Arquitetura de Computadores

Arquitetura de Computadores
Introdução

Conceitos Arquitetura de Computador Trata do comportamento funcional de um computador do ponto de vista do programador. São os atributos do sistema que são visíveis a este: Conjunto de instruções, número de bits usados para representação de dados, mecanismos de E/S, técnicas de endereçamento, etc. ex: Existe uma instrução de multiplicação?

Organização de Computador Trata dos aspectos que são transparentes ao programador. Refere-se às unidades operacionais e suas interconexões que implementam sua arquitetura: Sinais de controle, interfaces entre o computador e os periféricos, tecnologia de memória, tamanho da memória física, frequência de clock, etc. ex: Existe uma unidade de multiplicação no hardware ou esta é implementada através do uso sucessivo do mecanismo de soma?

Um pouco de história Primeiros dispositivos mecânicos no século XVI Ex: Caixa de músicas, com cilindros rotativos Ex atual: Caixa de músicas para crianças Blaise Pascal ( ) desenvolveu uma calculadora mecânica para auxiliar na preparação dos impostos de seu pai.

Máquina de Calcular de Pascal Figura retirada do livro Introdução a Arquitetura de Computadores, Miles J. Murdocca

O Avô da Computação Charles Babbage ( ) projetou, mas nunca conseguiu construir uma versão prática da máquina que projetou. Ele viveu na Inglaterra, onde tinha muitas dificuldades de trabalhar com tabelas matemáticas em cálculos de navegação e trabalhos científicos. O projeto incluir até uma forma automatizada de impressão para evitar erros na hora de escrever no papel. Tinha funções de “branching”, capacidade de programação usando cartões perfurados

Um século depois, na Segunda Guerra Mundial, ocorreram os avanços significativos na computação. Os alemães usavam um sistema de criptografia, chamado ENIGMA inventada pela SIEMENS AG, para usar contra os aliados. Este problema, motivou o Alan Turing ( ) e outros cientistas da Inglaterra para criar máquinas capazes de quebrar os códigos de codificação. O resultado desses trabalho gerou o sistema “Colosso”. Este sistema conseguia quebrar várias msg criptografadas.

A máquina Colossos consistia de válvulas e conexões de fios. No mesmo período, o J. Presper Eckert e John Mauchly projetaram uma máquina que poderia ser usada para calcular a trajetória balistica para o exército dos Estados Unidos. Foi Chamado de “Eletronic Numerical Integrator and Computer” – ENIAC.

O ENIAC, tinha válvulas: O programa e dados eram introduzidos por meio de interruptores e troca de cabos Não tinha uma central de memória Foi usado por 9 anos

Eckert e Mauchly se uniram ao Von Neumann ( ), do Institute for Advanced Study de Princeton, para trabalhar num projeto de um computador com armazenamento de programa chamado EDVAC. O conceito evoluiu e um modelo funcional derivou o EDSAC, contruído por Maurice Wilkes, da Cambridge University, em 1947.

O modelo Von Neumann X Harvard Existe basicamente dois modelos de arquitetura de computadores Von Neumann Harvard

Modelo Harvard Modelo Von Neumann Memória de Programas Memória de Dados CPU Memória de Programas CPU Memória de Dados

O Modelo Von Neumann Consiste em cinco componentes principais, como mostra a figura Unidade de entrada Unidade de memória Unidade aritmética e lógica Unidade de Controle Unidade Central de processamento (CPU)

O aspecto principal do modelo de Von Neumann é a possibilidade de usar a memória para armazenar tanto programas como também dados. Vantagens Os programas podem ser manipulados facilmente Possibilitou a criação e evolução de compiladores Possibilitou a criação e evolução dos sistemas operacionais

Modelo Modernizado Os computadores modernos usam uma versão que usa o modelo de barramento de sistema de um sistema de computação

Modelo Von Neumann Aprimorado

Idéia de Barramento Compartilhamento de dados entre as unidades Necessidades de identificadores individuais entre as unidades para se comunicarem Memória e E/S podem ser identificados de forma única ou separados O Barramento de Controle é o mais Complexo, pois ele é responsável por coordenar o fluxo de dados entre os barramentos.

Níveis das máquinas

Níveis das Máquinas Para o estudo da computação podemos separar em níveis que podem apresentar aspectos relacionados deste o usuário, até o mais baixo que pode ser o transistor. Estes níveis como visto na figura anterior, inclusive estão sendo discutidos e podem aumentar! Vantagens Cria abstrações para diferentes níveis de conhecimento de um computador. Ex: Usuário, Programador, Engenheiro, Físico, etc. Compatibilidade para cima “Upward compatibility”

Níveis das Máquinas Usuário Nível de alto nível, onde as pessoas usam o computador para processar textos, planilhas, acessar Internet ou jogar “games” Ex: Word, , CS, etc Linguagem de Alto Nível Neste nível, as pessoas dedicadas a este tipo de trabalho, estão acostumadas a programar com linguagens de programação tipo C, Pascal, Basic, Java, etc. Usam compiladores para adequar os comando de alto nível de programação em diferentes máquinas computacionais. Ex: Intel, PowerPC, Familias Motorola, etc.

Níveis das Máquinas Montagem de Código de Máquina Neste nível, tratamos com uma linguagem de baixo nível, chamada de linguagem de máquina ou código de máquina. Os compiladores normalmente traduzem a linguagem de alto nível para a linguagem de baixo nível, porque está é a linguagem que a máquina entende. É uma linguagem que olha para baixo, acessando dados da memória, dos dispositivos de E/S e outras informações do resto do hardware. A linguagem de máquina, utiliza um conjunto de instruções que na verdade é uma coleção de comandos presentes na linguagem de baixo nível. Na prática, esses comandos não passam de zeros e uns que combinados formam diversas instruções que o hardware entende. Como o ser humano não consegue entender bem uma linguagem de máquina, surgiu a linguagem assembly, ou linguagem de montagem, cujo o objetivo foi apenas traduzir os comandos binários em mnemônicos, em outras palavras em palavras de comando que as pessoas pudessem entender melhor. Ex: = CLRF F

Níveis das Máquinas Controle A unidade de controle tem papel importante num sistema computacional. Esta unidade é responsável por por efetuar a transferência dados entre registradores. Para isto, interpreta os comandos de acesso a dados e transfere as informações entre registradores. Ex: MOVE AX,05h Estes controles podem ser implementados usando circuitos lógicos e fios, o que torna soluções fixas, porém muito rápidas Outra solução é usar microprogramas. A idéia é exista uma outra linguagem de mais baixo nível ainda, para tornar flexível a implementação de funcionalidades do código de máquina. Ex: Normalmente isto é feito para compatibilizar linguagem de maquinas antigas em novas arquiteturas mais rápidas como a INTEL faz.

Níveis das Máquinas Unidades funcionais Incluem a memória, ALU, registradores, etc Portas lógicas, transistores e Fios As unidades funcionais são construídas a partir de circuitos lógicos que por sua vez são feitas de transistores. Eles circuitos são responsáveis por executar as operações mais simples como o AND, OR e NOT. A combinação complexas destas portas lógicas com e uso de temporização permitem fazer o processamento de dados dentro de um computador. Neste nível, as preocupações com detalhes com níveis de sinal elétrico, corrente, atraso de propagação de sinais, efeito quantico e outros assuntos relacionados são importantes.

Níveis das Máquinas Para o estudo da computação podemos separar em níveis que podem apresentar aspectos relacionados deste o usuário, até o mais baixo que pode ser o transistor. Estes níveis como visto na figura anterior, estão sendo re-discutidos e podem aumentar! Dependendo da nova arquitetura, os níveis podem se confundir, como é o caso de maquinas que possuem co-processadores e os que não tem.

Sistema Típico de Computador

Placa Mãe (Pentium II)

CPU (PII)

Supercomputadores (Mainframe) (Source:

Lei de Moore O poder computacional dobra de capacidade a cada 18 meses Investimento de alto risco para a industria de microprocessadores. Aumenta o valor de investimento ao mesmo tempo que reduz o tempo de retorno de cada novo chip. Ex: é necessário 2,3 ou 4 bilhões de dólares para cada novo projeto de chip mais rápido.

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