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Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1. Infra-Estrutura de Hardware Edna Barros GRECO - Grupo de Engenharia da Computação Centro de Informática - UFPE.

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1 Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1

2 Infra-Estrutura de Hardware Edna Barros GRECO - Grupo de Engenharia da Computação Centro de Informática - UFPE

3 Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 Infra-Estrutura de Hardware Edna Barros GRECO - Grupo de Engenharia da Computação Centro de Informática - UFPE

4 Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 Roteiro da Aula Os computadores no nosso dia a dia Conhecendo os componentes de um computador –CPU –Memória –Disco Evolução dos computadores

5 Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 Roteiro da Aula Computador: Hardware e Software Como funciona o computador Executando um programa Programa do curso Opcional: –Evolução Histórica dos computadores

6 Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 Conceitos Básicos de Arquitetura e Organização de Computadores

7 Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 Motivação Porque é importante saber conceitos de arquitetura/organização de computadores? Revolução da Informação: –Primeiro computador comercial no final anos 1940 –.... Multiprocessadores (SP2, Clusters,....) –Número e complexidade crescente de aplicações: Caixas Eletrônicos Computadores em automóveis Laptops Projeto Genoma World Wide Web Os computadores estão cada vez mais presentes no nosso dia a dia....

8 Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 Computadores no dia a dia... Computadores estão presentes nos mais diversos equipamentos

9 Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 Computadores no dia a dia... No nosso dia a dia....

10 Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 Computadores no dia a dia...

11 Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 Computadores no dia a dia... E todos estes computadores/equipamentos podem estar conectados em rede.... Voz e Dados GPS/AVL Chamada Terminais de Dados Rede CDPD/GPRS Centro de Dispatch

12 Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 Armazenamento e Processamento de Informações....em um escritório Na mesa mantemos os papéis que estamos usando naquele momento Completada uma tarefa, pomos os papéis alterados de volta no fichário. Após o expediente, a faxineira joga no lixo tudo que está na mesa. n Como se dá o processamento das informações? Informações que não tem uso no momento ficam no fichário. A pasta sobre a mesa contém cópias das informações que precisaremos naquele dia.

13 Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 Fichário Mesa Pastas 3 timing & size Information 2 timing & size Information 1 Disco Memória Unidade de Controle (CPU) Componentes de um Computador n O fichário representa o disco rígido, com alta capacidade de armazenamento. n A pasta sobre a mesa representa a memória, de acesso rápido e fácil n Mesa e usuário são a CPU n OBS: Memória é volátil e disco não (faxineira)

14 Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 Abrindo o computador....

15 Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 Abrindo o computador....

16 Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 Entrada/Saída Manual Teclado Mouse Monitor de Vídeo Joystick Característica comum: baixa velocidade

17 Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 Entrada: Mouse

18 Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 Saída: Monitor de Vídeo Tubo de raios catódicos Aumento da energia dos elétrons Aceleração Colisão numa tela de fósforo Emissão de luz Ponto luminoso

19 Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 Saída: Vídeo Controle –Densidade do fluxo controlada por circuitos adicionais –Direção do feixe controlada por campo magnético

20 Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 Saída: Vídeo Resolução –Linhas: 1024 –Pontos por linha: 1280 –Resolução: 1.310.720 –75 figuras/seg : 98.304.000 Bits/seg 100 MHz de largura de Banda –Intensidade –8 bits/cor 24 bits/pixel 3.932.160 bits (Memória de Vídeo)

21 Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 Saída: Vídeo Display de cristal líquido Matrix de pixels Controle Complexo Tecnologia VLSI

22 Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 Unidade de Processamento Placa Mãe CPU Memória Disco rígido Disco Flexível

23 Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 Placa Mãe

24 Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 Placa Mãe

25 Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 O Processador

26 Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 Processador: PowerPC 750

27 Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 8051 186.531 transistores 8 mm2

28 Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 8051 186.531 transistores 8 mm2

29 Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 8051 186.531 transistores 8 mm2

30 Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 Processador Memória

31 Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 Memória Vs. Armazenamento O fichário representa o disco rígido, com alta capacidade de armazenamento. A pasta sobre a mesa representa a memória, de acesso rápido e fácil Mesa e usuário são a CPU OBS: Memória é volátil e disco não. Fluxo de Dados Pasta Fichário

32 Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 Processador vs. memória µProc 60%/ano.. DRAM 7%/ano.. 1 10 100 1000 19801981198319841985198619871988198919901991199219931994199519961997199819992000 DRAM CPU 1982 Desemp. Proc-Mem: (cresce 50% / ano) Desempenho

33 Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 Memória Principal Vs. Cache O fichário representa o disco rígido. A pasta sobre a mesa representa a memória principal. No quadro de avisos se encontram informações que podem ser acessadas de forma muito rápida. O quadro representa a cache. Mesa e usuário são a CPU Pasta Quadro Fichário

34 Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 Níveis de memória

35 Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 Processador Memória Discos

36 Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 Discos 36 Gbytes, 3 1/2”

37 Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 Discos magnéticos # discos: 1-15 (2 lados) rotação: 3600 - 7200 rpm diâmetro: 1-8 inch # trilhas: 1000-5000 # setores: 64-200 setor: 512 bytes

38 Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 Discos / História 1973: 1. 7 Mbit/pol2 140 MBytes 1979: 7. 7 Mbit/pol2 2,300 MBytes source: New York Times, 2/23/98, page C3, “Makers of disk drives crowd even more data into even smaller spaces”

39 Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 Discos: história 1989: 63 Mbit/pol2 60,000 MBytes 1997: 1450 Mbit/pol2 2300 Mbytes (2.5” diâmetro) source: N.Y. Times, 2/23/98, page C3 1997: 3090 Mbit/p2. 8100 Mbytes (3.5” diâmetro) 2000: 10,100 Mb/p2 25,000 MBytes 2000: 11,000 Mb/p2 73,400 MBytes

40 Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 Discos: Limites Capacidade crescente (60%/ano) and Taxa de transf. crescente (40%/ano) Redução lenta do tempo de acesso (8%/ano) Tempo para leitura completa: AnoSequencialRandômica 1990 4 minutos6 horas 200012 minutos 1 semana

41 Tendências e Desafios no Desenvolvimento de Computadores Processadores, Memória e Discos Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1

42 Tecnologia: Capacidade de Integração 2X transistores/Chip A cada 1.5 anos “Moore’s Law”: Alpha 21264: 15 million Pentium Pro: 5.5 million PowerPC 620: 6.9 million Alpha 21164: 9.3 million Sparc Ultra: 5.2 million Moore’s Law

43 Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 Tecnologia: Capacidade de Integração DateEventComments 19471 st transistorBell Labs 19581 st ICJack Kilby (MSEE ’50) @TI Winner of 2000 Nobel prize 19711 st microprocessorIntel 1974Intel 40042300 transistors 1978Intel 808629K transistors 1989Intel 804861.M transistors, pipelined 1995Intel Pentium Pro5.5M transistors 2005Intel Montecito1B transistors

44 Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 Tecnologia: Desempenho do Processador 1.54X/yr

45 Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 Tecnologia: Desempenho do Processador

46 Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 Avanços na Tecnologia Processador –2X velocidade a cada 1.5 ano; 1000X desempenho nos últimos 15 anos Memória –DRAM capacidade: 2x / 1.5 anos; 1000X tamanho nos últimos 15 anos –Custo por bit: melhora 25% por ano Disco –capacidade: > 2X em tamanho a cada 1.5 ano –Custo por bit: melhora em média 60% por ano –120X tamanho na última decada

47 Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 Evolução dos Computadores

48 Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 Avanços na tecnologia O que estes intervalos de tempo tem em comum? –1776-1999 (224 anos) –2000-2001 (2 anos) Resposta:Progresso similar no desempenho dos processadores! Crescimento exponencial (Lei de Moore) Projetistas trabalham para melhorar velocidade de reduzir consumo de potência dos processadores.

49 Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 Avanços na tecnologia

50 Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 Avanços na tecnologia

51 Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 Avanços na tecnologia

52 Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 Esforços em Arquitetura de Computadores Arquiteturas de Computador Tecnologia Linguagens de Programação Sistemas Operacionais História Aplicações

53 Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 CPU Mem. E/S Computador Periféricos Interconexão Componentes de um Computador: Hardware

54 Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 Computador: Hardware + Software

55 Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 Sistemas Digitais Computador: Hardware + Software Repertório de Instruções Arquitetura Hardware Software I/O systemProcessor Aplicação Memory Sistema Operacional CompiladorMontador Datapath & Control Digital Design Circuit Design transistors

56 Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 Programa Módulo 1:Conceitos Básicos de Arquitetura de Computadores –Introdução –Conceitos Básicos de Arquitetura –Usando o simulador MIPS –Implementação Mono-ciclo e Multi-ciclo Avaliação: projeto e prova

57 Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 Programa Módulo 2: Implementação em Pipeline e Superescalar –Implementação Pipeline –Resolução de Conflito de Dados e Controle –Implementação Superescalar –Aulas de laboratório e listas de exercício Avaliação: prova

58 Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 Programa Módulo 3: Hierarquia de Memória –Memória Cache Tipos de Cache Melhorando o desempenho de uma cache –Memória RAM –Memória Virtual –Aulas de Laboratório e listas

59 Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 Programa Módulo 4: Entrada/Saída e Multiprocessadores –Entrada/Saída Tipos de E/S Componentes de um sistema de E/S –Multiprocessadores –Aulas de laboratório e listas Avaliação: prova

60 Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 Monitoria Monitores –Bruno Barros –E equipe

61 Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 Bibliografia Organização e Projeto de Computadores – A Interface Hardware Software –David Patterson e John Hennessy

62 Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 CPU Mem. E/S Computador Periféricos Interconexão Componentes de um Computador: Hardware

63 Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 Computador: Hardware + Software

64 Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 Computador: Hardware + Software Coordenação de muitos níveis de abstração I/O systemProcessor Aplicação Repertório de Instruções Arquitetura Memory Hardware Software Sistema Operacional Windows CompiladorMontador Datapath & Control Digital Design Circuit Design transistors

65 Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 Sistemas Digitais Computador: Hardware + Software Repertório de Instruções Arquitetura Hardware Software I/O systemProcessor Aplicação Memory Sistema Operacional CompiladorMontador Datapath & Control Digital Design Circuit Design transistors

66 Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 Representação da Informação Programa em Linguagem de alto nível (e.g., C) Programa em linguagem assembly (e.g.,MIPS) Programa em linguagem de Máquina (MIPS) Hardware Compilador Montador Interpretação temp = v[k]; v[k] = v[k+1]; v[k+1] = temp; lw$to,0($2) lw$t1,4($2) sw$t1,0($2) sw$t0,4($2) 0000 1001 1100 0110 1010 1111 0101 1000 1010 1111 0101 1000 0000 1001 1100 0110 1100 0110 1010 1111 0101 1000 0000 1001 0101 1000 0000 1001 1100 0110 1010 1111 °°°°

67 Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 gram (in C) Representação da Informação

68 Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 Compilação Programa objeto L0 Programa fonte Ln Compilador

69 Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 Interpretação Instrução Ln Interpretador Instrução Ln-1

70 Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 Interpretação & Compilação Interpretador Instrução de máq. L0 Programa objeto Lint Programa fonte Ln Compilador

71 Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 Computador: Hardware e Software

72 Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 Computador: Hardware e Software Software Aplicação Sistema Editores Compiladores Sistemas operacionais Montadores Memória virtual Sistema de arquivo I/O device drivers gcc as...

73 Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 Computador: Hardware + Software

74 Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 Interface entre hw e sw: Repertório de Instruções: Repertório de Instruções software hardware

75 Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 Como funciona um computador?? Vídeo Teclado CPU Execução das instruções de um programa CPU Execução das instruções de um programa Memória Programas + Dados E/S Buffers

76 Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 Como funciona um computador?? Vídeo Teclado Memória Programas + Dados E/S Buffers Reg. ALU Endereço Instrução oUnid. processamento oUnid. controle Operando temp AC

77 Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 Memória 15 0 sinal Dado Instrução magnitude 15 0 12 Opcode Endereço 11

78 Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 Como funciona um computador? Busca a próxima instrução Busca a próxima instrução Executa a instrução Início Término

79 Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 Executando um programa 1 9 4 0 5 9 4 1 2 9 4 1 0 0 0 3 0 0 0 2 3 0 0 9 4 1 9 4 0 3 0 2 3 0 1 PC (endereço) AC (operando) IR (Instrução) Registradores da CPU Memória...

80 Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 Executando um programa 1 9 4 0 5 9 4 1 2 9 4 1 0 0 0 3 0 0 0 2 3 0 0 1 9 4 0 3 0 0 9 4 1 9 4 0 3 0 2 3 0 1 PC (endereço) AC (operando) IR (Instrução) Registradores da CPU Memória...

81 Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 Executando um programa 1 9 4 0 5 9 4 1 2 9 4 1 0 0 0 3 0 0 0 2 3 0 0 1 9 4 0 3 0 0 9 4 1 9 4 0 3 0 2 3 0 1 PC AC IR Registradores da CPU Memória... 0 0 0 3

82 Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 Executando um programa 1 9 4 0 5 9 4 1 2 9 4 1 0 0 0 3 0 0 0 2 3 0 1 3 0 0 9 4 1 9 4 0 3 0 2 3 0 1 PC AC IR Registradores da CPU Memória... 0 0 0 3

83 Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 Executando um programa 1 9 4 0 5 9 4 1 2 9 4 1 0 0 0 3 0 0 0 2 3 0 1 5 9 4 1 3 0 0 9 4 1 9 4 0 3 0 2 3 0 1 PC AC IR Registradores da CPU Memória... 0 0 0 3

84 Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 Executando um programa 1 9 4 0 5 9 4 1 2 9 4 1 0 0 0 3 0 0 0 2 3 0 1 5 9 4 1 3 0 0 9 4 1 9 4 0 3 0 2 3 0 1 PC AC IR Registradores da CPU Memória... 0 0 0 5

85 Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 Executando um programa 1 9 4 0 5 9 4 1 2 9 4 1 0 0 0 3 0 0 0 2 3 0 2 3 0 0 9 4 1 9 4 0 3 0 2 3 0 1 PC AC IR Registradores da CPU Memória... 0 0 0 5

86 Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 Executando um programa 1 9 4 0 5 9 4 1 2 9 4 1 0 0 0 3 0 0 0 2 3 0 2 2 9 4 1 3 0 0 9 4 1 9 4 0 3 0 2 3 0 1 PC AC IR Registradores da CPU Memória... 0 0 0 5

87 Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 Executando um programa 1 9 4 0 5 9 4 1 2 9 4 1 0 0 0 3 0 0 0 5 3 0 2 2 9 4 1 3 0 0 9 4 1 9 4 0 3 0 2 3 0 1 PC AC IR Registradores da CPU Memória... 0 0 0 5

88 Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 Executando um programa Busca instrução Executa instrução Busca operando Decodifica instrução Armazena resultado Incrementa PC

89 Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 Escopo do curso..... Conjunto de registradores Tipos de Dados Acesso à memória Formato e Repertório de instruções Conjunto de registradores Tipos de Dados Acesso à memória Formato e Repertório de instruções Arquitetura Tecnologia de memória Interfaces Implementação das instruções interconexões Tecnologia de memória Interfaces Implementação das instruções interconexões Organização

90 Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 Sistemas Digitais Computador: Hardware + Software Repertório de Instruções Arquitetura Hardware Software I/O systemProcessor Aplicação (word) Memory Sistema Operacional Windows CompiladorMontador Datapath & Control Digital Design Circuit Design transistors

91 Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 Evolução dos Computadores GERAÇÃO ZERO - 1836 - Anos 30 –Máquinas mecânicas ou baseadas em relés dificuldade de construção pouca exatidão –Exemplos: 1936 - Zuze - Z1 –Primeira máquina calculadora a relés 1943 - Governo Britânico - Colossus –Primeiro computador eletromecânico

92 Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 Evolução dos Computadores PRIMEIRA GERAÇÃO - Anos 40 –Válvulas com processadores Caras, lentas, queimavam com facilidade –ENIAC, UNIVAC –Programação: nível binário: 010110110..00 –Exemplos: 1946 - Eckert/Mauchkley - Eniac 1 –A História do computador moderno começa aqui

93 Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 Sistema de Computação I/O system Processor Repertório de Instruções: 001001001001 Válvulas Hardware Software

94 Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 Evolução dos Computadores SEGUNDA GERAÇÃO - Anos 50 –Transistores menores, mais baratos, rápidos, duráveis –Programação: simbólica: add, sub, load, store programa armazenado em memória –Exemplo: 1952 - Von Neumann - IAS –Modelo da maioria das máquinas atuais

95 Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 Programa Armazenado CPU Memória Principal Barramento de memória

96 Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 Sistema de Computação I/O systemProcessor Repertório de Instruções Arquitetura: transistors Memory Hardware Software Montador add, sub, load, store

97 Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 TERCEIRA GERAÇÃO - Anos 60 –Circuitos Integrados (CI`s) –Programação: compiladores (if-then-else, +, go to) Memória Virtual (Sistema Operacional) –Exemplos: 1960 - DEC - PDP 11 –Primeiro minicomputador (50 unidades vendidas) 1964 - IBM - 360 –Primeira linha de produtos projetada como uma família Evolução dos Computadores

98 Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 Memória Virtual CPU Memória Principal Memória Secundária Barramento de memória Barramento de E/S

99 Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 Sistema de Computação I/O systemProcessor Compilador Sistema Operacional Aplicação Circuit Design Repertório de Instruções Arquitetura transistors Memory Hardware Software Montador

100 Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 Evolução dos Computadores QUARTA GERAÇÃO - Anos 70 –Microprocessadores/ Mem. semicondutora VLSI Very Large Scale Integration –Programação: Linguagens Estruturadas Estruturas de Dados Dinâmicas –Exemplos: 1974 - Intel - 8080 –Primeira CPU de uso geral em um chip

101 Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 Sistema de Computação I/O systemProcessor Compilador Sistema Operacional Aplicação Digital Design Circuit Design Repertório de Instruções Arquitetura Datapath & Control transistors Memory Hardware Software Montador Mais instruções Muitos tipos de dados

102 Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 Evolução dos Computadores QUINTA GERAÇÃO - Anos 80 –Máquinas RISCs Simplificar para melhorar desempenho Uso efetivo do pipeline –Programação: Crise do Software C: Pseudo linguagem de Máquina –Exemplos: RISC, MIPS, Sparc

103 Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 Sistema de Computação I/O systemProcessor Compilador Sistema Operacional Aplicação Digital Design Circuit Design Repertório de Instruções Arquitetura Datapath & Control transistors Memory Hardware Software Montador Poucas instruções Poucos tipos de dados Hardware mais simples Melhor desempenho

104 Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1... Anos 90 –Arquiteturas Superescalares –Arquiteturas VLIW –Arquiteturas Superpipeline –3 níveis nível de sistema operacional nível de máquina convencional nível de hardware –Exemplos: Pentium, Alpha, Power Evolução dos Computadores

105 Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1... Anos 2000 –Arquiteturas Multi-core –Paralelismo de threads –Clusters –..... Evolução dos Computadores


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