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Arquitetura de Computadores

Introdução

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Conceitos– Arquitetura de Computador

Trata do comportamento funcional de um computador do ponto de vista do programador. São os atributos do sistema que são visíveis a este:

– Conjunto de instruções, número de bits usados para representação de dados, mecanismos de E/S, técnicas de endereçamento, etc.

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– Organização de Computador Trata dos aspectos que são transparentes ao programador.

Refere-se às unidades operacionais e suas interconexões que implementam sua arquitetura:

– Sinais de controle, interfaces entre o computador e os periféricos, tecnologia de memória, tamanho da memória física, frequência de clock, etc.

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O Avô da Computação– Charles Babbage (1791-1871) projetou, mas nunca

conseguiu construir uma versão prática da máquina que projetou.

– Ele viveu na Inglaterra, onde tinha muitas dificuldades de trabalhar com tabelas matemáticas em cálculos de navegação e trabalhos científicos. O projeto incluía até uma forma automatizada de impressão para evitar erros na hora de escrever no papel.

– Tinha funções de “branching” (paralelismo), capacidade de programação usando cartões perfurados

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Um século depois, na Segunda Guerra Mundial, ocorreram os avanços significativos na computação.

Os alemães usavam um sistema de criptografia, chamado ENIGMA inventada pela SIEMENS AG, para usar contra os aliados.

Este problema, motivou o Alan Turing (1912-1954) e outros cientistas da Inglaterra para criar máquinas capazes de quebrar a codificação das mensagens. O resultado desses trabalho gerou o sistema “Colosso”. Este sistema conseguia quebrar várias mensagens criptografadas.

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A máquina Colossos consistia de válvulas e conexões de fios.

No mesmo período, o J. Presper Eckert e John Mauchly projetaram uma máquina que poderia ser usada para calcular a trajetória balística para o exército dos Estados Unidos. Foi Chamado de “Eletronic Numerical Integrator and Computer” – ENIAC.

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O ENIAC, tinha 18.000 válvulas:– O programa e dados eram introduzidos por meio de

interruptores e troca de cabos– Não tinha uma central de memória– Foi usado por 9 anos

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Eckert e Mauchly se uniram ao Von Neumann (1903-1957), do Institute for Advanced Study de Princeton, para trabalhar num projeto de um computador com armazenamento de programa chamado EDVAC.

O conceito evoluiu e um modelo funcional derivou o EDSAC, contruído por Maurice Wilkes, da Cambridge University, em 1947.

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O modelo Von Neumann X Harvard– Existe basicamente dois modelos de arquitetura de

computadores Von Neumann Harvard

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Modelo Harvard

Modelo Von Neumann

CPUMemória

deProgramas

Memóriade

Dados

CPU

Memóriade

Programas

Memóriade

Dados

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O Modelo Von Neumann– Consiste em cinco

componentes principais, como mostra a figura

Unidade de entrada Unidade de memória Unidade aritmética e lógica Unidade de Controle Unidade Central de

processamento (CPU)

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O aspecto principal do modelo de Von Neumann é a possibilidade de usar a memória para armazenar tanto programas como também dados.

Vantagens– Os programas podem ser manipulados facilmente– Possibilitou a criação e evolução de compiladores– Possibilitou a criação e evolução dos sistemas operacionais

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Modelo Modernizado– Os computadores modernos usam uma versão que usa o

modelo de barramento de sistema de um sistema de computação

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Modelo Von Neumann Aprimorado

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Idéia de Barramento– Compartilhamento de dados entre as unidades– Necessidades de identificadores individuais entre

as unidades para se comunicarem– Memória e E/S podem ser identificados de forma

única ou separados– O Barramento de Controle é o mais Complexo,

pois ele é responsável por coordenar o fluxo de dados entre os barramentos.

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Níveis das máquinas

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Níveis das Máquinas– Para o estudo da computação podemos separar em níveis

que podem apresentar aspectos relacionados deste o usuário, até o mais baixo que pode ser o transistor.

– Estes níveis como visto na figura anterior, inclusive estão sendo discutidos e podem aumentar!

Vantagens– Cria abstrações para diferentes níveis de conhecimento de

um computador. Ex: Usuário, Programador, Engenheiro, Físico, etc.

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Níveis das Máquinas– Usuário

Nível de alto nível, onde as pessoas usam o computador para processar textos, planilhas, acessar Internet ou jogar “games” Ex: Word, Email, CS, etc

– Linguagem de Alto Nível Neste nível, as pessoas dedicadas a este tipo de trabalho,

estão acostumadas a programar com linguagens de programação tipo C, Pascal, Basic, Java, etc. Usam compiladores para adequar os comando de alto nível de programação em diferentes máquinas computacionais.

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Níveis das Máquinas– Montagem de Código de Máquina

Neste nível, tratamos com uma linguagem de baixo nível, chamada de linguagem de máquina ou código de máquina. Os compiladores normalmente traduzem a linguagem de alto nível para a linguagem de baixo nível, porque está é a linguagem que a máquina entende.

A linguagem de máquina, utiliza um conjunto de instruções que na verdade é uma coleção de comandos presentes na linguagem de baixo nível. Na prática, esses comandos não passam de zeros e uns que combinados formam diversas instruções que o hardware entende.

Como o ser humano não consegue entender bem uma linguagem de máquina, surgiu a linguagem assembly, ou linguagem de montagem, cujo o objetivo foi apenas traduzir os comandos binários em mnemônicos, em outras palavras em palavras de comando que as pessoas pudessem entender melhor.Ex: 00 0001 1000 1100 = CLRF F

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Níveis das Máquinas– Controle

A unidade de controle tem papel importante num sistema computacional. Esta unidade é responsável por efetuar a transferência de dados entre registradores. Para isto, interpreta os comandos de acesso a dados e transfere as informações entre registradores.

Uma solução é usar microprogramas. A idéia é que exista uma outra linguagem de mais baixo nível ainda, para tornar flexível a implementação de funcionalidades do código de máquina. Ex: Normalmente isto é feito para compatibilizar linguagem de maquinas antigas em novas arquiteturas mais rápidas como a INTEL faz.

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Níveis das Máquinas– Unidades funcionais

Incluem a memória, ALU, registradores, etc– Portas lógicas, transistores e Fios

As unidades funcionais são construídas a partir de circuitos lógicos que por sua vez são feitas de transistores. Eles circuitos são responsáveis por executar as operações mais simples como o AND, OR e NOT. A combinação complexas destas portas lógicas com e uso de temporização permitem fazer o processamento de dados dentro de um computador.

Neste nível, as preocupações com detalhes com níveis de sinal elétrico, corrente, atraso de propagação de sinais, efeito quantico e outros assuntos relacionados são importantes.

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Sistema Típico de Computador

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Supercomputadores (Mainframe)

(Source: http://www.paralogos.com/DeadSuper)

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Lei de Moore– A lei de Moore diz que o poder computacional dobra de

capacidade a cada 18 meses– Investimento de alto risco para a industria de

microprocessadores. Aumenta o valor de investimento ao mesmo tempo que reduz o tempo de retorno de cada novo chip.Ex: é necessário 2,3 ou 4 bilhões de dólares para cada novo projeto de chip mais rápido.