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Disciplina:Introdução à Engenharia da

Computação

Aulas 08 (semestre 2011.2)

Prof. Rosalvo Ferreira de Oliveira Neto, M.Sc.

rosalvo.oliveira@univasf.edu.br

Colegiado de Engenharia de Computação

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Hardware - CPU

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Peopleware

Hardware

Software

Sistema de Computação

Hardware – Conceitos básicos

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Hardware – Conceitos básicos Modelo de Von Neumann

Memória

SaídaEntradaUnidade Central de

Processamento

A grande maioria dos computadores existentes atualmente segue um modelo

proposto pelo matemático húngaro Von Neumann, por volta de 1940. O modelo é

composto por quatro partes distintas. Nesse modelo, um elemento processador

segue as instruções armazenadas em uma memória de programas, para ler canais

de entrada, enviar comandos sobre canais de saída e alterar as informações

contidas em uma memória de dados. Tem grande flexibilidade e rapidez, pois o

hardware não precisa ser modificado.

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O computador executa suaprincipal função em uma parteda máquina que não podemosver.

A UCP (Unidade Central deProcessamento) é um conjuntocomplexo de circuitoseletrônicos, que executainstruções de programaarmazenadas.

Hardware – UCP

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Componentes fundamentais:

Hardware – UCP

Unidade de Controle (UCP);

Unidade Aritmética e Lógica (ULA);

Registros (Registradores);

Sistemas de Comunicação (Barramentos).

Unidade de controle:

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Hardware – UCP

Direciona o sistema do computador a executar instruções deprograma armazenadas.

Deve comunicar-se com a memória e com a ALU.

Envia dados e instruções do armazenamento secundário para amemória, quando necessário.

Unidade Aritmética e Lógica (ALU ou ULA):

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Hardware – UCP

Executa todas as operações aritméticas e lógicas.

Operações aritméticas:

Adição, subtração, multiplicação, divisão.

Operações lógicas:

Compara números, letras ou caracteres especiais.

Testa uma de três condições:

Condição de igualdade (igual a)

Condição menor que

Condição maior que

Armazenamento de dados e a CPU

Dois tipos de armazenamento:

Armazenamento primário (memória):

Armazena dados temporariamente.

A CPU referencia-o tanto para obtenção de instruções de programacomo de dados.

Armazenamento secundário:

Armazenamento de longo prazo.

Armazenado em mídia externa (por exemplo, um disco).

Hardware – UCP

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A CPU não pode processar dados diretamente do disco ou de umdispositivo de entrada.

Primeiramente, eles devem residir na memória.

A unidade de controle recupera dados do disco e transfere-os para amemória.

Itens enviados à CPU para ser processados:

A unidade de controle envia itens à CPU e depois os envianovamente à memória após serem processados.

Dados e instruções permanecem na memória até serem enviadosa um dispositivo de saída ou armazenamento, ou até o programaser fechado.

Hardware – CPU E MEMÓRIA

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Registradores

Áreas de armazenamento temporário de alta velocidade.

Localizações de armazenamento situadas dentro da CPU.

Funcionam sob direção da unidade de controle:

Recebem, guardam e transferem instruções ou dados.

Controlam onde a próxima instrução a ser executada ou os dadosnecessários serão armazenados.

Hardware – UCP

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Memória:

Também conhecida como armazenamento primário e memóriaprincipal.

Freqüentemente expressa como memória de acesso aleatório (RAM).

Não faz parte da CPU.

Retém dados e instruções para serem processados.

Armazena informações somente enquanto o programa está emoperação.

Hardware – UCP

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Como a CPU Executa Instruções?

Hardware – UCP

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Como a CPU Executa Instruções

• Quatro etapas são executadas para cada instrução:

• Cada CPU tem seu próprio conjunto de instruções:

Aquelas instruções as quais a CPU pode entender e executar.

Hardware – UCP

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Ciclo da máquina: temponecessário para recuperar,executar e armazenar umaoperação.

Componentes:

Tempo de instrução;

Tempo de execução.

O clock de sistema sincroniza asoperações.

Toda CPU tem um clock desistema que produz pulsos a umataxa fixa para sincronizar todas asoperações do computador.

Não é o relógio que controla a datae a hora, e sim um chip distinto.

Hardware – UCP

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Tempo de Instrução

• Também chamado de I-time.

• A unidade de controle recebe a instrução da memória e a colocaem um registro.

• A unidade de controle decodifica a instrução e determina qual éa localização na memória para os dados necessários.

Hardware – UCP

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Tempo de Execução

• A unidade de controle transfere dados da memória para registrosna ALU.

• A ALU executa instruções relativas aos dados.

• A unidade de controle armazena o resultado da operação namemória ou em um registro.

Hardware – UCP

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Palavra

• O número de bits que a CPU processa como uma unidade.

• Tipicamente, um número inteiro de bytes.

• Quanto maior a palavra, mais potente é o computador.

• Computadores pessoais tipicamente têm 32 ou 64 bits deextensão de palavras

Hardware – UCP

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Endereços de memória

Cada localização de memóriatem um endereço:

Um número único, como emuma caixa postal.

Pode conter somente umainstrução ou peça de dados:

Quando dados são reescritos namemória, o conteúdo anteriordesse endereço é destruído.

Referenciado pelo número:

As linguagens de programaçãousam um endereço simbólico(nomeado), tal como Horas ouSalário.

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Hardware – UCP

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A Unidade de Sistema

Abriga os componentes eletrônicos do sistema de computador:

• Placa-mãe (motherboard)

• Dispositivos de armazenamento

Hardware – UCP

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Placa-mãe (motherboard)

Hardware – UCP

Placa de circuitos plana que

contém os circuitos do

computador.

A unidade central de

processamento

(microprocessador) é o

componente mais

importante.

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Microprocessador

Hardware – UCP

Unidade central de

processamento impressa

em chip de silício.

Contém dezenas de milhões de

minúsculos transistores.

Componentes-chave:

Unidade central de processamento.

Registradores.

Clock do sistema.

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Transistores

Comutadores eletrônicos que podem permitir ou não a passagem de corrente elétrica.

Se a corrente elétrica passar, o comutador estará ativado, representando um bit 1.

Caso contrário, o comutador estará desativado, representando um bit 0.

Hardware – UCP

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Chips

• Intel

• Cyrix

• AMD (produzem microprocessadores compatíveis com Intel)

• PowerPC (Macintosh)

• Alpha (Compaq)

Hardware – UCP

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Barramentos

Hardware – UCP

Barramento

Interno

Barramento do

Sistema

Barramento de

Expansão

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O Barramento (Bus) do Sistema

Hardware – UCP

Percursos elétricos paralelos que transportam dados entre a CPU e a memória.

Largura de barramento:

O número de percursos elétricos para transportar dados. Medida em bits.

Velocidade de barramento:

Medida em megahertz (MHz).

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Largura de Barramento

Hardware – UCP

Tipicamente, a mesma largura do tamanho de palavra da CPU.

Com um tamanho de barramento maior, a CPU pode:

Transferir mais dados simultaneamente:

Torna o computador mais rápido.

Referenciar números de endereço de memória maiores:

Permite mais memória.

Suportar um número e uma variedade maiores de instruções.

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Velocidade de Barramento

Hardware – UCP

Quanto maior a velocidade de barramento, mais rapidamente os

dados viajarão por meio do sistema.

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Barramentos de Expansão

Hardware – UCP

Adicione dispositivos periféricos ao sistema:

• Placa de expansão

• Porta

• Barramentos de expansão comuns

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Placas de Expansão

Hardware

Conectam-se a slots

(encaixes) de

expansão ou à

placa-mãe.

São usadas para

conectar dispositivos

periféricos.

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Portas

Hardware

Conectores externos para plugar periféricos, como, por exemplo, impressoras.

Dois tipos de portas:

Seriais: transmitem dados à base de um bit a cada vez.

Usadas para dispositivos lentos, como o mouse e o teclado.

Paralelas: transmitem grupos de bits em conjunto, lado a lado.

Usadas para dispositivos mais rápidos, como impressoras e scanners.

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Barramentos de Expansão e Portas Comuns

Hardware

Barramento Industry Standard Architecture (ISA):

Usado para dispositivos lentos, como o mouse e o modem.

Barramento Peripheral Component Interconnect (PCI):

Usado para dispositivos mais rápidos, como discos rígidos.

Accelerated Graphics Port (AGP):

Provê desempenho de vídeo mais rápido.

Porta Universal Serial Bus (USB):

Permite-lhe converter muitos dispositivos em série para a porta USB.

Barramento IEEE 1394:

Um barramento de alta velocidade normalmente usado para conectar equipamentos de vídeo.

Barramento PC Card:

Usado em laptops para plugar um dispositivo do tamanho de um cartão de crédito.

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Hardware

Velocidades de

Processamento dos

Computadores

Velocidades de Processamento dos Computadores

As velocidades de instrução são medidas em segundos:

Milissegundo: um milésimo de segundo.

Microssegundo: um milionésimo de segundo.

Nanossegundo: um bilionésimo de segundo.

Picossegundo: um trilionésimo de segundo.

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Hardware – UCP

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Velocidades dos Microprocessores

Hardware

Medida da velocidade de clock do sistema:

Quantos pulsos eletrônicos o clock produz por segundo.

Usualmente, expressa em gigahertz (GHz).

Uma comparação de velocidades de clock somente é significativa entre

microprocessadores idênticos.

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Outras Medidas de Desempenho

Hardware

MIPS – Um Milhão de Instruções por Segundo.

Tipicamente, uma medida de desempenho mais acurada do que a velocidade de clock.

Megaflop – um milhão de operações em ponto flutuante por segundo.

Mede a capacidade do computador para executar operações matemáticas complexas.

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Cache

Hardware

Uma área de armazenamento temporário:

Agiliza a transferência de dados dentro do computador.

Memória cache

Cache de processador

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Memória Cache

Hardware

Um pequeno bloco de memória de alta velocidade:

Armazena os dados e as instruções usados com mais freqüência e

mais recentemente.

O microprocessador procura primeiramente na cache os

dados de que necessita:

Transferidos da cache muito mais rapidamente do que da

memória.

Se não estiverem na cache, a unidade de controle recupera-os da

memória.

Quanto mais “presença de dados” na cache, mais rápido é o

desempenho do sistema.

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Cache de Processador

Hardware

Cache interna (Nível 1) embutida no microprocessador.

Acesso mais rápido, porém custo mais elevado.

Cache externa (Nível 2) em um chip separado.

Incorporada ao processador em alguns

microprocessadores atuais.

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Estratégias de implementação - CPU

CISC - Complex Instruction Set Computer

um conjunto de instruções maior e mais complexo, implicandonum processador mais complexo, com ciclo de processamentomais lento;

RISC - Reduced Instruction Set Computer

um conjunto de instruções menor e mais simples, implicandonum processador mais simples, com ciclo de processamentorápido.

Hardware – UCP

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Processamento Paralelo e Pipelining

• Pipelining

Uma variação do processamento serial tradicional

• Processamento Paralelo

Que usa múltiplos processadores simultaneamente

Hardware – UCP

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Pipelining

Hardware – UCP

Introduz uma nova instrução na CPU a cada etapa do ciclo de

máquina.

A instrução 2 é captada quando a instrução 1 é

decodificada, em vez de esperar até que o ciclo se

complete.

44

Pipelining

Hardware – UCP

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Processamento Paralelo

Hardware – UCP

O processador de controle divide o problema em partes:

• Cada parte é enviada a um processador distinto.

• Cada processador tem sua própria memória.

• O processador de controle monta os resultados.

Alguns computadores que usam processamento paralelo

operam em termos de teraflops: trilhões de instruções com

ponto flutuante por segundo.

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Quanto maior a velocidade de trabalho dos microprocessadores,maior a quantidade de calor gerada. O calor é um dos principaisproblemas em um processador. Para sanar utilizam-se coolers edissipadores de calor.

Hardware – UCP

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Heat Pipes

Cooler Thermaltake

O limite máximo de temperatura para cada processador pode ser consultado

em www.amdcompare.com (AMD).

Water Cooler

Hardware – UCP

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O projeto de um processador poderia ser resumido em:

Definir o conjunto de instruções (todas as possíveis instruçõesque o processador poderá executar):

definir formato e tamanho das instruções;

definir as operações elementares.

Projetar os componentes do processador (UAL, UC,registradores, barramentos, ...)

Hardware – UCP

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A cada dia é lançado um microprocessador mais veloz e commaior capacidade de processamento, cabendo a nós fazer umaanálise detalhada na hora da compra.

A escolha de um microprocessador deve ser baseada na relaçãocusto-benefício, ou seja, qual o microprocessador que vaiatender às minhas necessidades com o menor custo.

Durante a década de 70, Gordon Moore, na época o presidenteda Intel lançou uma profecia, que dizia que a partir dali o poderde processamento dos processadores dobraria a cada 18 meses.

Esta "profecia" tornou-se tão verdadeira que acabou virando afamosa lei de Moore.

Até que ponto a lei de Moore pode continuar sendo válida???

Hardware – UCP

50Ilustração de um computador

Hardware – Conceitos básicos

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Referências Bibliográficas CAPRON, H. L., JOHNSON, J. A. Introdução à Informática. 8ª edição.

Pearson Prentice-Hall do Brasil, 2009.

NORTON, P. Introdução à Informática. Makron Books, 1995.

Notas de aula da disciplina “Introdução à Informática”, do professor

Fabrício Braga (UNIVASF).

Notas de aula da disciplina “Introdução à Engenharia da Computação”,

do professor Fábio Nelson (UNIVASF).

Notas de aula da disciplina “Introdução à Computação”, da professora

Joseana Macêdo Fechine (da UFCG).