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Introdução ao Projecto com Sistemas Digitais e Microcontroladores Dos sistemas digitais aos computadores e aos microprocessadores - 1 Dos sistemas digitais.

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Apresentação em tema: "Introdução ao Projecto com Sistemas Digitais e Microcontroladores Dos sistemas digitais aos computadores e aos microprocessadores - 1 Dos sistemas digitais."— Transcrição da apresentação:

1 Introdução ao Projecto com Sistemas Digitais e Microcontroladores Dos sistemas digitais aos computadores e aos microprocessadores - 1 Dos sistemas digitais aos computadores e aos Ps Organização: –Arquitecturas pré- von Neumann –O paradigma do programa residente em memória –Sobre o uso da memória –Arquitectura básica da unidade de processamento central –Etapas elementares na execução de uma instrução –O impacto da microelectrónica –Conceitos básicos sobre os microprocessadores de 8 bits

2 Introdução ao Projecto com Sistemas Digitais e Microcontroladores Dos sistemas digitais aos computadores e aos microprocessadores - 2 Arquitecturas pré von Neumann Computadores electro-mecânicos: –Konrad Zuse (Z1 a Z3) –Howard Aiken (Mark I) Computadores baseados em válvulas –John Atanasoff e Clifford Berry (ABC) –John P. Eckert e John W. Mauchly (ENIAC)

3 Introdução ao Projecto com Sistemas Digitais e Microcontroladores Dos sistemas digitais aos computadores e aos microprocessadores - 3 Arquitecturas pré von Neumann: O ENIAC Apresentado ao público em 1945, o ENIAC foi o primeiro computador electrónico (Electronic Numerical Integrator And Computer) As suas válvulas permitiam-lhe executar adições por segundo (mas o recorde de funcionamento ininterrupto foi de apenas 20 horas...)

4 Introdução ao Projecto com Sistemas Digitais e Microcontroladores Dos sistemas digitais aos computadores e aos microprocessadores - 4 O paradigma do programa residente em memória Uma das principais desvantagens do ENIAC consistia no facto de a programação do computador ser efectuada por recablagem da sua unidade de controlo Foi ainda durante o desenvolvimento do ENIAC que o conceito de programa residente em memória tomou forma, com base no célebre documento de John von Neumann, First Draft of a Report on the EDVAC (que compilava o trabalho de um grupo de 32 pessoas)

5 Introdução ao Projecto com Sistemas Digitais e Microcontroladores Dos sistemas digitais aos computadores e aos microprocessadores - 5 A arquitectura de von Neumann As principais características da arquitectura proposta no First Draft of a Report on the EDVAC são as seguintes: –Usava o sistema binário para representar os dígitos –Advogava o processamento em série, bit a bit –Propunha que as operações a executar fossem armazenadas em memória, em vez de serem definidas pelo estabelecimento de ligações físicas

6 Introdução ao Projecto com Sistemas Digitais e Microcontroladores Dos sistemas digitais aos computadores e aos microprocessadores - 6 John von Neumann (cont.) Nas arquitecturas de von Neumann, –O programa a executar é definido pelo conjunto de instruções suportadas pela unidade de processamento central, sendo a introdução do programa em memória e a saída de resultados asseguradas pela unidade de E/S –A execução do programa tem lugar pela repetição de um ciclo com as seguintes etapas: i) leitura da instrução a executar, ii) obtenção dos operandos, iii) realização da operação e iv) armazenamento do resultado

7 Introdução ao Projecto com Sistemas Digitais e Microcontroladores Dos sistemas digitais aos computadores e aos microprocessadores - 7 O uso da memória e o von Neumann bottleneck

8 Introdução ao Projecto com Sistemas Digitais e Microcontroladores Dos sistemas digitais aos computadores e aos microprocessadores - 8 Ainda sobre o uso da memória Na apresentação anterior omitiram-se explicitamente vários pormenores: –Como são gerados os endereços? –Como é que é indicado à ALU qual a operação a realizar em cada instante? –Como é que se indica aos vários registos quando devem carregar um novo conteúdo?

9 Introdução ao Projecto com Sistemas Digitais e Microcontroladores Dos sistemas digitais aos computadores e aos microprocessadores - 9 Ainda sobre o uso da memória (cont.) O CPU necessita por vezes de suspender temporariamente o programa principal, para executar um outro segmento de programa: –Quando se efectua a chamada a uma subrotina –Quando um evento exterior requer a atenção do CPU Após esta suspensão, a execução do programa principal deve ser retomada no mesmo ponto (o que obriga naturalmente a guardar esta informação...)

10 Introdução ao Projecto com Sistemas Digitais e Microcontroladores Dos sistemas digitais aos computadores e aos microprocessadores - 10 Ainda sobre o uso da memória (cont.) O programa principal só pode ser retomado no local onde foi suspenso se o endereço da instrução que iria ser executada a seguir for armazenado em memória (de leitura e escrita) À zona de memória que é usada para armazenar o endereço da instrução seguinte é dada a designação de stack (pilha)

11 Introdução ao Projecto com Sistemas Digitais e Microcontroladores Dos sistemas digitais aos computadores e aos microprocessadores - 11 Arquitectura básica da UPC Para facilitar a nossa abordagem, começaremos por considerar a arquitectura mínima que nos permite a execução de um programa residente em memória:

12 Introdução ao Projecto com Sistemas Digitais e Microcontroladores Dos sistemas digitais aos computadores e aos microprocessadores - 12 Arquitectura básica da UPC (cont.) Assumindo que se pretende apenas executar uma instrução que permita a carga de um operando em memória, deverá ser fácil concluir porque é que a arquitectura apresentada é de facto a mínima...

13 Introdução ao Projecto com Sistemas Digitais e Microcontroladores Dos sistemas digitais aos computadores e aos microprocessadores - 13 Etapas elementares na execução de uma instrução Instrução LD R1,#55H :

14 Introdução ao Projecto com Sistemas Digitais e Microcontroladores Dos sistemas digitais aos computadores e aos microprocessadores - 14 Etapas elementares (cont.) O diagrama de estados para a execução da instrução LD R1,#55H tem uma correspondência directa com o seguinte diagrama temporal:

15 Introdução ao Projecto com Sistemas Digitais e Microcontroladores Dos sistemas digitais aos computadores e aos microprocessadores - 15 O impacto da microelectrónica Na época posterior aos computadores baseados em válvulas electrónicas, os principais marcos tecnológicos foram os seguintes: –1947: O transístor (primeiro computador baseado em transístores: NCR 304, em 1957) –1958:O circuito integrado (primeiros computadores baseados em CI: IBM System 360, DEC PDP-8, em 1965) –1971: O microprocessador (primeiro computador baseado num microprocessador: Micral, em 1973)

16 Introdução ao Projecto com Sistemas Digitais e Microcontroladores Dos sistemas digitais aos computadores e aos microprocessadores - 16 O i4004: O primeiro microprocessador O Intel 4004 foi o primeiro microprocessador, tendo sido inventado por Ted Hoff (a quem tinha sido dado o encargo de projectar uma calculadora para uma firma Japonesa) Com transístores, o i4004 baseava-se numa arquitectura de 4 bits e apresentava um custo unitário de 200 dólares (o i4004 não chegou no entanto a constituir o CPU de nenhum computador)

17 Introdução ao Projecto com Sistemas Digitais e Microcontroladores Dos sistemas digitais aos computadores e aos microprocessadores - 17 Conceitos básicos sobre Ps de 8 bits Apesar das arquitecturas de 32 e 64 bits serem hoje em dia comuns, os componentes de 8 bits continuarão a existir por tempo indeterminado, já que: –Muitas aplicações (em particular em domínios com o controlo de máquinas, electrodomésticos, etc.) não obtêm benefícios de um maior número de bits –Passar de 8 para 16 bits representa em princípio maior área de silício e maior número de pinos, logo maior custo, sendo que o baixo custo é fundamental para o sucesso

18 Introdução ao Projecto com Sistemas Digitais e Microcontroladores Dos sistemas digitais aos computadores e aos microprocessadores - 18 Conceitos básicos sobre Ps de 8 bits (cont.) Repare-se que a arquitectura apresentada abaixo, face à arquitectura mínima analisada, acrescenta dois blocos: o stack pointer e a ALU

19 Introdução ao Projecto com Sistemas Digitais e Microcontroladores Dos sistemas digitais aos computadores e aos microprocessadores - 19 Transferência interna de dados Repare-se que o bloco acumulador é necessário para nos permitir aplicar às entradas da ALU os dois operandos em simultâneo, uma vez que temos apenas um barramento interno de dados Pela mesma razão, é necessário um registo para armazenar temporariamente o resultado

20 Introdução ao Projecto com Sistemas Digitais e Microcontroladores Dos sistemas digitais aos computadores e aos microprocessadores - 20 Controlo de estado nas saídas dos registos A solução apresentada na transparência anterior requer que as saídas dos registos possam ser colocadas em terceiro estado, para garantir a inexistência de conflitos no acesso ao barramento

21 Introdução ao Projecto com Sistemas Digitais e Microcontroladores Dos sistemas digitais aos computadores e aos microprocessadores - 21 A comunicação com o exterior A unidade de processamento central comunica com o exterior através de três barramentos: – Endereços, onde se especifica qual a posição (de memória ou E/S) a aceder – Dados, pelo qual circula a informação de / para o CPU – Controlo, que reúne as linhas que codificam o tipo de operações a executar (e.g. se o CPU pretende ler ou escrever na memória)

22 Introdução ao Projecto com Sistemas Digitais e Microcontroladores Dos sistemas digitais aos computadores e aos microprocessadores - 22 A memória revisitada: Subrotinas e interrupções Referimos já que a suspensão temporária do programa principal pode ocorrer em duas situações: –Por chamada a uma subrotina –Por ocorrência de um evento assíncrono com a execução do programa principal, que o interrompe para poder ter a atenção do CPU A sequência de acções que tem lugar é no entanto idêntica em ambos os casos e será agora analisada

23 Introdução ao Projecto com Sistemas Digitais e Microcontroladores Dos sistemas digitais aos computadores e aos microprocessadores - 23 Subrotinas e interrupções (cont.) A progressão na execução de um programa, temporariamente suspensa por uma das razões apontadas na transparência anterior, pode ser ilustrada como se apresenta à direita:

24 Introdução ao Projecto com Sistemas Digitais e Microcontroladores Dos sistemas digitais aos computadores e aos microprocessadores - 24 O uso da stack Assumindo que a stack cresce para baixo, o que nem sempre acontece, o seu uso começaria assim:

25 Introdução ao Projecto com Sistemas Digitais e Microcontroladores Dos sistemas digitais aos computadores e aos microprocessadores - 25 Conclusão Objectivo principal do capítulo: Efectuar a ponte entre as duas alternativas principais de projecto – Hardware dedicado (com funções pré-definidas ou DLP) –Código residente em memória Pistas para a continuação do estudo: –Arquitectura de computadores (princípios gerais e evolução desde von Neumann) –Impacto da tecnologia


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