Introdução a Arquitetura Computadores

Introdução• Organização de Computadores: Memórias, Unidades Centrais de

Processamento, Entrada e Saída. • Linguagens de Montagem. • Modos de Endereçamento, Conjunto de Instruções. • Mecanismos de Interrupção e de Exceção. • Barramento, Comunicações, Interfaces e Periféricos. Organização de Memória.• Memória Auxiliar. • Arquiteturas RISC e CISC. Pipeline. Paralelismo de Baixa Granularidade. • Processadores Superescalares e Superpipeline. • Multiprocessadores. • Multicomputadores. • Arquiteturas Paralelas e não Convencionais. • Linguagens de máquina e linguagem Assembly. • Computadores Tolerante à falhas.

Introdução

• MONTEIRO, Mario A. Introdução à organização de computadores. 4. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2001.

• Organização e Projeto de Computadores - David A. Patterson

Introdução

• Avaliação

– Projeto de Pesquisa• Projeto• Relatório final

Ou

– Aulas expositivas, atividades e provas

Introdução

• Análise do processador– Unidade Central de Processamento – UCP– Responsável pela atividade fim do sistema• Computar, calcular, processar

– Único invólucro (pastilha-chip)• XBox One

– 5.000.000.000• Xeo

– 7.200.000.000

Introdução

ProcessadorOrganização funcional do processador

• O processador não somente realiza o processamento como também controla todo o funcionamento do sistema

• Primitivas (capacidade de realizar):– Somar, subtrair, multiplicar ou dividir números (operações aritméticas)– Mover um dado de um local de armazenamento para outro (operação

de movimento de dados)– Transferir um valor (dado) para um dispositivo de saída (operação de

entra ou saída)

• Instrução de máquina (dados e operações)– A sequência de 0s e 1s formaliza uma determinada operação

Processador Organização funcional do processador

• Linguagem Humanaa) Soma de valores inteiros

135 + 272b) Soma de valores fracionários

135,77 + 272,89

c) Notação científica0,135*10³ + 0,0272*10³

• Operações totalmente diferentes– Valores (dados) nos registradores do processador ou memória

• Um programa executável é constituído de um conjunto de instruções de máquina sequencialmente organizados


• Para a execução do programa é necessário– Instruções na memória principal– Endereço da primeira instrução

• Função do processador (CPU)– Buscar instrução na memória– Interpretar que operação a instrução está explicitando– Buscar os dados onde estiverem armazenados– Executar efetivamente a operação com os dados– Guardar o resultado– Reiniciar o processo

• Ciclo de instrução


• Funções realizadas pelos processadores– Função Processamento– Função Controle

• Barramento interno do processador– Conjunto de fios por onde fluem sinais de dados,

endereços e de controle




• Função processamento– Se encarrega de realizar

as atividades relacionadas com a efetiva execução de uma operação, ou seja, processar, realizar um cálculo aritmético ou lógico



• Função controle– Exercida pelos componentes

do processador que se encarregam das atividades de busca, interpretação e controle da execução das instruções, bem como do controle de ação dos demais componentes do sistema de computação (entrada e saída)

– Analogia ao corpo humano


Processador Função Processamento

• Manipular um ou mais valores (dados) em uma certa sequência de ações de modo a produzir um resultado útil– Operações aritméticas– Operações lógicas– Movimentação de dados (memória – UCP)– Desvio– Operações de entrada e saída


• Componentes principais– UAL

• Unidade Aritmética e Lógica

– Registradores de dados• Dados e resultados

– Registrador especial • Conjunto de bits, cada um deles com funções específicas, decorrentes das

operações aritméticas realizadas

– Barramento interno (data path)• Interligação entre estes componentes

Processador Função Processamento - UAL

• Efetivamente executa as operações matemáticas com os dados– Soma– Multiplicação– Operação lógica AND– Operação lógica XOR– Deslocamento à direita– Incremente de 1 a um valor

– Subtração

– Divisão– Operação lógica OR– Operação complemento– Deslocamento à esquerda – Decremento de 1 a um

valor

Processador Função Processamento - UAL

• ACC– Accumulator

• UAL– Aglomerado de

circuitos lógicos– Unidade de Ponto

Flutuante

Processador Função Processamento – Registradores de dados• Para que um dado possa ser transferido a UAL, é necessário que ele permaneça,

mesmo que por um breve instante, armazenado em um registrador

• O resultado de uma operação aritmética ou lógica realizada na UAL deve ser armazenado temporariamente, de modo a ser reutilizado ou transferido para memória

• Registradores e a memória cache

• Largura do registrador– 16, 32, 64 bits

• Registradores de controle

Processador Função Processamento – Registradores Especiais

• Auxiliam e completam a realização das operações matemática pela UAL– PSW – Programa Status Word

• Cada bit tem um significado diferente– Sinal– Overflow– Zero– Vai 1– Paridade


• Influência do Tamanho da Palavra– A capacidade de um processador é

em grande parte determinada pelas facilidades embutidas no hardware da UAL• Tamanho da palavra do processador• Calcular

– A=3A25 e b=172C– Big-endian e litle-endian

• UCP de 8bit e outra de 16bits


• Influência do Tamanho da Palavra– Maior ou menor tempo na execução de instrução

– Tamanho escolhido para o barramento interno e externo• Igual ao tamanho da palavra

– Implementação física do acesso à memória• Organização da memória física (L1, L2 e RAM)

Processador Função Controle

• É a parte funcional que realiza as atividades de (uma etapa de cada vez em sistemas de execução sequencial, ou várias etapas simultaneamente, em sistemas de execução pipelining)

• Ciclo de busca de instrução– Busca instrução que será executada

• Armazena em registrador especial projetado para isso– Interpretação das ações a serem desencadeadas

• Ciclo de execução de instrução– Geração dos sinais de controle apropriados para execução


• Dispositivos básicos– Unidade de controle – UC– Relógio ou clock– Registrador de instrução – RI ou IR– Contador de instrução – CI ou PC– Decodificar de instrução– Registrador de dados da memória (RDM)– Registrador de endereço da memória (REM)

• A organização dos componentes e o funcionamento básico da área de controle constituem a microarquitetura dos processadores


• Unidade de Controle– Dispositivo mais complexo do computador– Lógica necessária ara realizar a movimentação de

dados e de instruções de e para o processador• Sinais de controle que emite em instantes de tempo

determinados conforme programação prévia– Relógio – duração fixa e igual

– Dois princípios de organização de processadores para iniciar os microeventos• Por microprogramação• Por programação prévia diretamente no hardware



• Unidade de Controle – Outra característica da UC é o modo pelo qual o

sistema conduz a execução das instruções• Sequencial ou serial (SISD)• Modo concorrente pipeline• Processamento paralelo• Processamento vetorial


• O relógio– Necessidade de sincronização • Processadores são constituídos por circuitos digitais que

mudam de estado milhões de vezes por segundo

Dispositivo gerador de pulsos cuja duração é chamada de ciclo

– Se alternam do valor de intensidade (alta e baixa)• Sincronizar e cadenciar



• O relógio– Ciclo– Período– Lado de subida– Tempo de subida– Lado de decida– Tempo de descida– Frequência

• Hertz• Quantos clocks por segundo – velocidade do processador




• Registrador de Instrução– Tem a função específica de armazenar a instrução a ser

executada pelo processador• Contador de Instrução– Registrador cuja função específica é armazenar o endereço

da próxima instrução a ser executada– Fundamental para o processo de controle – Possibilidade de alteração do conteúdo do CI

• Através do incremento automático do ciclo de instrução• Sempre que o sistema reinicializar• Instruções de desvio ou mudança do programa em execução


• Decodificador de instrução– É um dispositivo para identificar qual operação

será realizada


• Decodificador de instrução– É um dispositivo para identificar qual operação

será realizada


• Registrador de Dados de Memória e Registrador de Endereços de Memória– Comunicação entre processador e memória

principal– RDM - Tamanho igual do barramento de dados• Múltiplos da palavra do processador

– REM tamanho igual ao dos endereços de memória • 2^32 = 4gb

Processador Instruções de Máquina

• Formalização de uma operação básica, simples que hardware é capaz de realizar diretamente– Operações matemáticas– Movimentação de dados– Entrada e saída– Controle

– C.Op = n Bits = 2^n– Operando: 1, 2, 3 ou 1,2 ou ACC

Código de Operação

Operando (a)

Processador Considerações

• Tecnologia de Fabricação dos Processadores– Corrida pelo clock do núcleo• 1,8 – 2,5 – 4GB

– Aumento da produtividade• Aumento do consumo de energia e temperatura• Resfriamento alternativo

– Consumo de energia – redução• Espessura da camada na qual os elementos

semicondutores são feitos (transistores e resistores)


• Tecnologia de Fabricação dos Processadores– Wafer de silício• Pureza de 99,9999%• Wafer 30cm - $ 20 mil


• Tecnologia de Fabricação dos Processadores– Wafer em seu estado original– Gases, altas temperaturas Litografia óptica– HDV – VHDL ou Verilog


• Tecnologia de Fabricação dos Processadores


• Tecnologia de Fabricação dos Processadores


• Tecnologia de Fabricação dos Processadores– Intel 4004 10 micra – 1/10 de

milímetro de espessura


• Tamanho da palavra

• Conjunto de Instruções

• Registradores de Dados– FPU – unidades de ponto flutuante

Processador Funcionamento do Processador



executar 000110110100


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Devices & Hardware

Introdução a Arquitetura Computadores