Elementos Físicos do SC e a Classificação de Arquiteturas

IFBA – Instituto Federal de Educ. Ciencia e Tec BahiaCurso de Analise e Desenvolvimento de SistemasArquitetura de Computadores – 9 e 10/40Prof. Msc. Antonio Carlos Souza

Referências Bibliográficas:1. Ciência da Computação: Uma visão abrangente - J.Glenn

Brokshear2. Introdução à organização de computadores – Mário

Monteiro – LTC3. Organização Estrutura de Computadores – Andrew S.

Tanembaum - LTC

Elementos Físicos do Sistema Computacional

Arquitetura Típica de um computador

Classificação de arquiteturas

¡ Máquina Von Neumannl CPU + Memória + I/Ol CPU = ULA + UC + Regl Programa Armazenado l Execução Seqüencial das Instruçõesl Existência de Caminho Único entre

memória e UC

¡ Máquina Não-von Neuman

Classificação de arquiteturas

¡ Máquina Não-von Neumanl Paralelas – várias CPUl Fluxo de Dadosl Redes Neurais Artificias

¡ Trabalha com modelo a partir de respostas a estímulos de entrada

l Processadores Sistólicos

Funcionamento Interno

¡ A CPU processa somente o conteúdo da RAM.

¡ A comunicação com os periféricos é feitaentre CPU/MP e Controladoras (IDE, SCSI, Placas de video, Placa de Rede e Fax)

¡ As controladoras (interface E/S) armazena os bits e envia no momentopropício realizando interrupções.

Execução de um programa

¡ Codificar o algoritmo em umalinguagem de programação

¡ Introduzir o programa no hardware¡ Decodificar essas instruções em

linguagem de máquina, pois o processador só executa instruçõessimples (instruções de máquina).

Processador

¡Constituída de milhões de minúsculos circuitos e componentes eletrônicos

¡Encapsulados em um chip¡Intel Pentium, AMD k7,

Power PC

Processador

Função básica ler e interpretarinstruções de máquina e realizaras operações matemáticas (ououtras)

Controla quando e o que deve ser realizado pelos outroscomponentes, emitindo para issosinais apropriados de controle

Memória

¡ As instruções e os dados devem ser armazenados na própria máquinapara um a um, serem localizadosentendidos e executados pela CPU.

¡ O componente do sistema de computação responsável peloarmazenamento das instruçõesintroduzidas é a Memória.

RAM DDR

Saída

¡ Os resultados podem ser apresentados a um usuáriointeressado em uma forma decimal

¡ Apresentados no(a): l monitor, l impressoral ou gravados nas memórias auxiliares

Conceitos para o funcionamento do computador – von Neumann

- Dados e instruções sãoarmazenados em um tipo de memória que escreve e recupera

- O conteúdo da memória éendereçada conforme a sua posição, independente do tipo nele contido

- Operação com números binários- A execução das instruções ocorre de

forma sequencial

Programa versus Dados

¡ Os dados e programas são codificados com 0s e 1s

¡ A escolha do programa a ser inicializado ao ligar o computador pode ser facilmente fixado no contador de instruções.

¡ Mas, se o computador perde o endereço pode executar dados como instruções.

¡ Assim, um programa pode manipular outros como a si mesmo.

Processador

CPU

PartesULA – Unidade Lógica AritméticaUC – Unidade de Controle

Registradores (RDM, REM)Memória CacheRelógioTem vias (conjunto de fios interconectados)

com a memória principal

ULA

¡ Executa operações matemáticas¡ Soma, Multiplicação, Subtração e

Divisão¡ AND, OR, XOR,¡ Deslocamento a direita, esquerda¡ Incremento, decremento

UC – Unidade de Controle

¡ Mais complexo da CPU¡ Realiza movimentações de dados e

instruções de e para a CPU¡ Usa sinais de controle, que emite

instantes de tempo programados, determinada pelo Clock (Relógio) da máquina

RDM - Registrador de Dados da Memória

¡ armazena temporariamente a informação (conteúdo de uma oumais células)

¡ entre CPU e MP.¡ Armazena mesma quantidade de

bits

REM- Registrador de Endereços da Memória

¡ Armazena temporariamente o endereço de acesso a uma posiçãode memória.

¡ Encaminhado à área de controle da MP para decodificação e localizaçãoda célula desejada.

¡ Permite armazenar a mesmaquantidade de bits que do barramento de endereços

Programa Armazenado

¡ Programas, assim como os dados, poderia ser codificado e armazenado na memória principal.

¡ Para tanto, a unidade de controle deve ser projetada com capacidade de extrair o programa da memória, decodificar e executar suas instruções

Programa Armazenado

¡ O programa do computador poderia ser modificado alterando-se o conteúdo da memória.

¡ O computador precisa reconhecer certos padrões de bits como instruções.

Linguagem de MáquinaE

Instruções

Linguagem de máquina

¡ Um padrão de bits pode definir o conjunto de instruções que aliado ao sistema de codificação adotado, constitui a linguagem de máquina.

¡ A linguagem define os meios pelos quais um programador comunica ao computador os algoritmos que deseja executar.

¡ STORE, ADD, ROTATE

Instrução de Máquina

Duas partes¡Código de operação

( 4 bits)¡Código do operando

( 12 bits)

Código de Operação

¡ Cada instrução é codificada em um total de bits e representados por um conjunto de hexadecimais.l Ex.: 4 bits pode representar 16 códigos

de operação q é um dígito hexadecimall LOAD pode ser representada como

0001 em hexa = 1, que armazena o padrão de bits encontrado no registrador R na posição de endereço X.

Operandos

¡ O registrador e as posições de memória são informados com os bits de operandos.

¡ No caso de 16 bits para instrução e 4 para operação, restam 12 para operandos.

¡ A instrução 1547 em hexa – pode representar – comando 1 = LOAD ou seja carregue no registrador 5 o conteúdo da posição de memória de endereço 47.

Classificação de Operações

¡ Transferência de Dados¡ Instruções Aritméticas e Lógicas¡ Controle

Exemplo de Programa

¡ 156C¡ 166D¡ 5056¡ 306E¡ C000

Execução de Programas

Um programa armazenado na memória écopiado para o registrador de instrução conforme ação da unidade de controle.

Na unidade de controle, a instrução édecodificada pelo decodificador de instrução e executada.

A ordem em que as instruções são executadas é a mesma ordem de armazenamento, exceto se especificado uma instrução JUMP.

UC

¡ Contador de Instruçõesl Contém o endereço da próxima

instrução a ser executada¡ Registrador de Instruções

l Mantém cópia da instrução que estiver sendo executada em cada momento.

Ciclo de Máquina

¡ Contém três fases:l Busca

¡ A UC solicita a MP a próxima instrução a ser executada.

¡ A UC dispõe da informação de onde a próxima instrução se encontra na memória, pois tal endereço é mantido no contador de instrução.

¡ A UC guarda, no registrador de instruções, a instrução lida da MP, e incrementa o contador de instruções, para ter o endereço da próxima instrução

l Decodificaçãol Execução

Decodificação

¡ Campo do Operando é analisado pelo decodificador de instrução

¡ Verifica se precisa operandosl STOP – não precisa

¡ Verificar com os 12 bits(exemplo) quais são os operandos (registradores e memória)

¡ Depois passa a executar, ativando o circuito necessário para a realização da tarefa.

Passos do Ciclo de Instrução

¡ REM = CI¡ A memória decodifica o endereço

REM¡ Transfere o conteúdo para o RDM¡ RI = RDM¡ CI = CI + 1¡ A UC solicita ao RI que envie os 4 bits

para o decodificador de instrução

Exemplo de um Programa

EndereçoA0A1A2A3A4A5A6A7A8A9

Conteúdo156C166D5056306EC000

Memória

Comparativo

Tipos de Memória

¡ Registradores¡ Cache L1 ¡ Cache L2(interno e externo)¡ MP (RAM)

l SRAM (Static) ou DRAM (Dinâmica – SIMM ou DIMM ou RIMM)

¡ ROMl ROM, PROM, EPROM, EEPROM

¡ CMOS¡ VRAM (Placa de Video)¡ Armazenamento de Massa ou MS(Secundária)

Memória Principal (RAM)

¡Organizados em Células (oupalavras ou posições de memória) e identificadas porum endereço

¡Em geral, uma célula tem 1 byte

¡Permissões de write e read

Memória RAM

¡ Unidade de Transferência entre CPU e MP – considerar de uma palavra

¡ São de semicondutores¡ São memórias de acesso aleatório –

Random Access Memory¡ Ocupam pouco espaço¡ Possuem tempo de acesso pequeno

Unidades de Medida

Como a informação é armazenada

¡ São utilizados múltiplos de byte:l Para quantificar a memória principal do

equipamento l Para medir a capacidade de

armazenamento

Múltiplos do Byte

¡ 1KB = 1024 bytes¡ 1MB = 1024 Kbytes¡ 1GB = 1024 Mbytes¡ 1TB = 1024 Gbytes¡ 1 diskete = 1.44 Mbytes¡ 1 CDROM +- 700 Mbytes¡ 1 HD pode ser de 120 Gbytes

Palavra da CPU

¡Quantidade de bits que a cpuprocessa por vez

¡ Palavra de 16 bits = 2 bytes de processamento por vez

¡ Palavra de 32 bits = 4 bytes ¡ Palavra de 128 bits

Desempenho dos processadores

¡ Medida em termos da velocidade de trabalho

¡ Execução de instruções porintervalo de tempo

¡ MIPS (milhões de instruções porsegundo)

¡ MFLOPS (milhões de operações de ponto flutuante por segundo)

Cache

Esquema Básico