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Arquitetura de Computadores e Revisão de Hardware Susanny Mirelli Março/2013

Aula 2 - Arquitetura de Computadores-Revisao de Hardware

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Arquitetura de Computadores e Revisão de Hardware

Susanny MirelliMarço/2013

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Estrutura Computacional

Um SO está intimamente ligado ao hardware do Computador

Compuatdores pessoais modernos hierarquias de barramentos, apresentando estrutura mais complexa

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Estrutura Computacional

• Unidade de processamento central (CPU): controla as operações do computador e realiza as funções de processamento das informações. Geralmente identificado como o processador.

• Memória principal: armazena as informações

• I/O: realiza a transferência de informações entre o interior e o exterior

• Interconexões: mecanismos de troca de informações entre a CPU a memória principal e o I/O

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Processadores

• Ciclo básico de execução: • buscar a primeira instrução da memória• Decodificá-la para determinar seus operandos e qual

operação a executar• Executar

• Buscar sucessivamente novas instruções, decodificá-la, executá-la, até que o programa pare.

• Componentes:• Unidades de Controle: responsável pelo controle da CPU• Unidade aritmética e lógica (ALU): realiza as operações de

processamento• Registradores: possibilita a armazenagem interna na CPU• Interconexões: realiza a comunicação entre as unidades da

CPU

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CPU - Execução das InstruçõesU

CPULA

UC

Entrada Saída

MP

Memória Auxiliar

Comece a receber entrada a partir do Drive de CD-Rom

Se X maior que Y, vá para o passo 46 do programa

Multiplique A por B e armazene o resultado em C

InstruçãoInstruçãoLocal de ExecuçãoLocal de Execução

Unidade de Controle

ULA

ULA

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CPU - Execução das Instruções

• Instrução – comando que define integralmente uma operação a ser executada

• Programa – instruções ordenadas logicamente

• Programa – série de instruções que o computador deve executar

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CPU - Registradores

• Dispositivos utilizados como endereços para os operadores presentes em cada operação

• Ex.:– 1. Transferir o conteúdo do registrador n°3 para o

registrador n°2– Adicionar o conteúdo do registrador n°4 ao conteúdo do

registrador n°1, armazenando o resultado no registrador n°1

– Subtrair o conteúdo do registrador n°1 do conteúdo do registrador n°6, armazenando o resultado no registrador n°6

R0 R1 R2 R3 R4 R5 R61 4 3 5 2 8 7

R0 R1 R2 R3 R4 R5 R61 6 5 5 2 8 1

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Registradores Especiais

A maioria dos computadores tem registradores especiais visíveis aos programadores:

• Contador de Programa• Ponteiro de Pilha: aponta para o topo da pilha

atual (a pilha contém variáveis locais, parâmetros de entrada e variáveis temporárias)

• PSW (program status word): palavra de estado do programa

• O SO deve estar ciente de todos os registradores: interrupção

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Execução das Instruções

Pode haver saltos de execução

Operações sobre alguns dados podem exigir acessos a mais de um componente

Necessidade de armazenar temporariamente dados e instruções

Memória Principal

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Execução das Instruções

CPU troca dados com a MemóriaRegistradores internos: MAR e MBR

Registrador de endereço de E/S: I/O AR e I/O BR

Módulo de memória consiste em um conjunto de locais, definidos por endereços numerados sequencialmente

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Execução das Instruções

Processamento de instrução – duas etapas:Processador lê (busca) instrução da memória

Executa instrução

O processamento exigido para uma única instrução é chamado de ciclo de instrução

Início Buscar próxima instrução

Executar instrução

Final

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Execução das Instruções

Busca e Execução de InstruçõesPC: Contador de programa, mantém o

endereço da instrução a ser buscada

O processador sempre incrementa o PC, de modo que buscará a próxima instrução em seqüência

O processador interpreta a instrução e realiza a ação solicitada

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Execução das Instruções

Categorias das ações realizadas pelo processador:Processador-memória

Processador-E/S

Processamento de dados

Controle

A execução de uma instrução pode envolver uma combinação dessas ações

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O Sistema de Computação4 primeiros dígitos = 1 hexaIndicam que o AC deve ser incrementado

O conteúdo do AC é armazenado no local 941

Busca próxima instrução, na seqüência

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Execução das Instruções

Pode haver mais de uma referência á memória ou envolver e/s

Diagrama de estado mais elaborado, onde alguns estados podem ser nulo ou ser visitado várias vezes

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Execução das Instruções

Os estados podem ser:Cálculo de endereço de instrução

Busca da instrução

Decodificação da operação da instrução

Cálculo do endereço do operando

Busca do operando

Operação dos dados

Armazenamento do operando

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Execução das Instruções

Busca da Instrução

Busca da Operando

Armazenamento do Operando

Cálculo doEndereço da

instrução Decodificaçãoda operação da

instrução

Cálculo do endereço do

operando

Operação dos dados

Cálculo doendereço do operando

Instrução Completa, busca próxima instrução

Retorna para dados de string ou vetor

Múltiplosoperandos

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Execução das Instruções

InterrupçõesMelhorar a eficiência do processador

Diferenças de desempenho entre processador e periféricos de E/S

Desperdício de uso do processador?

Com as interrupções o processador pode estar engajado na execução de outras instruções

Page 21: Aula 2 - Arquitetura de Computadores-Revisao de Hardware

Execução das InstruçõesInterrupções

O programa usuário não precisa conter código especial

Ciclo de interrupção é adicionado ao ciclo de instrução:

Início Buscar próxima instrução

Executar instrução

Final

Verificar interrupção:Processar

interrupção

Ciclo de execução Ciclo de interrupção

Ciclo de busca

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Execução das Instruções

O processador e o SO são responsáveis por suspender o programa do usuário e depois retomá-lo

Classes de InterrupçãoPrograma

Timer

E/S

Falha de Hardware

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Execução das InstruçõesTransferência de controle via interrupções

1

2

i

i + 1

M

Interrupção Ocorre aqui

.

.

.

.

.

.

.

.

.

Tratador de Interrupção

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Execução das Instruções

Ciclo de InterrupçãoO processador verifica se houve alguma

interrupção: sinal de interrupçãoSe tiver interrupção pendente:

Suspende a execução do programa e salva contexto

Armazena no contador do programa o endereço inicial de uma rotina de tratamento de interrupção

Page 25: Aula 2 - Arquitetura de Computadores-Revisao de Hardware

O Sistema de ComputaçãoInterrupções Múltiplas

----------

Programa do Usuário

-----

-----

-----

Rotina de interrupção de

impressora

Rotina de interrupção de comunicação

Rotina de interrupção de

disco

t=0

t=40

t=10

t=15

t=25

t=25

t=35

Prioridades: impressora – 2Disco – 4Linhas de comunicação - 5

Page 26: Aula 2 - Arquitetura de Computadores-Revisao de Hardware

CPU – Microprocessador

• Miniaturização da CPU fez surgir os PC’s

• Há microprocessadores responsáveis por atividades locais– Co-processadores: complexos cálculos

numéricos ou apresentação de imagens de alta resolução

• Co-processador aritmético• Co-processador gráfico

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Memória

Uma memória devia ser bastante rápida, para que a CPU não fosse atrasada, além de muito grande e barata

Não há atualmente - solução: hierarquia de Memória

Hierarquia:

Interna: registradores, níveis de cache, MP

Externa: disco rígido fixo, mídia removível

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Ao descer:

custo/bit menor

Capacidade maior

Tempo de acesso mais lento

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Memória

Enquanto se desce na hierarquia:Diminuição do custo por bit

Aumento da capacidade

Aumento do tempo de acesso

Diminuição na freqüência de acesso

Validade da última condição: Princípio da Localidade de ReferênciaReferências repetidas a um pequeno conjunto de

instruções

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Memória Cache

Pequena porção de memória

Em geral está entre a MP e a CPU

Localizada no chip de CPU ou em um módulo

A cache contém uma cópia de partes da MP

A memória cache tem tamanho limitado devido seu custo

Algumas máquinas tem dou ou até três níveis de cache, cada um mais lento e de maior capacidade que o anterior

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Memória Cache

Operações:CPU requer conteúdo de memória

Checa-se se o conteúdo está na cache

Se sim ocorre leitura do dado

Se não, requisita-se o bloco de dados na MP para a cache

Então da cache é enviado o dado para a CPU

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Memória Cache

CPUMemória

Cache Memória Principal

Rápida Lenta

CPUCache de nivel 2 Memória Principal

Menos Rápida Lenta

Cache de nível 1

Mais Rápida

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Chips multinúcleo Intel Chips multinúcleoAMD

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Memória

Memória Principal ou RAM: volátilROM: não volátil, programada na fábrica e pode

ser alterada. – Rápida e barata. – Utilizadas para armazenar dados de inicialização– Armazenar programas para controle de dispositivos

de e/s em placas de E/S

EEPROM: ROM eletricamente apagávelFlash ROM: podem ser apagadas e reescritasMemórias de tecnologia CMOS: volátil. Para

armazenar data e hora

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Discos

• Dispositivo mecânico• Mais lento

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Discos

• Um ou mais pratos metálicos que rodam 5400, 7200 ou 10800 rpm

• A informação é escrita no disco em uma série de discos concêntricos

• Trilha, cilindro, setores (512bytes)

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Fitas

• Fita magnética• Em geral utilizada para backup• É percorrida sequencialmente até chegar

ao bloco requisitado• Custo muito baixo

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Dispositivos de Entrada e Saída• Em geral são constituídos por duas parte:– Controlador: chip que controla fisicamente o

dispositivo– Próprio dispositivo

• Driver de dispositivos: programa para gerenciar o controlador de dispositivo

• Cada fabricante de controlador deve fornecer um driver específico para cada SO a que dá suporte

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Barramento ou Bus

• Via de tráfego interna, através da qual os sinais transitam entre os diversos componentes do computador

• 3 Tipos:– De dados– De endereços– De expansão

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Barramento ou Bus

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Barramento ou Bus