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Organizao e Arquitetura deComputadores I
Introduo
Ivan Saraiva Silva
Leonardo Casillo
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Sumrio Introduo
Bibliografia Recomendada
O que um computador Organizao de um
Computador
Modelo de Von Neumann
IAS Mquina de Von
Neuman Memria
Execuo de instrues
Gargalo de Von Neumann
Noes de Desempenho
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Introduo
Plano de aula
Avaliaes Trs provas e um projeto
Uso da linguagem VHDL
Frum de Estudantes 2004
Design Contest
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Bibliografia Recomendada Arquitetura e Organizao de Computadores - Quinta
Edio - William Stallings - Prentice Hall - 2002
Organizao estruturada de computadores, quartaedio, Andrew S. Tanenbaum
Computer Organization & Design: The
Hardware/Software Interface - David A. Patterson,
John L. Hennessy - Morgan Kaufmann - 1994
Analysis and Design of Digital Systems with VHDL -Allen Dewey - PWS Publishing Company - 1997
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O que um Computador
Um computador uma mquina eletrnica lgica
Programvel
Programa
Instrues
Representvel por uma hierarquia de nveis de
abstrao (Tanenbaum)
Microeletrnica (mais baixo)
Sistema Operacional (mais alto)
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Nveis de Abstrao
Microeletrnica
Lgica Digital
Linguagem de Montgem
Sistema Operacional
Mquina Convencional
Linguagem orientada a problemas
Conjunto de instrues
Caracteristicas fsicas, malha de
transistores
Unidades lgicas combinacionais e
sequenciais
Microprogramao
Interpretador em firware
Gerencia de sistema e interface
de usurio
Linguagem Assembly
Linguagens de alto nvel
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Organizao de um Computador
Modelo de Von Neumann (1945)
Concito de programa armazenado
Separao da Unidade Aritmtica e de Controle
Utilizao de barramentos e registradores
Hardware de entrada e sada (I/O)
UCP Memria I/O
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Modelo de Von Neumann
Memria I/O
Controle
Aritmtica
Controle de
Execuo
Execuo deOperaes
Instrues
e Dados
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Modelo de Von Neumann
Bloco de controle Bloco operacional
Memria
operao
endereos
instrues
dados
dados
CPU
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Modelo de Von Neumann Memria: Conjunto de posies/locaes
endereveis
Palavras: Posio/locao da memria. Contmdados e instrues.
Palavra: Unidade bsica de transferncia de/paramemria.
Palavras so localizadas atravs de um endereo
Dados, instrues e endereos so codificados embinrio
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Modelo de Von Neumann
Programa uma seqncia de instrues,
colocadas numa seqncia de endereos
A execuo de um programa corresponde
execuo seqencial de suas instrues
A seqncia das instrues definida de
forma dinmica em tempo de execuo
Existncia de instrues de controle de fluxo
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IAS Mquina de Von Neumann
Memria
Principal
Unidade Lgica e Aritmtica
Unidade de Controle
Hardware
de Entrada
e Sada
MBR
Circuitos de Lgica e Aritmtica
MQAcumulador
MAR
Circuitos
de Controle
IBR
IR
PC
Endereo
Dados eInstrues
Unidade Central de Processamento
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IAS Mquina de Von Neumann
Memria
Principal
Unidade Lgica e Aritmtica
Unidade de Controle
Hardware
de Entrada
e Sada
MBR
Circuitos de Lgica e Aritmtica
MQAcumulador
MAR
Circuitos
de Controle
IBR
IR
PC
Endereo
Dados eInstrues
Unidade Central de Processamento
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Conceitos e Convenes
Registradores: Posies de memria
internas a UCP.
Dedicados e de Uso Geral
Barramento: Via de comunicao
Dados e Instrues, Endereos e Controle
Comunicao Sncrona e Assincrona
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Memria
Em um computador geralmente existe umahierarquia de memria.
Cada nvel da hierarquia dividido empalavras de N bits cada
A palavra a unidade bsica detransferncia entre a UCP e a memria.
Uma memria com 2Mpalavras necessita deM bits de endereo
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Memria
Posio 0
N Bits
Posio 2M - 1
2Mposies
Endereo
M Bits
N Bits
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Execuo de Instrues busca daprxima instruo na memria
manda endereo, volta instruo
decodificao da instruo
interpreta cdigo da instruo
se a instruo precisa de dados (na memria)
manda endereo, busca dado
execuo da instruo
executa aes especficas para cada instruo
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Execuo de Instrues
BlocoControle BlocoOperativa
operao
Memria
endereo
instruo
dados
dados
endereo instruoBC ME M
instruoME M BC
endereo operando 1ME MBC
endereo resultadoME MBC
operando 1ME M BO
operando 2ME M BO
executa somaBO
resultadoME MBO
endereo operando 2BC ME M
ordem de execuo
BC BO
BlocoOperativa
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Gargalo de Von Neuman Refere-se ao trfego no barramento
vai endereo da instruo volta instruo
vo endereos dos operandos
vo e voltam operandos
Para eliminar gargalo: diminuir trfego de
informaes
manter informaes na CPU
diminuir tamanho em bits das informaes transferidas
Incluso de registradores
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Noes de Desempenho Ciclo de relgio (clock): intervalos bsicos de tempo nos
quais so executadas as operaes elementares de umainstruo
transferncias de valores entre registradores
operaes aritmticas na ALU
Perodo do relgio (T): Tempo de durao de um ciclo dorelgio
Freqncia do relgio (f): Freqncia de repetio deciclos de clock por unidade de tempo
Exemplo: Se o perodo do relgio de T = 4 ns = 4x10-9
f = 1/T = 1/4x10-9 = 250 MHz
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Isto significa que? Para um perodo de T=4ns
a mquina pode executar250 milhes de operaes
elementares As operaes elementares
so executadas de formasncrona com o relgio
O desempenho da
mquina e proporcional a:
n ciclos x perodo =
n ciclos freqncia
Circuito
Combinatrio
Relgio
Circuito Seqencial
T
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Noes de Desempenho Tempo de UCP de execuo de um programa pode
se dividido em tempo do usurio e tempo do
sistema tempo de usurio execuo de instrues do programa
do usurio
tempo de sistema tarefas do S.O. necessrias para aexecuo do programa do usurio
Alm do tempo UCP h o tempo de resposta (outempo relgio real) que inclui:
acessos a disco, atividades de I/O
overhead do sistema operacional