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Organização e Arquitetura de Computadores I Introdução Ivan Saraiva Silva.

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1 Organização e Arquitetura de Computadores I Introdução Ivan Saraiva Silva

2 Sumário Introdução Bibliografia Recomendada O que é um computador Organização de um Computador Modelo de Von Neumann IAS – Máquina de Von Neuman Memória Execução de instruções Gargalo de Von Neumann Noções de Desempenho Convenções Gráficas

3 Introdução Plano de aula Avaliações –Três provas e um projeto Uso da linguagem VHDL ou SystemC

4 Bibliografia Recomendada Organização e projeto de de Computadores: A Interface hardware/Software, David A. Patterson, John L. Hennessy - Campus 2005 Arquitetura de Computadores: Uma Abordagem Quantitativa - John L. Hennessy -, David A. Patterson - Campus Arquitetura e Organização de Computadores - Quinta Edição - William Stallings - Prentice Hall Organização estruturada de computadores, quarta edição, Andrew S. Tanenbaum – LTC Analysis and Design of Digital Systems with VHDL - Allen Dewey - PWS Publishing Company

5 O que é um Computador Um computador é uma máquina eletrônica lógica Programável –Programa Instruções Representável por uma hierarquia de níveis de abstração (Tanenbaum) –Microeletrônica (mais baixo) –Sistema Operacional (mais alto)

6 Níveis de Abstração Microeletrônica Lógica Digital Linguagem de Montágem Sistema Operacional Máquina Convencional Linguagem orientada a problemas Conjunto de instrções Caracteristicas físicas, malha de transistores Unidades lógicas combinacionais e sequenciais MicroprogramaçãoInterpretador em firware Gerencia de sistema e interface de usuário Linguagem Assembly Linguagens de alto nível

7 Organização de um Computador Modelo de Von Neumann (1945) –Conceito de programa armazenado –Separação da Unidade Aritmética e de Controle –Utilização de barramentos e registradores –Hardware de entrada e saída (I/O) UCP MemóriaI/O

8 Modelo de Von Neumann MemóriaI/O Controle Aritmética Controle de Execução Execução de Operações Instruções e Dados

9 Modelo de Von Neumann Bloco de controleBloco operacional Memória operação endereços instruções dados CPU

10 Modelo de Von Neumann Memória: Conjunto de posições/locações endereçáveis Palavras: Posição/locação da memória. Contém dados e instruções. Palavra: Unidade básica de transferência de/para memória. Palavras são localizadas através de um endereço Dados, instruções e endereços são codificados em binário

11 Modelo de Von Neumann Programa é uma seqüência de instruções, colocadas numa seqüência de endereços A execução de um programa corresponde à execução seqüencial de suas instruções A seqüência das instruções é definida de forma dinâmica em tempo de execução –Existência de instruções de controle de fluxo

12 IAS – Máquina de Von Neumann Memória Principal Unidade Lógica e Aritmética Unidade de Controle Hardware de Entrada e Saída MBR Circuitos de Lógica e Aritmética MQAcumulador MAR Circuitos de Controle IBR IR PC Endereço Dados e Instruções Unidade Central de Processamento

13 IAS – Máquina de Von Neumann Memória Principal Unidade Lógica e Aritmética Unidade de Controle Hardware de Entrada e Saída MBR Circuitos de Lógica e Aritmética MQAcumulador MAR Circuitos de Controle IBR IR PC Endereço Dados e Instruções Unidade Central de Processamento

14 Conceitos e Convenções Registradores: Posições de memória internas a UCP. –Dedicados e de Uso Geral Barramento: Via de comunicação –Dados e Instruções, Endereços e Controle –Comunicação Síncrona e Assincrona

15 Memória Em um computador geralmente existe uma hierarquia de memória. Cada nível da hierarquia é dividido em palavras de N bits cada A palavra é a unidade básica de transferência entre a UCP e a memória. Uma memória com 2 M palavras necessita de M bits de endereço

16 Memória Posição 0 N Bits Posição 2 M M posições Endereço M Bits N Bits

17 Execução de Instruções busca da próxima instrução na memória –manda endereço, volta instrução decodificação da instrução –interpreta código da instrução se a instrução precisa de dados (na memória) –manda endereço, busca dado execução da instrução –executa ações específicas para cada instrução

18 Execução de Instruções Bloco Controle Bloco Operativa operação Memória endereço instrução dados endereço instrução BCMEM instrução MEMBC endereço operando 1 MEMBC endereço resultado MEMBC operando 1 MEMBO operando 2 MEMBO executa soma BO resultado MEMBO endereço operando 2 BCMEM ordem de execução BCBO Bloco Operativa

19 Gargalo de Von Neuman Refere-se ao tráfego no barramento –vai endereço da instrução volta instrução –vão endereços dos operandos –vão e voltam operandos Para eliminar gargalo: diminuir tráfego de informações –manter informações na CPU –diminuir tamanho em bits das informações transferidas –Inclusão de registradores

20 Noções de Desempenho Ciclo de relógio (clock): intervalos básicos de tempo nos quais são executadas as operações elementares de uma instrução –transferências de valores entre registradores –operações aritméticas na ALU Período do relógio (T): Tempo de duração de um ciclo do relógio Freqüência do relógio (f): Freqüência de repetição de ciclos de clock por unidade de tempo Exemplo: Se o período do relógio é de T = 4 ns = 4x10 -9 f = 1/T = 1/4x10 -9 = 250 MHz

21 Isto significa que? Para um período de T=4ns a máquina pode executar 250 milhões de operações elementares As operações elementares são executadas de forma síncrona com o relógio O desempenho da máquina e proporcional a: nº ciclos x período = nº ciclos freqüência Circuito Combinatório Relógio Circuito Seqüencial T

22 Convenções Gráficas Multilexador / Demultiplexador Seleção –N x 1 (multiplexador) –1 x N (demultiplexador) Para 2 n entradas/saídas de dados tem-se n entradas de controle IN1 IN2 INn OUT Ctrl n OUT1 OUT2 OUTn IN Ctrl n Not And Or IN2 IN1 Ctrl OUT

23 Convenções Gráficas Registrador –Posição de memória interna ao microprocessador Registradores de uso geral e específico –Acumulador –Apontador de programa PC Aceleram o acesso aos dados Habilitação de escrita R INOUT We Clk R IN We OUT

24 Convenções Gráficas Deslocadores –Deslocamento de bits para a direita/esquerda Deslocadores lógicos –Inserção de zeros no lado oposto ao deslocamento Deslocadores Aritméticos –Re-inserção do último bit do lado oposto do deslocamento INOUT

25 Convenções Gráficas Unidades de Lógica e Aritmética (ULA) –Realizam operações lógicas e aritméticas –Podem gerar sinais destinados ao controle –Para 2 n operações necessita de n entradas de seleção –Operações podem variar de ULA para ULA –Número de ciclos para execução pode variar de operação para operação Operando1 Operando2 Sel Controle Resultado


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