Organização e Arquitetura de Computadores I Introdução Ivan Saraiva Silva

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

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

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 - 2003 Arquitetura e Organização de Computadores - Quinta Edição - William Stallings - Prentice Hall - 2002 Organização estruturada de computadores, quarta edição, Andrew S. Tanenbaum – LTC - 1999 Analysis and Design of Digital Systems with VHDL - Allen Dewey - PWS Publishing Company - 1997

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)

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

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 Memória I/O

Modelo de Von Neumann Controle de Execução Controle Execução de Operações Aritmética Memória I/O Instruções e Dados

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

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

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

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

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

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

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 2M palavras necessita de M bits de endereço

Memória Posição 0 N Bits Posição 2M - 1 2M posições Endereço M Bits

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

Execução de Instruções endereço instrução BC MEM instrução MEM BC Bloco Controle Bloco Operativa Bloco Operativa operação endereço operando 1 MEM BC operando 1 MEM BO endereço operando 2 BC MEM dados operando 2 MEM BO endereço Memória ordem de execução BC BO instrução dados executa soma BO endereço resultado MEM BC resultado MEM BO

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

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

Isto significa que? Circuito Seqüencial 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 T Relógio

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

Convenções Gráficas R IN OUT We Clk 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 Clk IN We OUT

Convenções Gráficas Deslocadores Deslocadores lógicos 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 IN OUT

Convenções Gráficas Unidades de Lógica e Aritmética (ULA) Sel Realizam operações lógicas e aritméticas Podem gerar sinais destinados ao controle Para 2n 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