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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: –75 figuras/seg : Bits/seg 100 MHz de largura de Banda –Intensidade –8 bits/cor 24 bits/pixel 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 transistores 8 mm2

28 Infra-estrutura de Hardware Capítulo transistores 8 mm2

29 Infra-estrutura de Hardware Capítulo 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 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: rpm diâmetro: 1-8 inch # trilhas: # setores: 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/pol Mbytes (2.5” diâmetro) source: N.Y. Times, 2/23/98, page C3 1997: 3090 Mbit/p 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 minutos6 horas 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 st transistorBell Labs st ICJack Kilby (MSEE Winner of 2000 Nobel prize st microprocessorIntel 1974Intel transistors 1978Intel K transistors 1989Intel 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? – (224 anos) – (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) °°°°

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 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 PC (endereço) AC (operando) IR (Instrução) Registradores da CPU Memória...

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

81 Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 Executando um programa PC AC IR Registradores da CPU Memória

82 Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 Executando um programa PC AC IR Registradores da CPU Memória

83 Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 Executando um programa PC AC IR Registradores da CPU Memória

84 Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 Executando um programa PC AC IR Registradores da CPU Memória

85 Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 Executando um programa PC AC IR Registradores da CPU Memória

86 Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 Executando um programa PC AC IR Registradores da CPU Memória

87 Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 Executando um programa PC AC IR Registradores da CPU Memória

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 Anos 30 –Máquinas mecânicas ou baseadas em relés dificuldade de construção pouca exatidão –Exemplos: Zuze - Z1 –Primeira máquina calculadora a relés 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: –Exemplos: 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: 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: 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: DEC - PDP 11 –Primeiro minicomputador (50 unidades vendidas) IBM –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: Intel –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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