Arquitetura de Computadores

Breve Histrico

Data de 1623 a primeira calculadora mecnica e da metade do sculo XIX o primeiro

computador mecnico. Este ltimo nunca foi construdo, mas concebido por Charles Babbage

(precursor do computador) e teve a colaborao de Ada Augusta Byron (precursora do

software). Em 1853 George Boole publicou seu trabalho que daria origem a lgebra de Boole,

fundamento da informtica moderna. Os cartes perfurados foram inventados por Herman

Hollerith, funcionrio do censo norte-americano; eles agilizaram em cem vezes o

processamento censitrio. A companhia de Hollerith deu origem IBM. O perodo de 1943 a

1945 foi marcado pelo ENIAC, o primeiro computador programvel universal conseguia realizar

cinco mil operaes por segundo e seu funcionamento era baseado em vlvulas e no sistema

decimal. A programao era manual atravs de operaes de ligar/desligar e

conectar/desconectar chaves e cabos. O resultado era em forma de luzes. A maioria dos

programadores eram mulheres. O perodo entre 1945 e 1952 foi marcado pelo EDVAC e as

ideias de Von Neumann para adoo do sistema binrio e alguma forma de armazenamento

ordenado. O primeiro bug foi causado em uma mariposa num Mark II em 1945. O Mark I foi

construdo com a colaborao Alan Turing entre 1939 e 1944. Nele, em 24 de junho de 1948,

foi executado o primeiro programa gravado.

Mquina de Von Neumann

A arquitetura base dos computadores atuais a mquina de Von Neumann. Ela possibilita

resolver qualquer problema exprimvel em forma de algoritmo. Seus componentes so a

memria principal (guarda dados usando a representao binria), a unidade central de

processamento (UCP; controle das operaes e execuo das instrues) e os dispositivos de

entrada e sada (comunicao com o exterior). A UCP composta pela unidade lgica

aritmtica (ULA; executa as operaes lgicas e aritmticas) e pela unidade de controle (UC;

controla as operaes interna e externas UCP). A UCP pode ser fixa ou programvel e

executa trs aes: busca, decodificao e execuo. As instrues de mquina podem

envolver: operaes aritmticas, lgicas, de controle de sequncia de execuo e de

transferncia entre a UCP e a memria central ou as unidades de entrada e sada.

Unidades, Sistemas Numricos e Nmeros Negativos

O bit s pode ter ou o valor zero ou o valor um. Agrupamentos de bits criam significados teis.

O byte um grupo ordenado de oito bits. O conceito de palavra est relacionado ao

processamento, armazenamento e transferncia. A palavra fixa e constante em um dado

processador. O sistema decimal trabalha com potncias de 10, o binrio com potncias de

dois, o hexadecimal com potncias de 16. Um overflow ocorre quando o resultado de uma

operao ultrapassa o limite mximo possvel. esperada uma sinalizao do processador

sobre este fato. H trs formas convencionadas para representar nmeros negativos: sinal e

magnitude (bit mais a esquerda indica o sinal; 0 com positivo, 1 como negativo; o restante dos

bits a magnitude - o valor de fato; h duas representaes do zero), complemento de um

(nmeros negativos representados pelo complemento de um do nmero positivo),

complemento de dois (mais utilizado; nmeros negativos representados por duas operaes

sucessivas com o nmero positivo: primeiro faz-se o complemento de um e depois ao

resultado soma-se um; acarreta em faixas assimtricas - mais nmeros negativos que

positivos; possui uma nica representao para o nmero zero).

Memria: tipos, caractersticas e classificao

Os diversos tipos de memria utilizadas no computador so interligadas de forma estruturada

formando o subsistema de memria. As principais caractersticas da memria so custo (preo

por byte), tempo de acesso (espao de tempo entre a solicitao e a disponibilizao) e

persistncia do armazenamento (volatilidade e tempo de permanncia da informao). As

memrias podem ser ordenadas hierarquicamente comeando-se das com menor custo,

velocidade e capacidade da seguinte forma: memria secundria (tica e magntica), memria

principal, memria cache, registradores. Existem diversas tecnologias de fabricao dentre elas

as memrias de semicondutores, as memrias de meio magntico e as memrias ticas. A

volatilidade diz respeito capacidade de reter a informao armazenada quando a energia

eltrica desligada. Os registradores e a memria RAM so volteis. As memrias magnticas,

ticas, ROM, EPROM so no volteis. Tempo de ciclo de memria o espao de tempo entre

duas operaes sucessivas na memria. As memrias podem ser classificadas quanto leitura

e escrita em R/W (Read and Write; geralmente denominadas de RAM), ROM (Read Only

Memory; uma vez gravada no pode ser apagada), PROM (Programmable Read Only Memory;

processo de programao mais simples que os da ROM; no pode ser apagada), EPROM

(Erasable Programmable Read Only Memory; o processo de apagar feito com mquinas

adequadas ou raios ultra-violeta) e EEPROM ou E2PROM ou EAROM (Electrically Erasable

Programmable Read Only Memory/Eletrically Alterable ROM; reprogramavel por processo

eltrico com equipamento e software adequado) . A memria principal controlada pelo

sistema operacional e armazena programas e dados enquanto estes esto sendo necessrios

para a UCP. A clula a menor unidade enderevel; seu tamanho depende da arquitetura da

mquina. Cada clula tem um endereo nico. A funo da memria cache acelerar o

processamento. A memria cache mais rpida que a memria principal, sendo compatvel

com a velocidade da UCP. Seu funcionamento baseia-se no princpio da localidade temporal

(probabilidade de um mesmo item ser referenciado novamente em um curso espao de

tempo) e localidade espacial (probabilidade de itens com endereos prximos serem

referenciados em um curto espao de tempo). Existem duas possibilidades quando o

processador busca uma informao no cache: ou ela est l (cache hit) ou ela no est (cache

miss). Denomina-se tempo de acerto o tempo necessrio para acessar uma informao que

est no cache. Penalidade por falta o tempo gasto substituindo informaes que no esto

no cache. A quantidade de registradores depende do modelo e fabricante do processador.

Poucos registradores resultam em mais referncia memria, entretanto um nmero muito

grande no reduz significativamente a referncia memria. O tamanho do registrador de

endereos deve ser suficiente para o endereamento da arquitetura. O tamanho do

registrador de dados deve atender maioria dos tipos de dados disponveis na arquitetura.

Existem dois tipos de registradores: os visveis para os usurios e os de controle e estado

usados por programas privilegiados do sistema operacional. Os do primeiro tipo podem ser de

uso geral, de dados e de endereos. Os registradores de endereo podem ser de segmento, de

ndice ou apontadores de topo de pilha. So quatro os registradores essenciais de controle de

estado: contador de instruo (CI; indica a prxima instruo a ser executada), registrador de

instruo (RI; contm a ltima instruo); registrador de endereamento memria (MAR;

contm o endereo de uma posio de memria) e registrador de armazenamento temporrio

de dados (MBR; contm uma palavra de dados lida ou a ser escrita).

Programa e Linguagem

Um programa uma sequncia lgica de instrues com o objetivo de realizar determinada

tarefa. Uma linguagem de programao permite escrever programas de computador.

Linguagem de mquina nica que o computador pode entender diretamente; nela cada

instruo corresponde a uma ao (relao um para um); sua especificidade para uma

famlia de computadores. Ela um cdigo binrio totalmente vinculado ao conjunto de

instrues da mquina. So disponibilizadas instrues para operaes matemticas,

movimentao de dados, entrada/sada e controle (desvio de sequncia de execuo). Cada

instruo identificada unicamente por um cdigo binrio e composta por um cdigo de

operao (OPCODE) e, se for o caso, parmetros (ou operandos; OP 1...OP N). O ciclo de

instruo o processamento necessrio para executar uma instruo. Um ciclo composto

pelas seguintes etapas: 1) busca e armazenamento no registrador de instruo da prxima

instruo; 2) incremento do contador de instruo; 3) determinao do tipo de instruo,

determinar, se for o caso, os endereos dos operandos; 4) buscar, se for o caso, operandos na

memria; 5) executar instruo. A linguagem de montagem (Assembly Language) substitui os

cdigos numricos da linguagem de mquina por mnemnicos; ela tambm dependente de

uma famlia de mquinas; o processo de transformao da linguagem de montagem para a

linguagem de mquina denominado de montador (assembler). As linguagens de alto nvel

so afastadas do nvel da mquina; o processo de converso da linguagem de alto nvel para a

linguagem de mquina chama-se compilao; uma linguagem de alto nvel geralmente faz

chamada a diversas funes pr-programadas (bibliotecas); o ligador (linker), dentre outras

funes, decide como tratar a referncias s bibliotecas; para um programa em linguagem de

alto nvel ser executado ele precisa passar pela compilao e pela linkedio (feito no

momento da construo do programa) ou pela interpretao (feito no momento da execuo);

a interpretao o processo que executa toda a traduo e resoluo de referncias externas

em tempo de execuo. Na tcnica de compilao o tempo de execuo menor e a

identificao de erros mais difcil em tempo de execuo do que na tcnica de interpretao

onde o consumo de memria maior e o processo (de traduo e resoluo de referncias)

tem que ser repetido todas s vezes quando o cdigo for executado. Mquina virtual uma

camada de emulao criada em um ambiente de interpretao. Este ambiente de emulao

faz com que uma mquina se comporte como outra. Na linguagem Java o cdigo compilado

para o bytecode (cdigo intermedirio) que depois interpretado pela Mquina Virtual Java

(JVM).

Modos de Endereamento

A forma como os operandos indicam os dados a serem processados chamada de modo de

endereamento. So quatro os principais modos de endereamento: modo imediato

(operando indica o valor do dado), modo direto (indica o endereo da memria), modo

indireto (operando indica um ponteiro para o dado), modo de endereamento por registrador

(operando indica um registrador). O modo de endereamento por registrador pode ser direto

(registrador contm o dado a ser manipuado) ou indireto (registrador armazena o endereo de

uma clula de memria).

Pipeline

O objetivo da tcnica de pipelining melhorar o desempenho do processador aumentando seu

throughput. O tempo para executar uma operao em pipeline geralmente ligeiramente

maior que o tempo para execut-la sem pipeline, graas a overheads como, por exemplo, o de

transferncia de dados. A transferncia de dados entre os estgios do pipeline pode ser

assncrona (utiliza sinais de handshaking para indicar disponibilidade de dados) ou sncrona

(utiliza latches para armazenar dados intermedirios durante a transferncia de estgios;

controlado por sinal de relgio). O mtodo assncrono permite maior velocidade, mas o

mtodo sncrono mais adotado devido sua simplicidade.

Interface de Entrada e Sada, Barramento

A interface de entrada e sada (E/S) controla os perifricos de modo a proporcionar

transparncia para o processador. Nesta operao esto envolvidos no mnimo o registrador

de dados (envio/recebimento de dados), o registrador de controle (envio de comandos) e o

registrador de estado (indica os estados da operao e condies de erro). Nas operaes de

E/S as trs principais tcnicas para transferncia de dados so polling (tcnica de

implementao em software; utiliza o done bit do registrador de estado para sinalizar o fim da

transferncia de dados entre a memria e a interface E/S; exige dedicao exclusiva do

processador), interrupo (requer suporte de hardware; no exige dedicao; interface sinaliza

ao processador sobre fim de operao de E/S; o controlador de interrupo decide, com base

em uma lista de prioridades, qual pedido de interrupo ser atendido em caso de pedidos

simultneos; para decidir que rotina ser executada o processador consulta a tabela de

vetores de interrupo que contm ponteiros para as rotinas correspondentes a cada

interrupo) e acesso direto memria ou Direct Memory Access (DMA) (o processador no

participa da transferncia de dados; o controlador de DMA controla o processo de

transferncia de dados entre a memria e a interface de E/S e arbitra pedidos simultneos; o

controlador de DMA solicita o barramento ao processador com o sinal PDMA; o processador

libera o barramento para a operao com o sinal LIVRE e entra no hold state; ao final do

processo de DMA o processador liberado para utilizar o barramento). O barramento de

entrada e sada forma um padro de comunicao entre o processador e os dispositivos. Ele

consiste em um caminho comum pelo qual os dados trafegam; seu tamanho determina

quantos dados podem ser transmitidos por vez e sua largura de banda precisa ser

compartilhada. H trs conjuntos de barramentos: barramento de endereo (unidirecional; os

endereos de memria e dispositivos trafegam do processador), barramento de dados

(bidirecional; os dados da memria e dos dispositivos de E/S trafegam do e para o

processador) e barramento de controle (bidirecional; os sinais de controle da memria e dos

dispositivos E/S trafegam do e para o processador; indica estado ou determina operao de

leitura/gravao). Os eventos de interao com o barramento ocorrem em sincronia com o

sinal do clock. O barramento ISA (Industry Standard Architecture) opera a 8Mhz com

transferncia de 8 ou 16 bits. O EISA (Extended Industry Standard Architecture) amplia o ISA

para 32 bits e permite compartilhamento do barramento por processadores; compatvel com o

ISA. MCA (MicroChannel Architecture) um barramento de 32 bits da IBM com suporte a

multiprocessamento e desenvolvida para prevenir conflito; no compatvel com o ISA. VESA

(Video Electronic Standards Association) Local Bus um barramento de 32 bits compatvel com

ISA utilizado para principalmente para vdeo e controladores de disco. O PCI (Peripheral

Component Interconnect) opera na faixa entre 25 e 33 Mhz, permite a transferncia a 32 ou 64

bits com taxas de at 132 MB/s; incorpora recursos Plug and Play. O AGP (Accelerated Graphic

Port) exclusivo para placas de vdeo; suas taxas podem chegar a 1GB/s e dependem da placa

de vdeo e da frequncia do barramento da placa-me. O USB (Universal Serial Bus) permite a

comunicao serial de at 127 perifricos por porto; tambm incorpora os recursos Plug and

Play; dispositivos podem ser conectados e desconectados com a mquina ligada; capaz de

fornecer at 5 V de energia. O Firewire (IEEE 1394) um barramento serial que permite

transferncia de at 400 Mbps e aceita at 63 dispositivos por porto.

Portas de Comunicao

As portas de comunicao permitem a interligao fsica com os perifricos. Na comunicao

serial o byte desmembrado em bits e enviado separadamente um aps o outro. Na

comunicao paralela os bits do byte so enviados simultaneamente por meios fsicos

diferentes (cada um em seu fio). Na interface paralela pode ocorrer dos bits no chegarem

todos ao mesmo tempo (skew).