Organização de Computadores

Apresentação em tema: "Organização de Computadores"— Transcrição da apresentação:

1 Organização de Computadores
Aula 4:Máquina de John von Neumann Professor: Ronnison Reges Vidal

2 Agenda Modelo de Von Neumann; Conjunto de instruções;
Processador e seus componentes. Memória; - Características; - Operações;         

3 Modelo de Von Neumann MEMÓRIA PROCESSADOR ENTRADA e SAÍDA
Brilhante matemático que ficou conhecido por sua arquitetura de computador. John Von Neumann, matemático húngaro ( ), contribuiu para a matemática e a física. Foi professor da Universidade de Princeton e um dos construtores do ENIAC. ENTRADA e SAÍDA 3

4 Modelo de Von Neumann Dados e instruções armazenados em uma única memória utilizada tanto para leitura quanto para escrita. Os dados armazenados na memória podem ser acessados através de endereços. A execução de um programa ocorre sequencialmente, por ordem de endereços, exceto se for feito algum desvio explicito no programa. Os dados são produzidos através de instruções durante a etapa de processamento. A “operação” especifica a função a ser desempenhada, por exemplo, soma, armazene ou desvie, entre outras. Os “operandos” fornecem os dados a serem utilizados na operação ou ainda a forma de alcançar a posição destes dados na memória. 4

5 Modelo de Von Neumann MEMÓRIA PROCESSADOR RDM REM ENTRADA e SAÍDA
CONTROLE RDM - registrador de dados da memória REM - registrador de endereços da memória Unidades de controle: Operação de leitura e escrita Unidade de Controle: Gerenciamento do fluxo interno dos dados Busca, decodifica e executa instruções. ULA: Execução de operações lógicas e aritméticas Conceito proposto para o EDVAC (1945). Registradores: Memórias dentro do processador. O barramento de endereços, basicamente, indica de onde os dados a serem processados devem ser retirados ou para onde devem ser enviados. A comunicação por este meio é unidirecional, razão pela qual só há seta em uma das extremidades da linha no gráfico que representa a sua comunicação. Como o nome deixa claro, é pelo barramento de dados que as informações transitam. Por sua vez, o barramento de controle faz a sincronização das referidas atividades, habilitando ou desabilitando o fluxo de dados, por exemplo. Para você compreender melhor, imagine que o processador necessita de um dado presente na memória. Pelo barramento de endereços, a CPU obtém a localização deste dado dentro da memória. Como precisa apenas acessar o dado, o processador indica pelo barramento de controle que esta é uma operação de leitura. O dado é então localizado e inserido no barramento de dados, por onde o processador, finalmente, o lê. ENTRADA e SAÍDA 5

6 Modelos de Interconexão entre os componentes do sistema

7 Funcionamento dos barramentos
O computador inicia o procedimento interrogando a MP através do BC; A resposta ok também passa pelo fio definido BC; O processador sinaliza para a MP o tipo de operação (leitura) também usando o BC; O processador passa o endereço para a MP pelo BE; A MP decodifica o endereço e transfere o dado do endereço 37 (valor 75) para o processador por BD. 7

8 Memória REM Memória READ WRITE READ: O conteúdo da posição de memória endereçada por REM é copiada em RDM. Write: A posição de memória endereçada por REM recebe o conteúdo de RDM. RDM Os parâmetros mais importantes da memória no nível de arquitetura o tamanho da palavra em bits e o tamanho da memória em palavras. O tamanho da palavra determina o comprimento em bits do RDM. O tamanho da memória determina o comprimento em bits do REM. 8

9 Acesso a Memória O Registrador de Endereços da Memória (REM) armazena o endereço da palavra de memória durante um acesso (leitura ou escrita); O Registrador de Dados da Memória (RDM) armazena o conteúdo da palavra de memória lida em uma operação de leitura ou que será escrita na memória; O endereço é decodificado para localizar a palavra a ser acessada. 9

10 Acesso a Memória O tamanho do RDM determinará a quantidade de bits que poderá ser transferida em um único acesso a memória - o tamanho da palavra de memória; O tamanho do REM determinará o tamanho do espaço de endereçamento da memória, ou seja, a quantidade de palavras que poderão ser endereçadas; O RDM determinará a largura do barramento de dados; O REM determinará a largura do barramento de endereços. 10

11 Acesso a Memória Tamanho da palavra  Determina RDM
Palavra de 32 bits  RDM com 32 bits Tamanho da memória em palavras  Determina REM Memória com 256 palavras  REM com 8 bits

12 Processador Procedimento de Inicialização; Ciclos de Instruções;
Interrupções; Pipeline

13 Procedimento de Inialização do PC
Bootstrap: Processo de inicialização do PC 1.Energia 2.Registradores inicializados 3. Executa instrução em:IP  BIOS POST SETUP Carga do S.O Post: Verifica os componentes essenciais do PC; Setup: Configurações; Carga do S.O: Carga do sistema operacional;

14 Ciclo de instruções 1)Buscar uma instrução na memória;
2)Decodificar operação; 3)Buscar os operandos; 4)Executar a operação; 5)Guardar o resultado (se for o caso); 6)Reiniciar o ciclo;

15 Interrupções Mecanismos de Hardware que permitem a implementação de sistemas multitarefas.

16 Pipeline Imagine uma linha de montagem de veículos:
Montar chassis CARRO1 1h Colocar motor e pneus CARRO1 1h Prender carroceria CARRO1 1h Realizar acabamento CARRO1 1h A cada 4h sai um carro pronto Mas... Montar chassis CARRO 4 1h Colocar motor e pneus CARRO3 1h Prender carroceria CARRO2 1h A cada 1h sai um carro pronto (depois do primeiro)

17 Pipeline Considerando um processador com pipeline de 5 níveis calcule quantos ciclos serão necessários para a execução de 9 instruções, considerando que cada estágio do pipe utiliza um ciclo de processamento. Compare com a mesma execução sem pipeline. Sem pipeline: Tempo de cada instrução: 5 ciclos Total = 9 x 5 ciclos = 45 ciclos Com pipeline: primeira instrução : 5 ciclos demais: 8 x 1 ciclo = 8 ciclos Total: = 13 ciclos

18 Unidade lógico e Aritmética (ULA)
Sinais de controle: Seleciona a operação desejada; Operando: Fornece a maneira de calcular a posição atual dos dados; Códigos de Condição: Indicações sobre a operação realizada.

19 Unidade lógico e Aritmética (ULA)
Código de Condição - Zero (indica se o resultado da operação realizada é zero). - Overflow (Estouro de campo) Indica que o resultado de uma operação aritmética não pode ser representado no espaço disponível. - Sinal (indica se o resultado da operação realizado é positivo ou negativo). - Carry (indica na operação de soma o bit de vai-um e na operação de subtração o bit de vem-um.

20 Unidade de Controle Gerenciamento do fluxo interno dos dados: Busca, decodifica e executa instruções. Gerencia o instante preciso em que ocorrem as transferências de dados. Cada sinal de controle comanda uma microooperação. Exemplo de microoperação: Seleção de um dado de entrada, seleção de uma operação da ULA etc.

21 Modelo Estrutural da Unidade de Controle
RI:Registrador de Instruções: Armazena a instrução que está sendo executada. RST: Registrador de estado:Armazena códigos de condição gerados pela ULA e outros elementos como sinais de interrupção por dispositivos de E/S. PC: Contador de Programa: Atualiza o endereço de memória da próxima instrução.

22 Exercícios Quais os princípios da máquina de von Neumann ?
Compare a máquina de von Neumann com as máquinas anteriores ? Quais os componentes da Unidade Central de Processamento (UCP) ? Quais as funções da unidade de controle ? O que é um registrador ? De que são construídos registradores ? Qual a função dos registradores na UCP ? Quais as funções dos registradores RI e RST ? Quais as funções dos registradores RDM e REM ?

23 Programação de um Processador
A linguagem que o processador entende é a linguagem de máquina definida por: 1) Conjunto de código binários que a unidade de controle é capaz de decodificar e executar; 2)É formada pela conjunto de instruções da máquina; 3) É específica de cada máquina.

24 Linguagem de Montagem (Assembly)
Associa símbolos aos códigos binários onde cada símbolo representa uma instrução (ou pseudo-instrução); Símbolo representa a operação associada: ADD - adição; SUB - subtração ... Esses símbolos são chamados mnemônicos; Foram dados nomes aos operandos e rótulos as posições ocupadas pelo programa. Mnemônicos geralmente são palavras em inglês que foram associadas aos códigos binários das instruções na linguagem de máquina; Nomes são palavras associadas aos códigos dos operandos; Rótulos (labels em inglês) são palavras associadas às posições de memória ocupadas por instruções do programa. 24

25 Tipos de Instrução Instruções são as ordens dadas ao computador.

26 Formato de Instrução

27 Exemplos de Instruções
Um determinado processador possui um conjunto de 64 instruções. Quantos bits de opcode a instrução deverá possuir? Resposta 6 (26=64) 27

28 Formato das Instruções
Máquinas de um endereço: a instrução especifica apenas de um operando de entrada; Máquinas de dois endereços: a instrução especifica os dois operandos e o resultado é armazenado no lugar do primeiro operando; Máquinas de três endereços: a instrução especifica os operandos e o resultado da operação.

29 Formato das Instruções

30 Programas para executar a expressão:
Y = (A – B) ÷ (C + D × E) Três Operandos

31 Programas para executar a expressão:
Y = (A – B) ÷ (C + D × E) Dois Operandos

32 Programas para executar a expressão:
Y = (A – B) ÷ (C + D × E) Um Operando