Arquitetura e organização de computadores 3º. Semestre - Sistemas de informação Prof. Emiliano S. Monteiro
Classificação de computadores Grande porte: Supercomputadores e Mainframes Médio porte: Minicomputadores e workstations Pequeno porte: Microcomputadores
Classificação quanto a tarefas Mono tarefas Multi tarefas
Quanto ao processamento um sistema pode ser: Local (exemplo o que temos no PC) Remoto (código que executa em um servidor) Distribuído (o processamento ocorre na rede [núvem])
Funções básicas de um computador Processamento de dados Armazenamento de dados Transferência de dados Controle
Mainframe Terminal Burro
Emperor RockHopper
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Thin cliente (cliente magro)
Principais componentes estruturais CPU Memória principal e secundária I/O BUS
CPU
Hardware de I/O A comunicação de um dispositivo com o sistema computacional é feita por intermédio do envio de sinais, por cabo ou até mesmo pelo ar. A comunicação do dispositivo com a máquina é feita a partir de um ponto de conexão chamado de porta (por exemplo uma porta serial [COM1, COM2...]). O meio (conjunto de fios) usado por um ou mais dispositivos para a conexão com o computador é chamado de barramento (ou via de dados). Para cada tipo de barramento é definido um protocolo que especifica um conjunto de mensagens que podem ser enviadas pelos fios. Essas mensagens são transmitidas usando-se padrões caracterizados pela aplicação de voltagens elétricas aos fios durante determinados intervalos de tempo.
Hardware de I/O Como o processador envia comandos e dados a um controlador para que seja feita uma transferência de dados? O controlador usa registradores para armazenar dados e sinais de controle. A comunicação do processador com o controlador é estabelecida a partir das operações de leitura e escrita de valores nesses registradores Exemplo: um controlador de terminal gráfico tem portas de I/O para operações básicas, mas uma região grande da memória é usada para mapeamento do conteúdo de telas. O controlador envia dados para a tela escrevendo valores numa região da memória (frame buffer). As imagens são geradas na tela de acordo com os valores armazenados nessa parte da memória. É mais rápido escrever milhões de bytes na memória do que gerar e executar milhões de instruções de I/O
Porta Uma porta consiste de 4 registradores: 1. Registrador de status: contém bits que podem ser lidos diretamente pelo processador, esses bits fornecem informações sobre o estado das operações no dispositivo (como o término do processamento, ocorrência de erros, etc) 2. Registrador de controle: pode ser modificado pelo processador para fazer com que a execução de um comando seja iniciada ou para mudar o modo de funcionamento de um dispositivo (um bit nessa porta pode indicar half-duplex ou full-duplex, selecionar velocidade, etc) 3. Registrador de entrada de dados: para ler dados, local de onde o processador obtém os dados 4. Registrador de saída de dados: local onde o processador escreve os resultados.
Estrutura do CPU ULA Memória principal Unidade de controle Equipamento de I/O
Unidade Central de Processamento O processador é o cérebro do computador. Sua função é executar os programas armazenados na memória principal, buscando cada uma das instruções do programa, examinando-as, e executando-as uma após a outra. Os componentes de tal computador são interligados por meio de um barramento, um conjunto de fios paralelos que permite a transmissão de dados, endereços e sinais de controle. Existem barramentos externos ao processador, cuja função é conectá-lo à memória e aos dispositivos de entrada e saída, e barramentos que ficam dentro do processador. A unidade de controle (UC)é a parte do processador responsável pela busca das instruções na memória principal e pela determinação do tipo de cada instrução. A unidade aritmética lógica (UAL) realiza um conjunto de operações, tais como a soma e AND booleano, operações essas necessárias à execução de instruções.
Unidade Central de Processamento O processador tem também uma memória pequena e de alta velocidade, usada para armazenar resultados temporários e certas informações de controle. Essa memória é formada por um conjunto de registradores, cada qual com um determinado tamanho e uma determinada função. Em geral, todos os registradores de um processador têm o mesmo tamanho. Cada um deles pode armazenar um número até um valor máximo, valor esse estabelecido pelo tamanho do registrador. Em função de estarem situados dentro do processador, os registradores podem ser lidos e escritos a uma velocidade bastante alta. De todos os registradores de um processador, o mais importante é o Program Counter (PC), cujo valor aponta para a próxima instrução a ser da memória para ser executada no processador. O nome program counter não é muito apropriado para designar esse registrador, pois sua função nada tem a ver com contagem, mas a expressão é aceita universalmente.
Unidade Central de Processamento De todos os registradores de um processador, o mais importante é o Program Counter (PC), cujo valor aponta para a próxima instrução a ser da memória para ser executada no processador. O nome program counter não é muito apropriado para designar esse registrador, pois sua função nada tem a ver com contagem, mas a expressão é aceita universalmente.
Unidade Central de Processamento Um outro registrador importante é o Registrador de Instruções (IR), que armazena a instrução que está sendo executada. A maioria dos processadores tem vários outros registradores, alguns de propósito geral e outros de propósito específico.
Unidade Central de Processamento buscando instruções 1. Busca da próxima instrução na memória e armazenamento da instrução no registrador de instruções (IR). 2. Atualização do valor do program counter (PC), fazendo-o apontar para a instrução seguinte. 3. Determinação do tipo da instrução que está sendo armazenada no registrador de instruções. 4. Se a instrução precisar de uma palavra armazenada na memória, nesse passo deve ser determinado onde essa palavra está armazenada. 5. Busca da palavra, se necessário, e armazenamento em um dos registradores do processador. 6. Execução da instrução. 7. Retorno ao passo 1 para iniciar a execução da instrução seguinte.
Ciclo de instruções início Busca da próxima instrução Execução da instrução parada
Interrupções O mecanismo de interrupções funciona basicamente como a seguir: 1. O hardware da CPU tem um fio chamado de linha de requisição de interrupções, que é testado pela CPU depois da execução de cada instrução. 2. Quando a CPU detecta que um controlador enviou um sinal na linha de requisição de interrupções, ela armazena alguns poucos valores referentes ao seu estado, como o valor atual do contador de instruções, e desvia para uma rotina de tratamento de interrupções, em um determinado endereço na memória. 3. O tratador de interrupções determina qual a interrupção deve ocorrer, realiza o processamento necessário e executa uma instrução de retorno da interrupção, que faz a CPU retornar ao estado anterior à interrupção.
C P U C o n tro la d o r d e E /S 1 P r o g r a m a co n tr o la d o r d e d isp o stivo in icia o p e r a çã o d e E /S 2 In cia I/O C P U te sta o co r r ê n cia d e in te r r u p çõ e s e n tr e in str u çõ e s 3 E n tr a d a p r o n ta, sa íd a co m p le ta o u e r r o 7 C P U d e te cta o co r r ê n cia d e in te r r u p çõ e s e tr a n sfe r e o co n tr o le p a r a o tr a ta d o r d e in te r r u p çõ e s 4 G e r a sin a l d e in te r r u p çã o 5 T r a ta d o r d e in te r r u p çõ e s p r o ce ssa o s d a d o s e r e to r n a d a in te r r u p çã o 6 C P U r e in icia p r o ce ssa m e n to d e ta r e fa in te r r o m p id a
Referências Bibliográficas MONTEIRO, Mário A. Introdução à organização de computadores. 4a. Edição. LTC Rio de Janeiro, 2001. TANENBAUM, Andrew S. Organização Estruturada de Computadores. 4a Edição. LTC Rio de Janeiro, 2001. STALLINGS, William. Arquitetura e Organização de Computadores. 5a. Edição. Prentice Hall. São Paulo, 2002.