plano de 17 Expansibilidade 5 baías de 1 porta AGP 3 PCI (2 PCI livres) 6 portas USB 2.0 (2 frontais) 1 porta paralela 1 porta série (RS-232) 1 porta IEEE 1394 1 saída TV ATI Radeon 9000 c/ 64 MB de memória Solução integrada de som MFLOPS MFLOPS==Milhões Milhõesde deinstruções Instruções(Floating-Point) (Floating-Point)por porsegundo Segundo Motherboard (ASUS P4S8X) Motherboard Motherboard 101 Periféricos Ligação a periféricos Encaixes para unidades (drives) Encaixe para alimentação Encaixes para a memória RAM Encaixe para processador Encaixes para placas de Rato e Teclado ROM Série Som s USB Rede FastEthernet Paralela Firewire 3
Motherboard 101 CPU Motherboard 101 Alimentação Motherboard 101 CPU & Alimentação Receptáculo dos módulos de memória Heat sinks Pentium 4 Alimentação Módulos de memória DDR Pentium 4 + Heat sink + Fan Alimentação de Dispositivos Alimentação da Motherboard Motherboard 101 Discos & CD-ROMS Motherboard 101 Placa Gráfica Motherboard 101 Slots PCI Os PCs actuais trazem dois controladores de disco, um primário e um secundário. Cada um pode controlar dois discos: um master e um slave. Slot AGP para a placa gráfica Slot de Cabo de disco IDE Placa Gráfica Placa de Rede PCI Disco IDE Selecção Master/Slave 4
Interior de um Computador O Resultado é Quiz: Que coisa é esta?? Fonte de alimentação Cabos eléctricos Unidades (Drives) Um PC! Currently the fastest machine on the face of the Earth The Earth Simulator is a project to develop a 40 TFLOPS system for climate modeling. Currently it performs at 35.86 TFLOPS. on board das placas de Placa principal (Motherboard) Placas de The ES is based on: - 5,120 (640 8-way nodes) 500 MHz NEC CPUs - 8 GFLOPS per CPU (41 TFLOPS total) - 2 GB RAM per CPU (10 TB total) - Shared memory inside the node - 640 640 crossbar switch between the nodes - 16 GB/s inter-node bandwidth Para saber mais... Computer Science An Overview Capítulo 0 Capítulo 2 (2.1, 2.2, 2.3, 2.5) How Stuff Works (http://computer.howstuffworks.com): How PCs Work How Microprocessors Work How Motherboards Work How Computer Memory Works Informação Extra: Arstechnica, The PC Enthusiast s Resource: http://www.arstechnica.com/ 5