arquitetura e organização de computadores · aumento de clock o sinal de clock é responsável...
TRANSCRIPT
ARQUITETURA E ORGANIZAÇÃO
DE COMPUTADORES
PROF. DEJAIR PRIEBE
PROCESSADOR
A função de um computador é executar tarefas
com a finalidade de resolver problemas.
Uma tarefa pode ser executada por meio de
uma sequência ordenada de instruções de
máquina.
O processador é o componente responsável
pelo processamento de instruções e de dados.
Desempenho de Processadores
O aumento de desempenho (velocidade de processamento)
de processadores está relacionado com os seguintes
aspectos:
Aumento de clock
Aumento do número interno de bits
Aumento do número externo de bits
Redução do número de ciclos para executar cada instrução
Aumento da capacidade e velocidade da memória cache
Execução de instruções em paralelo
Aumento de Clock
O sinal de clock é responsável pelo sincronismo entre as
unidades de processamento internas ao microprocessador e
pelas unidades externas.
Quanto maior a frequência de clock mais rápido o
processamento. No entanto, não se pode aumentar de
forma indefinida essa frequência. Isso pode causar falhas de
processamento e sobreaquecimento.
O aumento depende de pesquisas com o objetivo de reduzir
o tamanho dos componentes básicos do microprocessador e
aumento da quantidade de componentes, sem perda de
estabilidade no funcionamento.
Aumento do numero interno de bits
Uma maior quantidade de bits dos
registradores e dos barramentos internos
permite a movimentação de uma maior
quantidade de dados por unidade de tempo,
aumentando o desempenho do
microprocessador.
Aumento do numero externo de bits
Um número maior de bits externos permite a
movimentação de uma maior quantidade de
dados por unidade de tempo com os
periféricos, tais como memória, unidade de
entrada e saída, controlador de acesso direto
à memória (DMA).
Arquitetura de Computadores
7
CPU
Ciclo de instrução:
Busca instrução;
Decodifica a instrução;
Busca operandos;
Executa a instrução;
Escreve os resultados;
Retorna ao primeiro passo.
Redução de ciclos de instrução
A execução de uma instrução normalmente é
feita em duas etapas:
busca (onde a instrução é transferida da
memória para a unidade de decodificação) e
execução (onde os sinais de controle ativam,
em uma sequência lógica, todas as unidades
envolvidas na execução).
Redução de ciclos de instrução
No microprocessador 8085 as instruções
mais rápidas são executadas em quatro
ciclos de clock; as mais lentas, em até 16
ciclos de clock.
A redução do número de ciclos de clock na
execução de uma instrução torna o
processamento mais rápido.
Aumento da capacidade e velocidade
da memória cache
O aumento de velocidade de processamento dos
microprocessadores tem sido muito maior do que o
aumento da velocidade de acesso à memória
principal.
Assim, a velocidade de acesso à memória principal
torna-se um limitador de desempenho dos
processadores.
Em razão desse problema foi criada a memória
cache.
Aumento da capacidade e velocidade
da memória cache
A memória cache ( constituída de memória RAM
estática) é usada para acelerar a transferência de
dados entre a CPU e a memória principal
(constituída de RAM dinâmica, de menor volume,
porém mais lenta).
O aumento da capacidade e da velocidade da
memória cache resulta no aumento da velocidade
de transferência de dados entre a CPU e a
memória principal e, consequentemente, resulta no
aumento do desempenho global do sistema.
Processador
O processador é constituído por centenas de
transistores.
As portas lógicas são implementadas
fisicamente por meio de transistores.
Diferentes encapsulamento de transistores.
Processador
O processador é dividido em três partes
básicas:
14
Organização funcional
UCP
UNIDADE
ARITM ÉTICA
E LOGICA
CLOCK
MEMORIA
MICROPROCESSADOR
PRINCIPAL
SISTEM A CENTRAL
Barrame nto
INTERFACE
UNIDADE
DE
CONTROLE
Barramento
Unidade s
de
Entrada e Saída (E/S)
INTERFACE
PERIFERICO PERIFERICO
... ...
Componentes do Processador
ULA (Unidade Lógica e Aritmética)
É onde as operações lógicas e aritméticas são
realizadas.
Unidade de controle
Controla a execução de qualquer instrução
dentro do processador.
Define o que tem que ser feito a cada momento.
Decodifica a instrução e gera os sinais de
controle para as unidades funcionais.
Componentes do Processador
Registradores
Pequenas memórias dentro do processador.
Armazenam dados que estão sendo
executados no momento.
Dois tipos:
Registradores de propósito geral
Registradores específicos
Arquitetura de Computadores
17
CPU - Processamento
Execução propriamente dita das instruções
Esta função envolve a UAL, FPU’s e
registradores;
Exemplos:
Operações aritméticas;
Operações lógicas;
Movimentação de dados;
Desvios (branch);
Entrada / Saída.
Exemplos de Unidades Funcionais
Microprocessador
Microprocessador Intel 4004 com 2300 transistores (1971)
Faça uma lista com os últimos 15 microprocessadores e
seus anos de lançamento, comparando os fabricados pela
Intel e pela AMD.
Pentium IV com 55.000.000 transistores (2001).
Itanium com 2 bilhões de transistores (2008)
Barramento
Conjunto de condutores por meio dos quais as
informações trafegam de uma parte do
computador para outra
Instruções
Representação elementar que gera uma ação
em um computador.
Determina o que o computador deve fazer
naquele instante. Um programa é composto
por muitas instruções, que são executadas de
forma ordenada pelo processador.
Estrutura de uma instrução
00000010001100100100000000100000
add $t0, $s1, $s2
Tipos de instruções
Matemáticas e lógicas
Soma, subtração, and, or...
Movimentação de dados
registrador – registrador; registrador –
memória; memória – registrador.
Entrada/Saída
Controle
Instruções de salto
26
CPU - Controle
Dispositivos envolvidos nas atividades de
controle:
UC: unidade de controle;
RI (ou IR) - Registrador de instruções
(Instruction Register);
CI (ou PC) - Contador de instruções (Program
Counter)
Clock (Relógio);
RDM (Registador de dados da memória);
REM (Registrador de endereços de memória).
Arquitetura de Computadores
27
CPU - Controle
UC - movimentação de dados e controle da
ALU (ou UAL);
Clock - gerador de pulsos que sincronizam os
trabalhos da CPU. Frequência medida em
MHZ;
RI - armazena a instrução que está sendo
executada;
PC - armazena o endereço da próxima
instrução a ser buscada.
Execução das instruções Monociclo
Sequência das instruções
Busca Le Reg. Mem.ULA Esc. Reg
Execução das instruções Multiciclo
Sequência das instruções
Busca Le Reg. Mem.ULA Esc. Reg
Exemplo de Lavanderia
Tem-se os volumes A, B, C e D de roupas para lavar,
secar e passar
A lavadora leva 30 minutos
A secadora leva 40 minutos
A passadeira leva 20 minutos
A B C D
Pipeline é natural
• A lavanderia sequencial leva 6 horas para 4 volumes
A
B
C
D
30 40 20 30 40 20 30 40 20 30 40 20
6 7 8 9 10 11 Meia noite
T
a
s
k
O
r
d
e
r
Tempo
Lavanderia Sequencial
Lavanderia em Pipeline
• Lavanderia em Pipeline leva 3.5 horas
A
B
C
D
6 7 8 9 10 11 Meia noite
o
r
d
e
m
Tempo
30 40 40 40 40 20
Execução das instruções - Pipeline
Ordem
Paralelismo
O processador perde muito tempo aguardando
os dados da memória.
Para melhorar o desempenho do sistema,
utiliza-se o paralelismo.
Pode ocorrer em dois níveis
Nível de instrução – pipeline
Nível de hardware – mais de um processador
Paralelismo
Multiprocessador
Processadores interligados que executam
instruções do mesmo programa e que
compartilham a mesma memória.
Multicomputador
O mesmo que o anterior, porém, além da
memória compartilhada, possui também uma
memória própria.
Trabalha como se fosse um outro computador,
portanto, melhorando o desempenho.
Paralelismo
Multiprocessador Multicomputador
Conjunto de instruções
CISC (Complex Instruction Set Computer)
Possui como característica um grande número de
instruções.
Idéia: quanto mais instruções fossem
implementas no computador, melhor seria o
desempenho.
Porém, a maior parte das instruções utilizadas
são simples e quase sempre as mesmas
Conjunto de instruções
RISC (Reduced Instruction Set Computer)
Possui número reduzido de instruções
São mais simples do que as CISC
Instruções mais complexas são implementadas
pelo software.
Tempo de execução menor que a CISC, ou seja,
as instruções RISC são executadas mais rápidas.
Entretanto, um programa em RISC utiliza mais
instruções para fazer a mesma coisa.
Mesmo assim, o RISC é mais rápido.
Arquitetura de Computadores
39
Entrada / Saída
Subsistema do computador responsável pelo
fornecimento de informações e exibição dos
resultados produzidos.
Os componentes do sistema de E/S são
chamados de periféricos por se localizarem
fora do núcleo CPU/MP
O processador deve se comunicar com
periféricos que possuem diferentes
velocidades e formas de representar e
transmitir seus dados.
Arquitetura de Computadores
40
Entrada / Saída
É necessário que exista um componente
intermediário entre o processador e cada um
dos periféricos.
As controladoras de periféricos realizam o
papel da comunicação entre os periféricos e o
núcleo CPU / MP.
Arquitetura de Computadores
41
Entrada / Saída
Existem duas formas de comunicação entre a
CPU / MP e os periféricos:
Transmissão serial: Os dados são transmitidos
um bit de cada vez (Ex: Teclado e Mouse).
Transmissão paralela: Os dados são transmitidos
em grupos de bits (Ex: HD’s e Vídeo)
Arquitetura de Computadores
42
Entrada / Saída
Principais dispositivos de E/S:
Teclado;
Mouse;
Monitor de Vídeo;
Impressora;
HD’s, disquetes, CD’s e Fitas Magnéticas;
Scanners;
MODEM’s
Etc.
Arquitetura de Computadores
43
Entrada / Saída
Interrupções: Sempre que uma operação de
E/S é solicitada pelo processador, a
controladora respectiva a executa e, ao final,
realiza uma interrupção para informar o término
da mesma.
DMA (Direct Memory Access): Técnica que
minimiza a participação do processador em
operações de E/S, permitindo que as
controladoras acessem a memória diretamente.
Memória
Tipos de memória
RAM (Random Access Memory)
É uma memória volátil de escrita e leitura.
É aleatória porque permite o acesso direto ao
dado que será lido ou escrito, sem a necessidade
de passar por todas as outras posições de
memória.
Estática (SRAM): armazenada em FLIP-FLOP.
Dinâmica (DRAM): armazenada em capacitor,
necessitando de refresh.
Tipos de memória
ROM (Read Only Memory)
É uma memória apenas de leitura, e não-volátil.
Os dados são previamente gravados pelos
fabricantes.
as instruções de um processador
um programa de controle de temperatura em um
microcontrolador.
Tipos de memória
PROM (Programmable Read Only Memory)
É uma memória somente leitura programável e
não-volátil.
Sua programação pode ser feita pelo próprio
usuário por meio de um dispositivo apropriado
denominado gravador.
Uma vez gravado, não pode ser mais alterado
nem apagado.
Tipos de memória
EPROM (Erasable Programmable Read
Only Memory)
É uma memória somente leitura programável e
apagável e não-volátil.
Pode ser programada pelo usuário e, com
determinado tempo de exposição à luz
ultravioleta em certo ponto do chip, todo seu
conteúdo é apagado, podendo, portanto ser
reprogramado novamente
Tipos de memória
EEPROM (Eletric Erasable Programmable
Read Only Memory)
É uma memória somente leitura programável e
apagável e não-volátil.
Pode ser programada pelo usuário e pode ser
apagada utilizando sinais elétricos ao invés de
luz ultravioleta.
Tipos de memória
Flash
É uma evolução da memória EEPROM.
Enquanto a EEPROM precisa ser totalmente
apagada para ser reprogramada, a memória
Flash pode ser apagada parcialmente,
proporcionando, assim, maior facilidade na hora
de fazer alterações em sua programação.
Muito utilizada em celulares, palms, câmeras
digitais, videogames etc.
Hierarquia de memórias