Arquitetura e Organização Introdução
Por: joheleh • 9/5/2015 • Dissertação • 1.600 Palavras (7 Páginas) • 342 Visualizações
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Arquitetura e Organização
Introdução
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Evolução
Desempenho
Arquitetura de Von Neumann
Arquitetura de Harvard
Conceitos Essenciais
Visão da Eletrônica Fundamental
Abstração do Computador
Um modelo de Ferraria
História
ENIAC Primeira Geração
1945-1955
IBM 7090 Segunda Geração
1955-1965
IBM Terceira Geração
1965-1980
Notebook - Quarta Geração
1980-?
Conceitos Básicos
Bit: Posição que carrega uma informação, estado de condução sim-0, não-1.
Byte: conjunto de formação da tabela de codificação. 8 bits.
Nibble: conjunto de 4 bits ou meio byte.
Word: conjunto de bits que o hardware (computador) trabalha por vez(clock).
ASCII: Tabela de codificação padrão para troca de informações.
EBCDIC: tabela de codificação para troca de informação.
Hardware: parte física do computador
COMPUTADOR
Software: parte lógica do computador
Computador: toda máquina capaz de transformar dados em informações.
Unidades de Medida: byte, Kilobyte, Megabyte, Gigabyte, Terabyte,Petabyte...
Arquitetura padrão de um computador: Von Neumann
- Periféricos, processador(uc+ula+registradores), memória, barramento.
Von Neumann x Harvard
Organização Estruturada
Níveis da Linguagem
Níveis de Máquina
Organização Estruturada
Interpretação
Nível 0 da Lógica Digital: 0, 1 (portas lógicas)
Linguagem Numérica
Componentes
EletrônicosPortas Lógicas
Memórias
Registradores
Nível 1 da Microarquitetura
Registradores
Unidade Lógico Aritimética (ULA/UCP)
Caminho de Dados (microprograma / hardware)
Nível 2 do Arquitetura do Conjunto de Instruções
ISA - Instruction Set Arquitecture
Tradução
Nível 3 de Máquina de Sistema Operacional Linguagem de Montagem
Híbrido - Parte interpretada pelo sistema operacional e Parte e interpretada
pelo microprograma
Nível 4 da Linguagem de Montagem (Assembly)
Programas escritos em linguagem de montagem são traduzidos (assembler)
para linguagens de nível mais baixo (1,2,3) e interpretados
Nível 5 das Linguagens de Solução de Problemas
Programas nestas linguagens são traduzidos para nível (3,4) por compiladores,
as vezes podem ser interpretados (java)
Arquitetura x Organização
Arquitetura:
“Conjunto de tipos de dados, operações e
características de cada nível é denominado arquitetura. A
arquitetura trata dos aspectos que são visíveis aos
usuários daquele nível. Características que o programador
vê, como a quantidade de memória disponível, são parte
da arquitetura.
Hardware e Software são logicamente equivalentes.
Karen Panetta Lenz diz: ‘Hardware é apenas software
petrificado’”.
TANENBAUM, Andrew S. Organizacao Estruturada de
Computadores. 5 ed. Prentice-Hall, 2007. Páginas 4 e 5.
Microprogramação
1951 - Maurice Wilkes -> interpretador armazenado imutável (o
microprograma), executar instruções ISA. Reduzir número de válvulas eaumentar a segurança. Máquinas de três níveis.
1960 - Sistema Operacional -> criado o nível de execução que carregava as
instruções de compilador e os dados de programas.
1970 - Migração de funcionalidade do sistema operacional para
microprogramação. Programadores agregaram muitas funções ao
microprograma melhorando funcionalidades e desempenho.
Microprogramação migrou para o hardware
“A fronteira entre o Hardware e o Software é arbitrária, está condicionada
as mudanças tecnológicas, aos custos e aos modelos de negócio
vigentes”.
Lei de Moore
Computadores atuais
Tipo Computador Descartável
Preço (US$) 0,5
Exemplo Aplicação
Cartões de felicitações
Microcontrolador
5
relógios, carros, eletrodomésticos, etc
Computador móvel e jogos
50
Vídeo games domésticos, Smartphones
Computador pessoal
500
Computador Desktop e Notebook
Servidor
5K
Servidor de rede
Mainframe
5M
Processamento de dados em bloco em banco
Descartáveis
Microcontrolador
Jogos e Smartphones
Desktop e Notebook
Servidor
Mainframe
Arquiteturas
x86 / ARM / AVR
Processadores Intel e compatíveis
Processadores ARM
Processadores AVR
RISC X CISC (CRISC)
● RISC x CISC
○ RISC = Reduced Instruction Set
Computer pequeno conjunto de
instruções (em torno de 50).
○ ênfase em instruções simples.
○ não usa interpretação.
● CISC = Complex Instruction Set Computer
grande conjunto de instruções (de 200 a
300).
○ênfase em instruções complexas.
○ usa interpretação.
Argumentos RISC
Argumento a favor da tecnologia RISC
● Um máquina RISC que precisasse de 4 ou 5
instruções para fazer o que uma máquina CISC
faria com apenas 1 instrução, se as instruções
RISC fossem 10 vezes mais rápidas (por não
serem interpretadas) a máquina RISC seria mais
rápida.
● Fatores que impediram a supremacia da
tecnologia RISC
● Compatibilidade com máquinas antigas.
● Aparecimento de máquinas hibridas (processador
CISC com núcleo RISC, ex. 486 da INTEL).
Processadores Modernos
(RISC)
● Todas as instruções são diretamente
executadas por hardware
● nenhuma instrução interpretada por micro
instruções.
● para processadores com filosofia CISC, as
instruções mais complexas podem ser
divididas em partes, cada uma das quais
sendo executada por uma seqüência de
micro instruções.
Processadores Modernos
● Maximizar a taxa à qual as instruções são
executadas
○ maximizar a performance em termos de
MIPS – milhões de instruções por
segundo.
○ execução de um grande número de
instruções lentas ao mesmo tempo
(paralelismo).
○ instruções nem sempre serão executadas
na ordem lógica.
Processadores Modernos
● As instruções precisam ser facilmente
decodificadas
○ decodificação é um dos processos
críticos que mais influencia na velocidade
de execução das instruções e determina
os recursos a serem usados.
○ quanto menos formatos de instruções,
mais fácil a decodificação.
Processadores Modernos
● Somente as instruções de load() e store()
devem referenciar a memória*
○ acesso a memória é demorado.
○ execução de instruções especiais que
acessam a memória pode ser intercalada
com outras instruções.
Processadores Modernos
● Projetar uma máquina com muitos
registradores
○ mínimo: 32.
○ palavras de memória devem permanecer
nos registradores até que não sejam mais
necessárias.
○ o processo de armazenamento do
conteúdo de um registrador na memória
por falta de registradores suficientes deve
ser evitado.
Intel x86
Intel x86
ARM
AVR
tinyAVR
megaAvr
AVR xMega
Paralelismo
Paralelismo
Nível de Instrução
1. pipeline (estágios)
2. arquitetura superescalar
Nível de Processador
1. SIMD (Single Instruction-Stream Multiple
Data-Stream)
2. Vetoriais
Multiprocessadores
Multicomputadores
Pipelining (instruções)
Superescalar
Superescalar
Multiprocessadores
Multicomputadores
Arquitetura e Organização
Computador eletrônico digital
Composto por três componentes básicos
interligados
1. Processadores,
2. Memórias,
3. Dispositivos de entrada/saída.
Elementos chave dos sistemas computacionais
Estão em cada um dos níveis da organização
dos sistemas computacionais.
Arquitetura e Organização
Arquitetura e Organização
Processadores
Função: Busca e execução das instruções do
programa na memória principal.
Utiliza barramentos para transmissão de
dados, endereçamento econtrole.
Unidades internas
● Unidade de controle,
● Unidade aritmética lógica (UAL),
● Unidade de registradores.
Arquitetura e Organização
Processadores
● Unidade de controle: busca e determina o
tipo de cada instrução.
● Unidade aritmética lógica: realiza
operações aritméticas (soma, subtração,
etc.) e operações lógicas (AND, OR, etc.).
● Unidade de registradores: memória interna
do processador, pequena, de alta
velocidade para armazenamento de dados
temporários.
Arquitetura e Organização
Registradores importantes
Program Counter (PC): endereço da próxima
instrução a ser buscada na memória para ser
executada no processador.
Registrador de Instruções (IR): instrução que está
sendo executada.
Registrador de Endereço de Memória (MAR):
especifica o endereço na memória para próxima
leitura ou escrita.
Arquitetura e Organização
Registrador de de Buffer de Memória (MBR): contém
os dados a serem escritos na memória ou recebe os
dados lidos da memória.
Registrador de Endereço de E/S (IO AR): especifica
um dispositivo de E/S em particular.
Registrador de Buffer de E/S (IO BR): usado para
troca de dados entre um módulos de E/S e a CPU.
O tamanho do registrador é em função do tamanho da
palavra do processador.
Arquitetura e Organização
Caminho de dados
● Parte constituída dos registradores (em
geral de 1 a 32), ULA e barramentos.
● Os registradores alimentam as duas
entradas (A e B) da ULA.
● A saída da ULA é conectada a um dosregistradores.
Arquitetura e Organização
Arquitetura e Organização
Classes de instruções:
registrador-memória: permite que o conteúdo
de palavras da memória sejam armazenadas
em registradores, e vice-versa (palavras são
unidades de dados movidas entre memória e
registradores).
registrador-registrador:
busca
dois
operandos em registradores, realiza a
operação e coloca a saída em um registrador
(ciclo do caminho de dados).
Arquitetura e Organização
Execução de instruções
- Ciclo da busca-decodificação-execução.
Arquitetura e Organização
Passos para execução de instruções
1. Localiza próxima instrução na memória e
armazenamento no registrador de instruções (IR).
2. Atualiza o Contador de instrução (PC) para apontar
para a próxima instrução.
3. Determina o tipo de instrução armazenada no IR.
4. Determina o endereço da palavra na memória, se
instrução precisar.
5. Localiza a palavra na memória, se necessário, e
armazena em outro registrador.
6. Executa instrução.
7. Retorno ao passo 1
Arquitetura e Organização
● O ciclo da busca-decodificação-execução
das instruções tem o estilo de um programa.
● É possível escrever um programa que
simule a função de um processador e que
não precise, necessariamente, ser
executado por um processador eletrônico.
● Um programa pode ser executado por outro
programa que busque, decodifique e
execute suas instruções (interpretador).
Arquitetura e Organização
Memória
Parte do computadoronde os programas e os
dados são armazenados.
Elemento a ser manipulado: bit
Unidade de informação a ser armazenada,
recuperada ou transferida: célula
Célula: Grupo de n bits (n = 8) => 1 Byte
Endereço: código de identificação da
localização das células (informações)
Arquitetura e Organização
Bytes são agrupados em palavras (palavra de 32 bits
tem 4 bytes/palavra).
A maioria das instruções de uma máquina opera sobre
palavras. Uma máquina de 32 bits deverá ter
registradores e instruções para tratar palavras de 32
bits.
Endereço da célula – número associado à célula, que
permite aos programas referenciá-la.
Memória de n células – 0 a n – 1 endereços
Célula de k bits – pode armazenar 2k combinações de
bits.
Arquitetura e Organização
Operações
ESCRITA: transferência de informações de
outro componente do sistema de computação
para a memória (CPU para memória)
LEITURA: transferência de bits da memória
para a CPU, disco.
Arquitetura e Organização
Memória de um computador
Construída de vários componentes interligados e
integrados, com o objetivo de armazenar e recuperar
informações.
Conceitos Importantes
● Tempo de acesso
● Capacidade
● Volatilidade
● Tecnologia de fabricação
● Temporariedade
● Custo
Arquitetura e Organização
Hierarquia de Memória
Arquitetura e Organização
Registradores
Elementos superiores da pirâmide de memória,
por possuírem a maior velocidade de transferência
dentro do sistema, menor tempo deacesso,
menor capacidade de armazenamento e maior
custo. Memórias rápidas usadas em execução de
instruções dentro do processador, para minimizar
os acessos às memórias externas ao
processador.
Arquitetura e Organização
Registradores de propósito específico
cumprem funções específicas (Ex.: PC ou IP e
SP) alguns só são usados pelo processador
Registradores de propósito geral
usados para armazenar variáveis locais e
resultados intermediários são, em geral,
simétricos e intercambiáveis (usados
indistintamente)
Arquitetura e Organização
Memória Principal
A memória básica de um sistema de
computação desde seus primórdios.
Arquitetura de Von Neumann: “máquina de
programa armazenado”
É o dispositivo no qual o programa e seus
dados, que serão executados, é armazenado
para que a CPU "busque" instrução por
instrução.
Uso do HD como extensão da Memória Principal Memória Virtual
Arquitetura e Organização
Capacidade: MB a GB
Dispositivos voláteis. Há normalmente uma
pequena quantidade de memória não volátil
fazendo parte da memória principal que
contém o BIOS.
Tecnologia: em sistemas atuais esta tecnologia
produz memória com elementos dinâmicos DRAM.
Grande capacidade de armazenamento.
Melhora a capacidade de processamento.
Arquitetura e Organização
Arquitetura e Organização
Organização dos bytes na memória
Organização dos bytes em uma palavra
de memória
Ordenação big endian
maior valor (big) em primeiro lugar menor endereçoOrdenação little endian
menor valor (little) em primeiro lugar menor endereço
Arquitetura e Organização
Ordenação big endian
Bytes são numerados da esquerda para a
direita (0, 1, 2,..., n-1)
Usada por sistemas Unix (arquiteturas SPARC,
IBM Mainframe)
Exemplo numérico com 2 bytes:
1305H = 0001 0011 0000 0101
1
3
0
5
Arquitetura e Organização
Ordenação little endian
Bytes são numerados da direita para esquerda
(n-1, ..., 2, 1, 0)
Usada por IBM PCs (arquiteturas INTEL)
Exemplo numérico com 2 bytes:
1305H = 0101 0000 0011 0001
5
0
3
1
Arquitetura e Organização
Arquitetura e Organização
Problemas causados pela falta de
padronização do armazenamento em
memória:
● interpretação de instruções e dados em redes.
● softwares que rodam em várias plataformas devem
tratar essas diferenças.
● uso de plataformas de palavras de diferentes
tamanhos.
● a solução para o problema não é trivial, em geral
se baseia em inversão dos bytes. Isto funciona
para valores numéricos mas não para cadeias de
caracteres.
Arquitetura e Organização
Códigos com correção de erros
Problema: erros causados por oscilação de
tensão, por exemplo.
Solução: Dados são armazenados na memória
com um código que permita a detecção ou
correção de erros.
São acrescentados bits extras nas palavras de
memória usados para verificar a exatidão da
informação.
Uma palavra de código de n bits conterá: m bits de
dados + r bits de redundância (ou verificação).
...
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