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Infra-estrutura de Hardware
Capítulo 1
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Infra-estrutura de Hardware
Capítulo 1
Infra-Estrutura de Hardware
Edna Barros
GRECO - Grupo de Engenharia da Computação
Centro de Informática - UFPE
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Um pouco mais sobre mim
• Nome: Edna Natividade da Silva Barros
• Formação:
– 1984: Engenharia Eletrônica – UFPE
– 1987: MsC Informática – UFPE
– 1993: PhD Eng. Computação – Univ.
Tuebingen – Alemanha
• Experiência Ensino:
– 1985 – 1988: Profa. Substituta Depto.
Informática
– 1993 - Profa. Centro Informáticaintrodução
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Um pouco mais sobre mim• Nasc: 06/08/62
• Família:
– Antonio
– Mariana
– Tiago
• Natural: São Paulo
• Religião: Evangélica
• Atividades preferidas
– Caminhadas
– Trilhas
– bicicletaintrodução
Intervalo Bíblico
Sempre nas 4ª. Feiras
12-13h 1º. Andar bloco
E
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Objetivo
• Adquirir conhecimento e aprender....
introdução
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Objetivo
• Aprender como funciona um computador e
o funcionamento de cada um de seus
subsistemas
introdução
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introdução
Evolução da Computação
• Computadores Mainframe (60’s-70’s)
– Grandes computadores para executar
aplicações capazes de processar uma grande
quantidade de dados
• Computadores Desktop & Internet (80’s-
90’s)
– Um computador por mesa para fazer tarefas
pessoais e de negócios
• Computação Ubíqua (00’s)
– Vários dispositivos computacionais em todos
os lugares/pessoas
– Parte do ambiente invisível
– Milhões de desktops vs bilhões de
processadores embarcados
• Cyber Physical Systems (10’s)
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Evolução da Coputação
Sensors
Ind
ustria
lTra
nsp
orta
tion
Sm
art S
pac
es
introdução
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9
O que são Sistemas Cyber-Physical?
◼ Cyber: computação, comunicação e controle
que são discretos, lógico, e chaveados
◼ Physical: Sistemas naturais e feitos pelo
homem, regidos pelas leis da física e que
operam em tempo contínuo
◼ Cyber-Physical Systems - sistemas em que os
subsistemas computacionais e físicos estão
fortemente integrados em todas as escalas e
níveis“CPS will transform how we interact with the physical world
just like the Internet transformed how we interact with one
another.”
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Computadores nos
automóveis
introdução
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• Redes de ECUs
• Redes são distintas
– Evita interferência
– Requisitos são diferentes
• Aplicações são distribuídas
entre nós da rede
BMW 7 series
infrastructure
Redes de Computadores nos
veículos
K-CAN
System
MOST K-CAN
Periphery
SI-BUS
(Byteflight)
PT-CAN
Diagnose
Gateway
introdução
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Carro vai ser parte de
um sistema de tráfego
introdução
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Sistemas Cyber-Physical
Convergência da computação, comunicação,
informação e controle
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Infra-estrutura de Hardware
Capítulo 1
Roteiro da Aula
• Sistemas Cyber-Físicos
• Conhecendo os componentes de um
computador
– CPU
– Memória
– Disco
• Evolução dos computadores
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Infra-estrutura de Hardware
Capítulo 1
Roteiro da Aula
• Computador: Hardware e Software
• Como funciona o computador
• Executando um programa
• Programa do curso
• Opcional:
– Evolução Histórica dos computadores
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Infra-estrutura de Hardware
Capítulo 1
Conceitos Básicos de
Arquitetura e Organização de
Computadores
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Infra-estrutura de Hardware
Capítulo 1
Armazenamento e Processamento de
Informações....em um escritório
• Na mesa mantemos os
papéis que estamos
usando naquele
momento
• Completada uma tarefa,
pomos os papéis
alterados de volta no
fichário.
• Após o expediente, a
faxineira joga no lixo
tudo que está na mesa.
Como se dá o processamento
das informações?
• Informações que não tem uso
no momento ficam no fichário.
• A pasta sobre a mesa contém
cópias das informações que
precisaremos naquele dia.
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Infra-estrutura de Hardware
Capítulo 1
Fichário
Mesa
Pastas
3timing & size
Information
2timing & size
Information
1
Disco MemóriaUnidade de
Controle (CPU)
Componentes de um Computador
O fichário representa o disco rígido, com alta capacidade de
armazenamento.
A pasta sobre a mesa representa a memória, de acesso rápido e fácil
Mesa e usuário são a CPU
OBS: Memória é volátil e disco não (faxineira)
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Infra-estrutura de Hardware
Capítulo 1
Abrindo o computador....
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Abrindo o computador....
Output
device
Input
device
Input
device
Network
cable
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Infra-estrutura de Hardware
Capítulo 1
Abrindo o computador....
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Infra-estrutura de Hardware
Capítulo 1
Entrada/Saída Manual
• Teclado
• Mouse
• Monitor de Vídeo
• Joystick
• Característica comum: baixa velocidade
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Infra-estrutura de Hardware
Capítulo 1
Entrada: Mouse
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Mouse
• Mouse Ótico
– LED illumina desktop
– Pequena camera
baixa resolução
– Posição enviada
Infra-estrutura de Hardware
Capítulo 1
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Infra-estrutura de Hardware
Capítulo 1
Saída: Monitor de Vídeo
• Tubo de raios
catódicos
• Aumento da
energia dos
elétrons
• Aceleração
• Colisão numa
tela de fósforo
• Emissão de luz
• Ponto luminoso
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Infra-estrutura de Hardware
Capítulo 1
Saída: Vídeo
• Controle
– Densidade do fluxo
controlada por
circuitos adicionais
– Direção do feixe
controlada por campo
magnético
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Infra-estrutura de Hardware
Capítulo 1
Saída: Vídeo
• Resolução– Linhas: 1024
– Pontos por linha: 1280
– Resolução: 1.310.720
– 75 figuras/seg : 98.304.000 Bits/seg 100 MHz de largura de Banda
– Intensidade
– 8 bits/cor 24 bits/pixel 3.932.160 bits (Memória de Vídeo)
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Infra-estrutura de Hardware
Capítulo 1
Saída: Vídeo
• Display de
cristal líquido
• Matrix de pixels
• Controle
Complexo
• Tecnologia
VLSI
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LCD
• LCD tela: elementos básicos (pixels)
– Espelha conteúdo da memória de vídeo
Infra-estrutura de Hardware
Capítulo 1
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Touchscreen
• Dispositivo PostPC
• Substitui teclado e mouse
• Tipos resistivos e
capacitivos
• A maioria dos tablets,
telefones inteligentes
usam capacitivo
• Capacitivo permite
múltiplos toques
simultaneamente
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Infra-estrutura de Hardware
Capítulo 1
Unidade de Processamento
• Placa Mãe
• CPU
• Memória
• Disco rígido
• Disco
Flexível
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Infra-estrutura de Hardware
Capítulo 1
Placa Mãe
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Infra-estrutura de Hardware
Capítulo 1
Placa Mãe
Processador
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Tablet
Capacitive multitouch LCD screen
3.8 V, 25 Watt-hour battery
Computer board
Processador
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Processador - CPU
• Apple A5
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Infra-estrutura de Hardware
Capítulo 1
O Processador
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Infra-estrutura de Hardware
Capítulo 1
Processador: PowerPC 750
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Inside the Processor
• AMD Barcelona: 4 processor cores
Infra-estrutura de Hardware
Capítulo 1
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Processador - CPU
• Datapath: executa operações em dados
• Controle: seqüências de dados, memória,
...
• Memória cache
• Memória SRAM pequena e rápida para
acesso imediato aos dados
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Infra-estrutura de Hardware
Capítulo 1
8051 186.531 transistores
8 mm2
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Infra-estrutura de Hardware
Capítulo 1
8051 186.531 transistores
8 mm2
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Infra-estrutura de Hardware
Capítulo 1
8051 186.531 transistores
8 mm2
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RISV V
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RISV V
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Tendência da Tecnologia
• Continua a evoluir
– Aumento da
capacidade e
desempenho
– Redução custoDRAM capacity
Infra-estrutura de Hardware
Capítulo 1
Year Technology Relative performance/cost
1951 Vacuum tube 1
1965 Transistor 35
1975 Integrated circuit (IC) 900
1995 Very large scale IC (VLSI) 2,400,000
2013 Ultra large scale IC 250,000,000,000
![Page 47: Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 - UFPEif674/arquivos/2019.1/Aulas/introducao-infra-hw.… · Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 Sistemas Digitais Computador: Hardware](https://reader035.vdocuments.com.br/reader035/viewer/2022062303/5fc53778e540dd0c7854ffc3/html5/thumbnails/47.jpg)
Tecnologia Semicondutora
• Silício: semicondutor
• Adiciona materiais ao silício para
transformar propriedades:
– Condutores
– Isoladores
– Interruptor
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Manufacturing ICs
• Rendimento: proporção de matrizes de trabalho
por Wafer
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Intel Core i7 Wafer
• Wafer 300mm, 280 chips, tecnologia 32nm
• Cada chip é de 20,7 x 10,5 mm
![Page 50: Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 - UFPEif674/arquivos/2019.1/Aulas/introducao-infra-hw.… · Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 Sistemas Digitais Computador: Hardware](https://reader035.vdocuments.com.br/reader035/viewer/2022062303/5fc53778e540dd0c7854ffc3/html5/thumbnails/50.jpg)
Lei de Moore
• Uma tendência que se mantém e foi prevista em 1965 por Gordon Moore
Número de transistores praticamente dobra a cada 18 meses
10,000
1,000
100
10
1
0.1
0.01
0.001
Transistores por
chip
(em milhões)
Note:
logarithmic scale
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Lei de Moore:
Ilustração Gráfica
1981 1984 1987 1990 1993 1996 1999 2002
10.000
transistores
150.000.000
transistores
Um chip de 2002 pode conter 15.000 chips de
1981
![Page 52: Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 - UFPEif674/arquivos/2019.1/Aulas/introducao-infra-hw.… · Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 Sistemas Digitais Computador: Hardware](https://reader035.vdocuments.com.br/reader035/viewer/2022062303/5fc53778e540dd0c7854ffc3/html5/thumbnails/52.jpg)
Lei de Moore:
Ilustração Gráfica
1981 1984 1987 1990 1993 1996 1999 2002
10.000
transistores
150.000.000
transistores
Um chip de 2002 pode conter 15.000 chips de
1981
![Page 53: Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 - UFPEif674/arquivos/2019.1/Aulas/introducao-infra-hw.… · Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 Sistemas Digitais Computador: Hardware](https://reader035.vdocuments.com.br/reader035/viewer/2022062303/5fc53778e540dd0c7854ffc3/html5/thumbnails/53.jpg)
Lei de Moore:
Ilustração Gráfica
1981 1984 1987 1990 1993 1996 1999 2002
10.000
transistores
150.000.000
transistores
Um chip de 2002 pode conter 15.000 chips de
1981
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Infra-estrutura de Hardware
Capítulo 1
Processador Memória
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Infra-estrutura de Hardware
Capítulo 1
Memória Vs. Armazenamento
• O fichário representa o
disco rígido, com alta
capacidade de
armazenamento.
• A pasta sobre a mesa
representa a memória,
de acesso rápido e fácil
• Mesa e usuário são a
CPU
• OBS: Memória é volátil
e disco não.
Fluxo de Dados
Pasta
Fichário
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Infra-estrutura de Hardware
Capítulo 1
Processador vs. memória
µProc
60%/ano..
DRAM
7%/ano..1
10
100
1000
1980
1981
1983
1984
1985
1986
1987
1988
1989
1990
1991
1992
1993
1994
1995
1996
1997
1998
1999
2000
DRAM
CPU
1982
Desemp. Proc-Mem:
(cresce 50% / ano)
Dese
mp
en
ho
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Infra-estrutura de Hardware
Capítulo 1
Memória Principal Vs. Cache
• O fichário representa o disco rígido.
• A pasta sobre a mesa representa a memória principal.
• No quadro de avisos se encontram informações que podem ser acessadas de forma muito rápida. O quadro representa a cache.
• Mesa e usuário são a CPU
Pasta
Quadro
Fichário
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Infra-estrutura de Hardware
Capítulo 1
Níveis de memória
Nível 1 2 3 4
Nome Registrador Cache Memória
Principal
Secundária
Tamanho < 1K < 4 M < 4 G > 1 G
Tecnologia BICMOS SRAM DRAM Disco
Tempo deacesso (ns)
2-5 3-10 80-400 5.000.000
Largura debanda(MB/s)
4000-32.000 800-5000 400-2000 4-32
Gerência Compilador Hardware S.O S.O /
usuário
Copia em Cache Memória
Principal
Disco Fita
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Armazenamento
• Memória Principal volátil
• Memória não volátil
– Disco magnético
– Memória Flash
– Disco ótico
Infra-estrutura de Hardware Capítulo
1
![Page 60: Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 - UFPEif674/arquivos/2019.1/Aulas/introducao-infra-hw.… · Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 Sistemas Digitais Computador: Hardware](https://reader035.vdocuments.com.br/reader035/viewer/2022062303/5fc53778e540dd0c7854ffc3/html5/thumbnails/60.jpg)
Infra-estrutura de Hardware
Capítulo 1
ProcessadorMemória
Discos
![Page 61: Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 - UFPEif674/arquivos/2019.1/Aulas/introducao-infra-hw.… · Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 Sistemas Digitais Computador: Hardware](https://reader035.vdocuments.com.br/reader035/viewer/2022062303/5fc53778e540dd0c7854ffc3/html5/thumbnails/61.jpg)
Infra-estrutura de Hardware
Capítulo 1
Discos
• 36 Gbytes, 3 1/2”
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Infra-estrutura de Hardware
Capítulo 1
Platter
Track
Platters
Sectors
Tracks
Discos magnéticos
• # discos: 1-15 (2
lados)
• rotação: 3600 - 7200
rpm
• diâmetro: 1-8 inch
• # trilhas: 1000-5000
• # setores: 64-200
• setor: 512 bytes
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Infra-estrutura de Hardware
Capítulo 1
Discos / História
1973:
1. 7 Mbit/pol2
140 MBytes
1979:
7. 7 Mbit/pol2
2,300 MBytes
source: New York Times, 2/23/98, page C3,
“Makers of disk drives crowd even more data into even smaller spaces”
![Page 64: Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 - UFPEif674/arquivos/2019.1/Aulas/introducao-infra-hw.… · Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 Sistemas Digitais Computador: Hardware](https://reader035.vdocuments.com.br/reader035/viewer/2022062303/5fc53778e540dd0c7854ffc3/html5/thumbnails/64.jpg)
Infra-estrutura de Hardware
Capítulo 1
1
10
100
1000
10000
1970 1980 1990 2000
Year
Are
al D
en
sit
y
Discos: história
1989:
63 Mbit/pol2
60,000 MBytes
1997:
1450 Mbit/pol2
2300 Mbytes
(2.5” diâmetro)source: N.Y. Times, 2/23/98, page C3
1997:
3090 Mbit/p2.
8100 Mbytes
(3.5” diâmetro)
2000:
10,100
Mb/p2
25,000
MBytes
2000:
11,000
Mb/p2
73,400
MBytes
![Page 65: Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 - UFPEif674/arquivos/2019.1/Aulas/introducao-infra-hw.… · Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 Sistemas Digitais Computador: Hardware](https://reader035.vdocuments.com.br/reader035/viewer/2022062303/5fc53778e540dd0c7854ffc3/html5/thumbnails/65.jpg)
Infra-estrutura de Hardware
Capítulo 1
Discos: Limites
• Capacidade crescente (60%/ano) and Taxa de
transf. crescente (40%/ano)
• Redução lenta do tempo de acesso (8%/ano)
• Tempo para leitura completa:
Ano Sequencial Randômica
1990 4 minutos 6 horas
2000 12 minutos 1 semana
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Chapter 1 — Computer
Abstractions and
Technology — 66
Redes
• Comunicação, compartilhamento de
recursos, acesso não-local
• Rede local (LAN): Ethernet
• Rede de área ampla (WAN): Internet
• Rede sem fio: WiFi, Bluetooth
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Infra-estrutura de Hardware
Capítulo 1
Computador:
Hardware + Software
![Page 68: Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 - UFPEif674/arquivos/2019.1/Aulas/introducao-infra-hw.… · Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 Sistemas Digitais Computador: Hardware](https://reader035.vdocuments.com.br/reader035/viewer/2022062303/5fc53778e540dd0c7854ffc3/html5/thumbnails/68.jpg)
Infra-estrutura de Hardware
Capítulo 1
CPU Mem.
E/S
ComputadorPeriféricos
Interconexão
Componentes de um Computador:
Hardware
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Infra-estrutura de Hardware
Capítulo 1
Sistemas
Digitais
Computador: Hardware + Software
Repertório deInstruçõesArquitetura
Hardware
Software
I/O systemProcessor
Aplicação
Memory
Sistema
Operacional
Compilador
Montador
Datapath & Control
Digital Design
Circuit Designtransistors
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Infra-estrutura de Hardware
Capítulo 1
Representação de um programa nos
vários níveis
Programa em Linguagem de alto
nível (e.g., C)
Programa em linguagemassembly (e.g.,MIPS)
Programa em linguagem de
Máquina (MIPS)
Hardware
Compilador
Montador
Interpretação
temp = v[k];
v[k] = v[k+1];
v[k+1] = temp;
lw $t0, 0($2)
lw $t1, 4($2)
sw$t1, 0($2)
sw$t0, 4($2)
1000 1100 0100 1000 0000 0000 0000 0000
1000 1100 0100 1001 0000 0000 0000 0100
1010 1100 0100 1001 0000 0000 0000 0000
1010 1100 0100 1000 0000 0000 0000 0100
°
°
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Infra-estrutura de Hardware
Capítulo 1
Compilação
Programa objeto
L0
Programa fonte
LnCompilador
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Infra-estrutura de Hardware
Capítulo 1
Interpretação
Instrução
LnInterpretador
Instrução
Ln-1
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Infra-estrutura de Hardware
Capítulo 1
Interpretação & Compilação
InterpretadorInstrução de máq.
L0Programa objeto
Lint
Programa fonte
LnCompilador
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Infra-estrutura de Hardware
Capítulo 1
Computador:
Hardware e Software
Hardware
Sys
tems software
Applications software
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Infra-estrutura de Hardware
Capítulo 1
Computador:
Hardware e Software
Software
Aplicação Sistema
Editores Compiladores Sistemas
operacionais
Montadores
Memória
virtual
Sistema de
arquivoI/O device
drivers
gcc as
...
... ...
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Infra-estrutura de Hardware
Capítulo 1
Computador:
Hardware + Software
![Page 77: Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 - UFPEif674/arquivos/2019.1/Aulas/introducao-infra-hw.… · Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 Sistemas Digitais Computador: Hardware](https://reader035.vdocuments.com.br/reader035/viewer/2022062303/5fc53778e540dd0c7854ffc3/html5/thumbnails/77.jpg)
Infra-estrutura de Hardware
Capítulo 1
Interface entre hw e sw:
Repertório de Instruções
Repertório de Instruções
software
hardware
![Page 78: Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 - UFPEif674/arquivos/2019.1/Aulas/introducao-infra-hw.… · Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 Sistemas Digitais Computador: Hardware](https://reader035.vdocuments.com.br/reader035/viewer/2022062303/5fc53778e540dd0c7854ffc3/html5/thumbnails/78.jpg)
Infra-estrutura de Hardware
Capítulo 1
Como funciona um computador??
Vídeo
Teclado
CPU
Execução das
instruções de um
programa
Memória
Programas
+
Dados
E/S
Buffers
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Infra-estrutura de Hardware
Capítulo 1
Como funciona um computador??
Vídeo
Teclado
Memória
Programas
+
Dados
E/S
Buffers
Reg.
ALU
EndereçoInstrução
Unid. processamento
Unid. controle
OperandotempAC
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Infra-estrutura de Hardware
Capítulo 1
Memória
15 0
sinal
◼Dado
◼Instrução
magnitude
15 012
Opcode Endereço
11
0001 AC <- Mem.
0010 Mem. <- AC
0101 AC <- AC + Mem.
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Infra-estrutura de Hardware
Capítulo 1
Como funciona um computador?
Busca a próxima
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Executa a
instrução
Início
Término
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Infra-estrutura de Hardware
Capítulo 1
Executando um programa
1 9 4 0
5 9 4 1
2 9 4 1
0 0 0 3
0 0 0 2
3 0 03 0 0
9 4 1
9 4 0
3 0 2
3 0 1
PC (endereço)
AC (operando)
IR (Instrução)
Registradores da CPUMemória
...
0001 AC <- Mem.
0010 Mem. <- AC
0101 AC <- AC + Mem.
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Infra-estrutura de Hardware
Capítulo 1
Executando um programa
1 9 4 0
5 9 4 1
2 9 4 1
0 0 0 3
0 0 0 2
3 0 0
1 9 4 0
3 0 0
9 4 1
9 4 0
3 0 2
3 0 1
PC (endereço)
AC (operando)
IR (Instrução)
Registradores da CPUMemória
...
0001 AC <- Mem.
0010 Mem. <- AC
0101 AC <- AC + Mem.
![Page 84: Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 - UFPEif674/arquivos/2019.1/Aulas/introducao-infra-hw.… · Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 Sistemas Digitais Computador: Hardware](https://reader035.vdocuments.com.br/reader035/viewer/2022062303/5fc53778e540dd0c7854ffc3/html5/thumbnails/84.jpg)
Infra-estrutura de Hardware
Capítulo 1
Executando um programa
1 9 4 0
5 9 4 1
2 9 4 1
0 0 0 3
0 0 0 2
3 0 0
1 9 4 0
3 0 0
9 4 1
9 4 0
3 0 2
3 0 1
PC
AC
IR
Registradores da CPUMemória
...
0 0 0 3
0001 AC <- Mem.
0010 Mem. <- AC
0101 AC <- AC + Mem.
![Page 85: Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 - UFPEif674/arquivos/2019.1/Aulas/introducao-infra-hw.… · Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 Sistemas Digitais Computador: Hardware](https://reader035.vdocuments.com.br/reader035/viewer/2022062303/5fc53778e540dd0c7854ffc3/html5/thumbnails/85.jpg)
Infra-estrutura de Hardware
Capítulo 1
Executando um programa
1 9 4 0
5 9 4 1
2 9 4 1
0 0 0 3
0 0 0 2
3 0 13 0 0
9 4 1
9 4 0
3 0 2
3 0 1
PC
AC
IR
Registradores da CPUMemória
...
0 0 0 3
0001 AC <- Mem.
0010 Mem. <- AC
0101 AC <- AC + Mem.
![Page 86: Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 - UFPEif674/arquivos/2019.1/Aulas/introducao-infra-hw.… · Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 Sistemas Digitais Computador: Hardware](https://reader035.vdocuments.com.br/reader035/viewer/2022062303/5fc53778e540dd0c7854ffc3/html5/thumbnails/86.jpg)
Infra-estrutura de Hardware
Capítulo 1
Executando um programa
1 9 4 0
5 9 4 1
2 9 4 1
0 0 0 3
0 0 0 2
3 0 1
5 9 4 1
3 0 0
9 4 1
9 4 0
3 0 2
3 0 1
PC
AC
IR
Registradores da CPUMemória
...
0 0 0 3
0001 AC <- Mem.
0010 Mem. <- AC
0101 AC <- AC + Mem.
![Page 87: Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 - UFPEif674/arquivos/2019.1/Aulas/introducao-infra-hw.… · Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 Sistemas Digitais Computador: Hardware](https://reader035.vdocuments.com.br/reader035/viewer/2022062303/5fc53778e540dd0c7854ffc3/html5/thumbnails/87.jpg)
Infra-estrutura de Hardware
Capítulo 1
Executando um programa
1 9 4 0
5 9 4 1
2 9 4 1
0 0 0 3
0 0 0 2
3 0 1
5 9 4 1
3 0 0
9 4 1
9 4 0
3 0 2
3 0 1
PC
AC
IR
Registradores da CPUMemória
...
0 0 0 5
161616 523 =+
0001 AC <- Mem.
0010 Mem. <- AC
0101 AC <- AC + Mem.
![Page 88: Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 - UFPEif674/arquivos/2019.1/Aulas/introducao-infra-hw.… · Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 Sistemas Digitais Computador: Hardware](https://reader035.vdocuments.com.br/reader035/viewer/2022062303/5fc53778e540dd0c7854ffc3/html5/thumbnails/88.jpg)
Infra-estrutura de Hardware
Capítulo 1
Executando um programa
1 9 4 0
5 9 4 1
2 9 4 1
0 0 0 3
0 0 0 2
3 0 23 0 0
9 4 1
9 4 0
3 0 2
3 0 1
PC
AC
IR
Registradores da CPUMemória
...
0 0 0 5
0001 AC <- Mem.
0010 Mem. <- AC
0101 AC <- AC + Mem.
![Page 89: Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 - UFPEif674/arquivos/2019.1/Aulas/introducao-infra-hw.… · Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 Sistemas Digitais Computador: Hardware](https://reader035.vdocuments.com.br/reader035/viewer/2022062303/5fc53778e540dd0c7854ffc3/html5/thumbnails/89.jpg)
Infra-estrutura de Hardware
Capítulo 1
Executando um programa
1 9 4 0
5 9 4 1
2 9 4 1
0 0 0 3
0 0 0 2
3 0 2
2 9 4 1
3 0 0
9 4 1
9 4 0
3 0 2
3 0 1
PC
AC
IR
Registradores da CPUMemória
...
0 0 0 5
0001 AC <- Mem.
0010 Mem. <- AC
0101 AC <- AC + Mem.
![Page 90: Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 - UFPEif674/arquivos/2019.1/Aulas/introducao-infra-hw.… · Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 Sistemas Digitais Computador: Hardware](https://reader035.vdocuments.com.br/reader035/viewer/2022062303/5fc53778e540dd0c7854ffc3/html5/thumbnails/90.jpg)
Infra-estrutura de Hardware
Capítulo 1
Executando um programa
1 9 4 0
5 9 4 1
2 9 4 1
0 0 0 3
0 0 0 5
3 0 2
2 9 4 1
3 0 0
9 4 1
9 4 0
3 0 2
3 0 1
PC
AC
IR
Registradores da CPUMemória
...
0 0 0 5
0001 AC <- Mem.
0010 Mem. <- AC
0101 AC <- AC + Mem.
![Page 91: Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 - UFPEif674/arquivos/2019.1/Aulas/introducao-infra-hw.… · Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 Sistemas Digitais Computador: Hardware](https://reader035.vdocuments.com.br/reader035/viewer/2022062303/5fc53778e540dd0c7854ffc3/html5/thumbnails/91.jpg)
Infra-estrutura de Hardware
Capítulo 1
Executando um programa
Busca instrução
Executa instrução
Busca operando
Decodifica instrução
Armazena resultado
Incrementa PC
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Tendências e Desafios no
Desenvolvimento de
Computadores
Processadores, Memória e Discos
Infra-estrutura de Hardware
Capítulo 1
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Infra-estrutura de Hardware
Capítulo 1
Year
Tra
nsis
tors
1000
10000
100000
1000000
10000000
100000000
1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000
i80386
i4004
i8080
Pentium
i80486
i80286
i8086
Tecnologia:
Capacidade de Integração
2X transistores/Chip
A cada 1.5 anos
“Moore’s Law”:
Alpha 21264: 15 million
Pentium Pro: 5.5 million
PowerPC 620: 6.9 million
Alpha 21164: 9.3 million
Sparc Ultra: 5.2 million
Moore’s Law
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Tecnologia:
Capacidade de Integração
• Moore’s law
– # transistores /
area
duplica a cada
2 anos
– (… ao mesmo
preço)
introdução
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Infra-estrutura de Hardware
Capítulo 1
Tecnologia:
Capacidade de Integração
Date Event Comments
1947 1st transistor Bell Labs
1958 1st IC Jack Kilby (MSEE ’50) @TI
Winner of 2000 Nobel prize
1971 1st microprocessor Intel
1974 Intel 4004 2300 transistors
1978 Intel 8086 29K transistors
1989 Intel 80486 1.M transistors, pipelined
1995 Intel Pentium Pro 5.5M transistors
2005 Intel Montecito 1B transistors
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Infra-estrutura de Hardware
Capítulo 1
Tecnologia: Desempenho do
Processador
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Infra-estrutura de Hardware
Capítulo 1
Avanços na Tecnologia
• Processador– 2X velocidade a cada 1.5 ano; 1000X desempenho nos
últimos 15 anos• Memória
– DRAM capacidade: 2x / 1.5 anos; 1000X tamanho nos últimos 15 anos
– Custo por bit: melhora 25% por ano• Disco
– capacidade: > 2X em tamanho a cada 1.5 ano– Custo por bit: melhora em média 60% por ano– 120X tamanho na última decada
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Infra-estrutura de Hardware
Capítulo 1
Evolução dos Computadores
![Page 99: Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 - UFPEif674/arquivos/2019.1/Aulas/introducao-infra-hw.… · Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 Sistemas Digitais Computador: Hardware](https://reader035.vdocuments.com.br/reader035/viewer/2022062303/5fc53778e540dd0c7854ffc3/html5/thumbnails/99.jpg)
Infra-estrutura de Hardware
Capítulo 1
IBM 360/20
![Page 100: Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 - UFPEif674/arquivos/2019.1/Aulas/introducao-infra-hw.… · Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 Sistemas Digitais Computador: Hardware](https://reader035.vdocuments.com.br/reader035/viewer/2022062303/5fc53778e540dd0c7854ffc3/html5/thumbnails/100.jpg)
COMPUTADOR ZUSE K6
Chapter 1 — Computer
Abstractions and Technology —
101
![Page 101: Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 - UFPEif674/arquivos/2019.1/Aulas/introducao-infra-hw.… · Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 Sistemas Digitais Computador: Hardware](https://reader035.vdocuments.com.br/reader035/viewer/2022062303/5fc53778e540dd0c7854ffc3/html5/thumbnails/101.jpg)
MEMÓRIA
Infra-estrutura de Hardware
Capítulo 1
![Page 102: Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 - UFPEif674/arquivos/2019.1/Aulas/introducao-infra-hw.… · Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 Sistemas Digitais Computador: Hardware](https://reader035.vdocuments.com.br/reader035/viewer/2022062303/5fc53778e540dd0c7854ffc3/html5/thumbnails/102.jpg)
CPU
Infra-estrutura de Hardware
Capítulo 1
![Page 103: Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 - UFPEif674/arquivos/2019.1/Aulas/introducao-infra-hw.… · Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 Sistemas Digitais Computador: Hardware](https://reader035.vdocuments.com.br/reader035/viewer/2022062303/5fc53778e540dd0c7854ffc3/html5/thumbnails/103.jpg)
DISCO
Infra-estrutura de Hardware
Capítulo 1
![Page 104: Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 - UFPEif674/arquivos/2019.1/Aulas/introducao-infra-hw.… · Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 Sistemas Digitais Computador: Hardware](https://reader035.vdocuments.com.br/reader035/viewer/2022062303/5fc53778e540dd0c7854ffc3/html5/thumbnails/104.jpg)
Infra-estrutura de Hardware
Capítulo 1
Evolução dos Computadores
![Page 105: Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 - UFPEif674/arquivos/2019.1/Aulas/introducao-infra-hw.… · Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 Sistemas Digitais Computador: Hardware](https://reader035.vdocuments.com.br/reader035/viewer/2022062303/5fc53778e540dd0c7854ffc3/html5/thumbnails/105.jpg)
Infra-estrutura de Hardware
Capítulo 1
IBM 360/20
![Page 106: Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 - UFPEif674/arquivos/2019.1/Aulas/introducao-infra-hw.… · Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 Sistemas Digitais Computador: Hardware](https://reader035.vdocuments.com.br/reader035/viewer/2022062303/5fc53778e540dd0c7854ffc3/html5/thumbnails/106.jpg)
Infra-estrutura de Hardware
Capítulo 1
IBM 360/50
![Page 107: Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 - UFPEif674/arquivos/2019.1/Aulas/introducao-infra-hw.… · Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 Sistemas Digitais Computador: Hardware](https://reader035.vdocuments.com.br/reader035/viewer/2022062303/5fc53778e540dd0c7854ffc3/html5/thumbnails/107.jpg)
Infra-estrutura de Hardware
Capítulo 1
IBM 360/50
![Page 108: Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 - UFPEif674/arquivos/2019.1/Aulas/introducao-infra-hw.… · Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 Sistemas Digitais Computador: Hardware](https://reader035.vdocuments.com.br/reader035/viewer/2022062303/5fc53778e540dd0c7854ffc3/html5/thumbnails/108.jpg)
Infra-estrutura de Hardware
Capítulo 1
IBM 360/50
![Page 109: Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 - UFPEif674/arquivos/2019.1/Aulas/introducao-infra-hw.… · Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 Sistemas Digitais Computador: Hardware](https://reader035.vdocuments.com.br/reader035/viewer/2022062303/5fc53778e540dd0c7854ffc3/html5/thumbnails/109.jpg)
Infra-estrutura de Hardware
Capítulo 1
Evolução dos Computadores
![Page 110: Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 - UFPEif674/arquivos/2019.1/Aulas/introducao-infra-hw.… · Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 Sistemas Digitais Computador: Hardware](https://reader035.vdocuments.com.br/reader035/viewer/2022062303/5fc53778e540dd0c7854ffc3/html5/thumbnails/110.jpg)
Infra-estrutura de Hardware
Capítulo 1
CRAY 1
![Page 111: Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 - UFPEif674/arquivos/2019.1/Aulas/introducao-infra-hw.… · Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 Sistemas Digitais Computador: Hardware](https://reader035.vdocuments.com.br/reader035/viewer/2022062303/5fc53778e540dd0c7854ffc3/html5/thumbnails/111.jpg)
Infra-estrutura de Hardware
Capítulo 1
Evolução dos Computadores
![Page 112: Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 - UFPEif674/arquivos/2019.1/Aulas/introducao-infra-hw.… · Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 Sistemas Digitais Computador: Hardware](https://reader035.vdocuments.com.br/reader035/viewer/2022062303/5fc53778e540dd0c7854ffc3/html5/thumbnails/112.jpg)
Infra-estrutura de Hardware
Capítulo 1
MICROPROCESSADORES
![Page 113: Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 - UFPEif674/arquivos/2019.1/Aulas/introducao-infra-hw.… · Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 Sistemas Digitais Computador: Hardware](https://reader035.vdocuments.com.br/reader035/viewer/2022062303/5fc53778e540dd0c7854ffc3/html5/thumbnails/113.jpg)
Infra-estrutura de Hardware
Capítulo 1
APPLE
![Page 114: Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 - UFPEif674/arquivos/2019.1/Aulas/introducao-infra-hw.… · Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 Sistemas Digitais Computador: Hardware](https://reader035.vdocuments.com.br/reader035/viewer/2022062303/5fc53778e540dd0c7854ffc3/html5/thumbnails/114.jpg)
Tablet
Capacitive multitouch LCD screen
3.8 V, 25 Watt-hour battery
Computer board
![Page 115: Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 - UFPEif674/arquivos/2019.1/Aulas/introducao-infra-hw.… · Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 Sistemas Digitais Computador: Hardware](https://reader035.vdocuments.com.br/reader035/viewer/2022062303/5fc53778e540dd0c7854ffc3/html5/thumbnails/115.jpg)
Processador - CPU
• Apple A5
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Infra-estrutura de Hardware
Capítulo 1
Avanços na tecnologia
• O que estes intervalos de tempo tem em
comum?
– 1776-1999 (224 anos)
– 2000-2001 (2 anos)
⚫ Resposta:Progresso similar no desempenho dos processadores!
⚫ Crescimento exponencial (Lei de Moore)
⚫ Projetistas trabalham para melhorar velocidade de reduzir consumo de potência dos processadores.
![Page 117: Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 - UFPEif674/arquivos/2019.1/Aulas/introducao-infra-hw.… · Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 Sistemas Digitais Computador: Hardware](https://reader035.vdocuments.com.br/reader035/viewer/2022062303/5fc53778e540dd0c7854ffc3/html5/thumbnails/117.jpg)
Infra-estrutura de Hardware
Capítulo 1
Avanços na tecnologia
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Infra-estrutura de Hardware
Capítulo 1
Esforços em Arquitetura de Computadores
Arquiteturas
de Computador
Tecnologia Linguagens deProgramação
Sistemas
Operacionais
História
Aplicações
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Infra-estrutura de Hardware
Capítulo 1
Computador:
Hardware + Software
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Infra-estrutura de Hardware
Capítulo 1
Escopo do curso.....
• Conjunto de
registradores
• Tipos de Dados
• Acesso à memória
• Formato e
Repertório de
instruções
• Arquitetura
• Tecnologia de
memória
• Interfaces
• Implementação
das instruções
• interconexões
• Organização
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Infra-estrutura de
Hardware Capítulo 1
Programa
• Módulo 1:Conceitos Básicos de
Arquitetura de Computadores
– Introdução
– Conceitos Básicos de Arquitetura
– Usando o simulador MIPS/ RISC V
– Implementação Mono-ciclo e Multi-ciclo
• Avaliação: projeto e prova
– Prova: 16/04/2019
– Projeto: entrega e apresentação – 02/04,
09/04 e 30/04
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Infra-estrutura de
Hardware Capítulo 1
Programa
• Módulo 2: Implementação em Pipeline e
Superescalar
– Implementação Pipeline
– Resolução de Conflito de Dados e Controle
– Implementação Superescalar
– Aulas de laboratório e listas de exercício
• Avaliação: prova – 21/05/19
![Page 123: Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 - UFPEif674/arquivos/2019.1/Aulas/introducao-infra-hw.… · Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 Sistemas Digitais Computador: Hardware](https://reader035.vdocuments.com.br/reader035/viewer/2022062303/5fc53778e540dd0c7854ffc3/html5/thumbnails/123.jpg)
Infra-estrutura de
Hardware Capítulo 1
Programa
• Módulo 3: Hierarquia de Memória
– Memória Cache
• Tipos de Cache
• Melhorando o desempenho de uma cache
– Memória RAM
– Memória Virtual
– Aulas de Laboratório e listas
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Infra-estrutura de
Hardware Capítulo 1
Programa
• Módulo 4: Entrada/Saída e
Multiprocessadores
– Entrada/Saída
• Tipos de E/S
• Componentes de um sistema de E/S
– Multiprocessadores
– Aulas de laboratório e listas
• Avaliação: prova – 02/07/19
• 2ª. Chamada: 04/07/19
• Final: 11/07/19
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Infra-estrutura de
Hardware Capítulo 1
Monitoria
• Monitores
– Lucas Amorim
– E equipe
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Infra-estrutura de
Hardware Capítulo 1
Bibliografia
• Organização e Projeto de Computadores
– A Interface Hardware Software
– David Patterson e John Hennessy
• Computer Organization and Design
– The Hardware-Software Interface
– RISC V Edition
– David Patterson e John Hennessy
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Infra-estrutura de Hardware
Capítulo 1
Sistemas
Digitais
Computador: Hardware + Software
Repertório deInstruçõesArquitetura
Hardware
Software
I/O systemProcessor
Aplicação (word)
Memory
Sistema
Operacional
Windows
Compilador
Montador
Datapath & Control
Digital Design
Circuit Designtransistors
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Infra-estrutura de Hardware
Capítulo 1
Evolução dos Computadores
• GERAÇÃO ZERO - 1836 - Anos 30
– Máquinas mecânicas ou baseadas em
relés
• dificuldade de construção
• pouca exatidão
– Exemplos:
• 1936 - Zuze - Z1
– Primeira máquina calculadora a relés
• 1943 - Governo Britânico - Colossus
– Primeiro computador eletromecânico
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Infra-estrutura de Hardware
Capítulo 1
Evolução dos Computadores
• PRIMEIRA GERAÇÃO - Anos 40
– Válvulas com processadores
• Caras, lentas, queimavam com facilidade
– ENIAC, UNIVAC
– Programação:
• nível binário: 010110110..00
– Exemplos:
• 1946 - Eckert/Mauchkley - Eniac 1
– A História do computador moderno começa aqui
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Infra-estrutura de Hardware
Capítulo 1
Sistema de Computação
I/O systemProcessor
Repertório deInstruções:
001001001001Válvulas
Hardware
Software
![Page 131: Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 - UFPEif674/arquivos/2019.1/Aulas/introducao-infra-hw.… · Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 Sistemas Digitais Computador: Hardware](https://reader035.vdocuments.com.br/reader035/viewer/2022062303/5fc53778e540dd0c7854ffc3/html5/thumbnails/131.jpg)
Infra-estrutura de Hardware
Capítulo 1
Evolução dos Computadores
• SEGUNDA GERAÇÃO - Anos 50
– Transistores
• menores, mais baratos, rápidos, duráveis
– Programação:
• simbólica: add, sub, load, store
• programa armazenado em memória
– Exemplo:
• 1952 - Von Neumann - IAS
– Modelo da maioria das máquinas atuais
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Infra-estrutura de Hardware
Capítulo 1
Programa Armazenado
CPU Memória
Principal
Barramento
de memória
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Infra-estrutura de Hardware
Capítulo 1
Sistema de Computação
I/O systemProcessor
Repertório deInstruçõesArquitetura:
transistors
MemoryHardware
Software Montador
add, sub, load, store
![Page 134: Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 - UFPEif674/arquivos/2019.1/Aulas/introducao-infra-hw.… · Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 Sistemas Digitais Computador: Hardware](https://reader035.vdocuments.com.br/reader035/viewer/2022062303/5fc53778e540dd0c7854ffc3/html5/thumbnails/134.jpg)
Infra-estrutura de Hardware
Capítulo 1
• TERCEIRA GERAÇÃO - Anos 60
– Circuitos Integrados (CI`s)
– Programação:
• compiladores (if-then-else, +, go to)
• Memória Virtual (Sistema Operacional)
– Exemplos:
• 1960 - DEC - PDP 11
– Primeiro minicomputador (50 unidades vendidas)
• 1964 - IBM - 360
– Primeira linha de produtos projetada como uma família
Evolução dos Computadores
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Infra-estrutura de Hardware
Capítulo 1
Memória Virtual
CPU Memória
Principal
Memória
Secundária
Barramento
de memória
Barramento
de E/S
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Infra-estrutura de Hardware
Capítulo 1
Sistema de Computação
I/O systemProcessor
Compilador
Sistema
Operacional
Aplicação
Circuit Design
Repertório deInstruçõesArquitetura
transistors
MemoryHardware
Software Montador
![Page 137: Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 - UFPEif674/arquivos/2019.1/Aulas/introducao-infra-hw.… · Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1 Sistemas Digitais Computador: Hardware](https://reader035.vdocuments.com.br/reader035/viewer/2022062303/5fc53778e540dd0c7854ffc3/html5/thumbnails/137.jpg)
Infra-estrutura de Hardware
Capítulo 1
Evolução dos Computadores
• QUARTA GERAÇÃO - Anos 70
– Microprocessadores/ Mem. semicondutora
• VLSI Very Large Scale Integration
– Programação:
• Linguagens Estruturadas
• Estruturas de Dados Dinâmicas
– Exemplos:
• 1974 - Intel - 8080
– Primeira CPU de uso geral em um chip
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Infra-estrutura de Hardware
Capítulo 1
Sistema de Computação
I/O systemProcessor
Compilador
Sistema
Operacional
Aplicação
Digital Design
Circuit Design
Repertório deInstruçõesArquitetura
Datapath & Control
transistors
MemoryHardware
Software Montador
Mais instruções
Muitos tipos de dados
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Infra-estrutura de Hardware
Capítulo 1
Evolução dos Computadores
• QUINTA GERAÇÃO - Anos 80
– Máquinas RISCs• Simplificar para melhorar desempenho
• Uso efetivo do pipeline
– Programação:• Crise do Software
• C: Pseudo linguagem de Máquina
– Exemplos: RISC, MIPS, Sparc
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Infra-estrutura de Hardware
Capítulo 1
Sistema de Computação
I/O systemProcessor
Compilador
Sistema
Operacional
Aplicação
Digital Design
Circuit Design
Repertório deInstruçõesArquitetura
Datapath & Control
transistors
MemoryHardware
Software Montador
Poucas instruções
Poucos tipos de dados
Hardware mais simples
Melhor desempenho
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Infra-estrutura de Hardware
Capítulo 1
• ... Anos 90– Arquiteturas Superescalares
– Arquiteturas VLIW
– Arquiteturas Superpipeline
– 3 níveis• nível de sistema operacional
• nível de máquina convencional
• nível de hardware
– Exemplos:• Pentium, Alpha, Power
Evolução dos Computadores
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Infra-estrutura de Hardware
Capítulo 1
• ... Anos 2000
– Arquiteturas Multi-core
– Paralelismo de threads
– Clusters
– .....
Evolução dos Computadores