Introduo

Captulo 1

Referncia:

Captulo 1, Structured Computer Organization, A.S. Tanenbaum, (c) 2006 Pearson Education Inc

Orlando Loquessetembro 2006

Linguagens, Nveis, Mquinas Virtuais (i)

Mquina multi-nvel

Computadores executam instrues

Programa: sequncia de instrues descrevendo como executar uma tarefa

Em geral, as instrues no so mais complicadas que: Somar dois nmeros Verificar se o nmero zero Copia um dado de um lugar na memria para outro

O conjunto (bsico) de instrues define uma linguagem de mquina

Podemos dizer que um computador constitudo de vrios nveis: cada nvel representa uma mquina virtual

Uma mquina define uma linguagem: ou seja, o conjunto de instrues que a mquina pode executar

Nos nveis baixos, a linguagem no deve ser complicada, seno a mquina ser muito complexa para ser construda, considerando a tecnologia atual

O projetista tem que decidir que instrues incluir na mquina

Linguagens, Nveis, Mquinas Virtuais (ii)

Pessoas querem fazer X, mas computadores fazem somente Y (utilizando L0)

Soluo: projetar um conjunto de instrues (linguagem L1) mais adequado para o suporte de X; duas possiblidades:

Traduo (compilao): substituir cada instruo de L1 por uma sequnciaequivalente em L0

Interpretao: escrever um programa (interpretador) em L0, que pegue as instrues em L1 e as execute atravs de sequncias de instrues equivalentes em L0

Na prtica traduo e interpretao podem ser combinadas

O programador de um nvel no se preocupa com os nveis inferiores

Uma mquina para uma linguagem tipo C++ ou COBOL seria muito complicada, mas poderia ser construda com a tecnologia atual

Custo e flexibilidade

Linguagens, Nveis, Mquinas Virtuais (ii)

Mquinas Multi-nveis atuais

Computador com seis nveis (existe mais um: componentes das portas lgicas)

ISA Level

The ISA level is the interface between the compilers and the hardware.

Mquinas Multi-nveis atuais Digital logic level: portas, registros, decodificadores, multiplexadores, etc

Microarchitecture Level: Registros, ULA, vias de dados -> UCP

Microprogramao controle das operaes das unidades da UCP Controle fixo (hardwired)

Instruction Set Architecture Level (ISA level): linguagem de mquina

Operating System machine level: (hbrido) inclui as instrues do nvel anterior e suporte para organizao de memria, concorrncia, interrupo

Usado por systems programmers

Assembly Language Level: linguagem simblica (substitui os bits das linguagens dos nveis inferiores)

assembler: programa tradutor

Problem-oriented Language Level: linguagens de alto nvel

BASIC, C, C++, Java, LISP, Prolog, etc Traduo / interpretao / mista

Cada nvel representa uma abstrao distinta, com diferentes objetos e operaes. Isso permite que os detalhes irrelevantes sejam suprimidos, reduzindo a complexidade e facilitando o entendimento

O conjunto de tipos de dados, operaes e caractersticas de cada nvel define sua arquitetura, que mostra os detalhes visveis ao usurio daquele nvel, eg, espao de memria, registros

A tecnologia do chip no faz parte da arquitetura

O estudo de como projetar as partes de um computador visveis para o programador se chama Arquitetura de Computadores

Arquitetura de Computadores

Architecture & Organization

Architecture is those attributes visible to the programmer Instruction set, number of bits used for data representation,

I/O mechanisms, addressing techniques. e.g. Is there a multiply instruction?

Organization is how features are implemented Control signals, interfaces, memory technology. e.g. Is there a hardware multiply unit or is it done by

repeated addition?

Evoluo das Mquinas Multi-nveis (i) Invention of microprogramming 1951/Wilkes

simplificar o hardware / instrues mais poderosas

Invention of operating system 1960 reduzir o tempo intil / otimizar o uso dos recursos batch system / timesharing

Migration of functionality to microcode - 1970 instrues complexas - CISC lentido, flexibilidade Exagero: DEC-VAX com centenas de instrues

Elimination of microprogramming reduo de nmero e execuo direta das instrues RISC arquiteturas hbridas

Tarefas do Sistema Operacional

A sample job for the FMS (FORTRAN Monitor System) operating systemautomatiza as tarefas feitas pelo operador

cartes especiais usados para instruir o sistema operacional

definiam uma mquina virtual

Evoluo das Mquinas Multi-nveis (ii) Hardware: circuitos eletrnicos e dispositivos de E/S Software: algoritmos (instrues detalhadas sobre

como fazer algo) e suas representaes em termos de computador (programas)

Hardware e Software so logicamente equivalentes qualquer operao feita por software pode ser feita

diretamente por hardware (depois de ser entendida) hardware is just petrified software

Software is a gas. It expands to fill the container holding it Troff ocupa dezenas de kilobytes de memria Processadores de texto atuais ocupam dezenas de megabytes

de memria

Milestones in Computer Architecture (1)

Some milestones in the development of the modern digital computer.

Pascal: com 19 anos (1642) soma e subtraoLeibniz: +,-,*,/ (1672)

Milestones in Computer Architecture (2)

Some milestones in the development of the modern digital computer.

Computer Generations Zeroth Generation

Mechanical Computers (1642 1945)

First GenerationVacuum Tubes (1945 1955)

Second GenerationTransistors (1955 1965)

Third GenerationIntegrated Circuits (1965 1980)

Fourth GenerationVery Large Scale Integration (1980 ?)

Von Neumann Machine

The original Von Neumann machine.

Structure of IAS - Von Neumann

MainMemory

Arithmetic and Logic Unit

Program Control Unit

InputOutputEquipment

MBR

Arithmetic & Logic Circuits

MQAccumulator

MARControlCircuits

IBR

IR

PC

Address

Instructions& Data

Central Processing Unit

IAS - details 1000 x 40 bit words

Binary numbers 2 x 20 bit instructions

Set of registers (storage in CPU) Memory Buffer Register Memory Address Register Instruction Register Instruction Buffer Register Program Counter Accumulator Multiplier Quotient

Instruction Execution Steps

Fetch next instruction from memory into Instruction Register

Change Program Counter to point to next instruction

Determine type of instruction just fetched

If instructions uses word in memory, determine where

Fetch word, if needed, into CPU register

Execute the instruction

Go to step 1 to begin executing following instruction

PDP-8 Innovation Single Bus

The PDP-8 omnibus

DEC PDP-8 1964 First minicomputer (after miniskirt!) Did not need air conditioned room Small enough to sit on a lab bench $16,000

$100k+ for IBM 360 Embedded applications & OEM BUS STRUCTURE

CPU Chips

The logical pinout of a generic CPU The arrows indicate input signals and output signals The short diagonal lines indicate that multiple pins are used For a specific CPU, a number will be given to tell how many.

Modern Computer Buses: PCI, ISA

IBM 360

The initial offering of the IBM product line.

Technological and Economic Forces

Moores law predicts a 60-percent annual increase in the number of transistors that can be put on a chip (should hold up to 2020); the data points given in this figure are memory sizes, in bits

Cria um circulo virtuoso: produtos bons, baratos, novas aplicaes, novosmercados, novas empresas, mais competio, melhoria na tecnologia

The Computer Spectrum

The current spectrum of computers available. The prices should be taken with a grain (or better yet, a metric ton) of salt.

Personal Computer

A printed circuit board is at the heart of every personal computer. This figure is a photograph of the Intel D875PBZ board

The photograph is copyrighted by the Intel Corporation, 2003 and is used by permission

1. Pentium 4 socket2. 875P Support chip3. Memory sockets4. AGP connector5. Disk interface6. Gigabit Ethernet7. Five PCI slots8. USB 2.0 ports9. Cooling technology10. BIOS

Example Computer Families

Pentium 4 by Intel

UltraSPARC III by Sun Microsystems

The 8051 chip by Intel, used for embedded systems

Intel Computer Family (1)

The Intel CPU family. Clock speeds are measured in MHz (megahertz) where 1 MHZ is 1 million cycles/sec.

Intel Computer Family (2)

The Pentium 4 chip The photograph is copyrighted by the Intel Corporation, 2003 and is used by permission

Intel Computer Family (3)

Moores law for (Intel) CPU chips.

MCS-51 Family

members of the MCS-51 family

The 8051 Instruction Formats

The 8051 instruction formats.

Metric Units

The principal metric prefixes.