Arquitetura de Computadores ECO015

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Engenharia de Computação

Aula 3 – Interconexão do Computador 2

INTERCONEXÃO DO COMPUTADORAula 3


Interconexão do computador Todas as unidades devem ser conectadas Diferentes tipos de conexão para diferentes tipos de

unidades Memória Entrada/Saída CPU


Módulos do computador


Conexão da Memória Recebe e envia dados Recebe endereços (de localizações de memória) Recebe sinais de controle

Leitura (Read) Escrita (Write) Sincronia (Timing)


Conexão de Entrada/Saída (1) Similar ao de memória do ponto de vista do

computador Saída

Recebe dados do computador Envia dado ao periférico

Entrada Recebe dados do periféricos Envia dados ao computador


Conexão de Entrada/Saída (2) Recebe sinais de controle do computador Envia sinais de controle para periféricos

e.x. spin disk Recebe endereços do computador

e.x. número de porta para identificar um periférico Envia sinais de interrupção (controle)


Conexão da CPU Leitura de dados e instruções Envia dados para escrita (após processamento) Envia sinais de controle para outras unidades Recebe (& atua sobre) interrupções

Aula 3 - Visão de alto nível da função 9

Tipos de transferência (1) Memória para processador

Processador lê uma instrução ou dado na unidade de memória

Processador para memória Processador escreve dados na memória

E/S para processador Processador lê dados de um dispositivo por meio de um

módulo de E/S


Tipos de transferência (2) Processador para E/S

Processador envia dados para dispositivo de E/S E/S de ou para a memória

Módulo possui permissão para trocar dados diretamente com a memória, sem passar pelo processador

DMA – Direct Memory Access

Por onde ocorrem as transferências de dados?


Barramentos Existem uma grande combinação de interconexões

no sistema Estruturas de barramento Único e Múltiplos são os

mais comuns e.x. Barramento de Controle/Endereços/Dados (PC) e.x. Unibus (DEC-PDP)


O que é um barramento? Um caminho de comunicação conectando dois ou

mais dispositivos Usualmente opera em broadcast (todos os

dispositivos recebem o sinal) Frequentemente agrupados

Vários canais em um barramento e.x. barramento de 32 bits de dados é separado em 32

canais únicos Existem ainda: barramentos de alimentação

Não será abordado nesse curso


Esquema de Interconexão por barramentos


Barramento de dados Transporta dados

Neste nível, não existe uma diferenção entre “dados” e “instruções”

Largura é o fator determinando de desempenho 8, 16, 32, 64 bits


Barramento de Endereços Identifica a origem ou o destino dos dados e.x. CPU precisa ler uma instrução (dados) de uma

dada localização de memória Largura do barramento determina a capacidade

máxima de memória do sistema e.x. 8080 possui barramento de 16 bits de endereço

fornecendo 64k de espaço endereçável


Barramento de Controle Informações de Controle e Sincronia

Sinais de leitura/escrita para a memória ACK de transferência Requisição de interrupção (interrupt request) Solicitação de barramento (bus request) Concessão de barramento (bus grant) ACK de interrupção Sinais de clock


Como acontece a transferência? Como deve ser a operação

Dois passos Enviar dados

Receber dados

1. Obter uso do barramento

2 . Transferir dados pelo barramento

1. Obter uso do barramento

2. Transmitir uma requisição ao módulo

de entrada e saídaAguardar....


Grandes e amarelos? Como identificar um barramento?

Linhas paralelas nas placas de circuito Slots de conexão em placas mãe

e.x. PCI Conjunto de fios


Problemas de barramento único Grande quantidade de dispositivos compartilhando

um barramento levam a: Atrasos de propagação

Caminhos longos de dados implica que a coordenação do acesso afeta negativamente o desempenho

Maior parte do sistema utiliza múltiplos barramentos para superar tais problemas


Sistema de barramento tradicional (ISA)(com cache)

Cache evita o acesso direto do processador à memória

Permite que outros dispositivos acessem o barramento

Eficaz, porém: Dispositivos começam ficar muito

rápidos e.x. rede, vídeo, etc.Buffer


Barramentos de alto desempenho Cache/Ponte (buffer) Barramento de alta velocidade

Dispositivos de alta velocidade mais perto do processador

Alterações de processador não afetam o funcionamento dos outros barramentos

Buffer

Buffer


Tipos de barramentos Dedicados

Separação entre linhas de dados & endereços Multiplexados

Compartilhamento das linhas Linha de controle indica quando são dados ou quando

são endereços Vantagem – menos linhas Desvantagens

Controles mais complexos Degradação do desempenho


Temporização Coordenação dos eventos em um barramento Síncrono

Eventos determinados por sinais de clock Barramento de controle possui uma linha de clock Um ciclo de barramento 1-0 Todos os dispositivos recebem a linha de clock Usualmente a sincronia acontece no edge de descida Usualmente um ciclo de clock por evento


Diagrama de temporização síncronaCiclo de Leitura

Sinal de clock controla a operação do barramento

Ex. 1º Ciclo: processador coloca sinais

nas linhas de endereço e emite sinal de ativação do endereço

2º Ciclo: Leitura: memória localiza a

posição 3º Ciclo:

Leitura: Memória coloca os dados no barramento e processador efetua leitura


Diagrama de temporização síncronaCiclo de Escrita

Sinal de clock controla a operação do barramento

Ex. 1º Ciclo: processador coloca sinais

nas linhas de endereço e emite sinal de ativação do endereço

2º Ciclo: Escrita: Processador coloca os

dados nas linhas de memória 3º Ciclo:

Escrita: Copia a informação das linhas de dados para posição de memória


Temporização Assíncrona – Diagrama de leitura

Processador coloca todos os sinais no barramento Pulso na linha de leitura faz com que memória localizar o

endereço desejado e coloque os dados no barramento Quando o dados for válido a memória ativa a linha de

confirmação e o processador efetua a leitura


Temporização Assíncrona – Diagrama de escrita

Processador coloca todos os sinais no barramento Pulso na linha de escrita faz com que memória armazene

os dados na posição desejada Memória coloca um sinal de confirmação no barramento


Tipos de transferências de dados Perspectiva do processador

Endereço(1ºciclo)

Dados(2ºciclo)

Tempo de acessoEndereço Dados

EndereçoLeitura

de dados

Escrita de

dados

EndereçoEscrita

de dados

Leitura de

dados

DadosEndereço Dados Dados

Endereço

Dados

Endereço

Dados

Tempo Tempo

Tempo

Operação de escrita (multiplexada)

Operação de leitura (multiplexada)

Operação de leitura-modificação-escrita

Operação de leitura-após-escrita

Transferência de dados em bloco

Operação de escrita ( não multiplexada)

Operação de escrita (não multiplexada)

*Multiplexado – mesmo barramento para endereço e dados

AUla 12 - Estrutura e função do processador 29

ESTRUTURA E FUNÇÃO DO PROCESSADOR

Aula 12


Organização da CPU O projeto de uma CPU deve atender os seguintes

requisitos: Busca de instruções (fetch)

Ler uma instrução da memória (registrador, cache, principal) Interpretação de instruções

Decodificar a instrução e determinar a ação requerida Busca de dados

Ler os dados da memória ou de algum módulo de E/S Processamento de dados

Efetuar uma operação aritmética ou lógica com os dados Escrita de dados

Gravar os resultados na memória ou módulo de E/S


Estrutura de barramento e organização interna

CPU com barramento de sistema Estrutura Interna da CPU


REGISTRADORES


Organização dos Registradores A CPU deve possuir espaço para manipulação de dados

(armazenamento temporário) Número e funções dos registradores variam de acordo com

o design do processador Maior decisão de design (quantos e qual função?) Nível mais alto da hierarquia de memória Dois tipos:

Registradores visíveis aos usuário Registradores de controle e estado


Registradores visíveis ao usuário São os registradores que podem ser referenciados

pelos recursos da linguagem de máquina que o processador executa. Propósito geral Dados Endereços Códigos de condição


Registradores de propósito geral (1) Pode possuir qualquer função atribuída pelo programador.

Isto é, pode conter um operando para qualquer opcode. Porém podem existir restrições para seu uso (ponto

flutuante, operação de pilha, etc) Podem ser usados para dados e endereçamento

Dados Acumulador podem ser empregados para cálculos de endereçamentos

Endereçamento Indireto por registrador, deslocamento Uso geral ou endereçamento em particular


Registradores de propósito geral(2) Caso eles sejam de uso geral

Aumenta a flexibilidade e as opções do programador Aumento o tamanho & complexidade das instruções

Caso eles sejam especializados Instruções menores e mais rápidas Menor flexibilidade


Quantos registradores de propósito geral? Entre 8 – 32 (Não muito bem definido)i Quanto menos registradores mais referências são

feitas na memória Porém, mais registradores não reduz as referências

na memória


Qual o tamanho de um registrador? Grande o suficiente para armazenar um endereço

completo Grande suficiente para armazenar uma palavra

completa Deve ser possível combinar dois registradores de

dados: Programação em C: long int a;


Registradores de controle & status Controlam a operação do processador e na maior parte dos

sistemas não é visível ao usuário. Diferentes máquinas possuem diferentes organizações.

Porém os quatro essenciais são: Contador de programas (PC) Registrador da instrução (IR) Registrador de endereço de memória (MAR) Registrador buffer de memória (MBR)


Registradores de código de condição Conjunto de bits individuais

e.x. resultado da última operação foi zero Pode ser lido (implicitamente) pelos programas

e.x. Jump se zero Não pode (usualmente) ser configurado por programas


Palavra de status de um programa Muitos modelos possuem palavra de estado do

programa (PSW). Bits comuns encontrados em um PSW incluem as seguintes informações: Sinal da última operação aritmética Zero Carry Equal Overflow Interrupção Habilitada/desabilitada


Códigos condicionais


Exemplos de organização de registradores


VISÃO DE ALTO NÍVEL DA FUNÇÃOAula 3


Visão de alto nível Possível descrever um sistema de computação de

acordo com: O comportamento externo de cada componente

Dados e sinais de controle que ele troca com os outros componentes

Estrutura de interconexão e controles exigidos para gerenciar a estrutura de interconexão


Conceito de programa armazenado Três conceitos principais de Von Neumann

Dados e instruções em uma única memória escrita Memória é endereçável por local, sem considerar o tipo

de dados contido Execução ocorre de forma sequencial de uma instrução

para a próxima


Conceito de programa armazenado (2) Sistemas hardwired são inflexíveis Hardware de propósito geral?

Hardware de propósito geral podem realizar diferentes tarefas – dado os corretos sinais de controle

Ao invés de re-cabear o hardware, deve-se apenas utilizar um novo conjunto de sinais de controle


Hardwired vs. HW + SW Hardwired

Aceita dados e produz resultados

e.x.

Hardware + Software Aceita dados e sinais de

controle e produz resultado e.x.


HW + SW O que é um programa armazenado?

Sinais de controle Determina uma sequência de passos

Para cada passo, uma operação lógica ou aritmética é realizada

Para cada operação, um conjunto diferente de sinais de controle é necessário. Conjunto de sinais de controle → Instrução Conjunto de instruções → Software


Função da unidade de controle Para cada operação que pode ser realizada um

único código (opcode) é utilizado e.x. ADD, MOVE

Um segmento do hardware recebe o código e fornece os sinais de controle

Dessa forma: Temos um computador!!


Componentes do computador:Visão de alto nível

Unidade central de processsamento Unidade de Controle

(CU) Unidade lógica

aritmética (ALU)



Dados e instruções devem entrar no sistema e o resultado produzido deve sair Entrada/saída -

Input/output (módulo I/O)



Armazenamento temporário do código e dos resultados é necessário Memória RAM


Interação entre componentes CPU → Memória

MAR – próximo endereço para leitura ou escrita na memória

MBR – dados que foram lidos ou serão escritos na memória


Função do computador Executar um programa, sendo assim

CPU deve executar conjunto de instruções que está na memória

Como isso funciona? Executa os ciclos de cada instrução


Ciclo de instrução (1) Dois passos:

Busca (Fetch) Execução


Ciclo de Busca (Fetch Cycle) (2) Contador de Programa (PC)

armazena o endereço da próxima instrução a ser buscada


Ciclo de Busca (Fetch Cycle) (3) Processador busca de uma

localização na memória apontada pelo contador de instrução


Ciclo de Busca (Fetch Cycle) (4) O conteúdo do contador de

programa é incrementado Ao menos que o comando

altere seu conteúdo

+1


Ciclo de Busca (Fetch Cycle) (5) Instrução é armazenada no

Registrador de Instrução (IR)

+1


Ciclo de Busca (Fetch Cycle) - Resumo Contador de Programa (PC) armazena o endereço

da próxima instrução a ser buscada Processador busca de uma localização na memória

apontada pelo contador de instrução O conteúdo do contador de programa é

incrementado Ao menos que o comando altere seu conteúdo

Instrução é armazenada no Registrador de Instrução (IR)


Ciclo de execução (Execute Cycle) (1) Processador interpreta a

instrução e executa as ações solicitadas, como: Processador - memória

Transferir dados entre a CPU e a memória principal



instrução e executa as ações solicitadas, como: Processador – Entrada e Saída

(E/S) Transferir dados entre CPU e

módulo de E/S



instrução e executa as ações solicitadas, como: Processamento de dados

Operações lógicas ou aritméticas sobre os dados



instrução e executa as ações solicitadas, como: Controle

Alteração da sequência de operações

e.x. jump (desvio) Ou ainda, combinações das

funções acima


Ciclo de execução (Execute Cycle) - Resumo Processador interpreta a instrução e executa as ações

solicitadas, como: Processador - memória

Transferir dados entre a CPU e a memória principal Processador – Entrada e Saída (E/S)

Transferir dados entre CPU e módulo de E/S Processamento de dados

Operações lógicas ou aritméticas sobre os dados Controle

Alteração da sequência de operações e.x. jump (desvio)

Ou ainda, combinações das funções acima


Máquina Hipotética

Opcode Endereço

Magnitude

0 3 4 15

150 1

Contador de programa (PC) = Endereço da InstruçãoRegistrador de instrução (IR) = Instrução sendo executadaAcumulador (AC) = Armazenamento temporário

0001 = Carrega AC da memória (0x1)0010 = Armazena AC na memória (0x2)0101 = Adiciona da memória ao AC (0x5)

(a) Formato da instrução

(b) Formato de inteiro

(c) Registradores internos da CPU

(d) Lista parcial de opcodes


Exemplo de execução de um programa (1) Somar o conteúdo das posições de memória

940 e 941 e armazenar na memória

LOAD M(940)ADD M(941)STOR M(941)

Contador de programa = 300


0001 = Carrega AC da memória0010 = Armazena AC na memória0101 = Adiciona da memória ao AC


(d) Lista parcial de opcodes

Opcode Endereço0 3 4 15



Exemplo de execução de um programa (2)LOAD M(940)ADD M(941)STOR M(941)




(d) Lista parcial de opcodes Opcode Endereço

0 3 4 15


(a) Busca (b) Execução







0 3 4 15









0 3 4 15




Ciclo de Instrução – Diagrama de Estados

Operações na CPU

CPU-Memória

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