organização e arquitetura de computadores i introdução ivan saraiva silva

Organização e Arquitetura de Computadores I

IntroduçãoIvan Saraiva Silva

Sumário

• Introdução• Bibliografia Recomendada• O que é um computador• Organização de um

Computador• Modelo de Von Neumann• IAS – Máquina de Von

Neuman• Memória• Execução de instruções

• Gargalo de Von Neumann

• Noções de Desempenho

• Convenções Gráficas

Introdução

• Plano de aula

• Avaliações– Três provas e um projeto

• Uso da linguagem VHDL ou SystemC

Bibliografia Recomendada

• Organização e projeto de de Computadores: A Interface hardware/Software, David A. Patterson, John L. Hennessy - Campus 2005

• Arquitetura de Computadores: Uma Abordagem Quantitativa - John L. Hennessy -, David A. Patterson - Campus - 2003

• Arquitetura e Organização de Computadores - Quinta Edição - William Stallings - Prentice Hall - 2002

• Organização estruturada de computadores, quarta edição, Andrew S. Tanenbaum – LTC - 1999

• Analysis and Design of Digital Systems with VHDL - Allen Dewey - PWS Publishing Company - 1997

O que é um Computador

• Um computador é uma máquina eletrônica lógica• Programável

– Programa• Instruções

• Representável por uma hierarquia de níveis de abstração (Tanenbaum)– Microeletrônica (mais baixo)

– Sistema Operacional (mais alto)

Níveis de Abstração

Microeletrônica

Lógica Digital

Linguagem de Montágem

Sistema Operacional

Máquina Convencional

Linguagem orientada a problemas

Conjunto de instrções

Caracteristicas físicas, malha detransistores

Unidades lógicas combinacionais esequenciais

MicroprogramaçãoInterpretador em firware

Gerencia de sistema e interfacede usuário

Linguagem Assembly

Linguagens de alto nível

Organização de um Computador

• Modelo de Von Neumann (1945)– Conceito de programa armazenado– Separação da Unidade Aritmética e de Controle– Utilização de barramentos e registradores– Hardware de entrada e saída (I/O)

UCP Memória I/O

Modelo de Von Neumann

Memória I/O

Controle

Aritmética

Controle de Execução

Execução deOperações

Instruçõese Dados


Bloco de controle Bloco operacional

Memória

operação

endereços

instruções

dados

dados

CPU


• Memória: Conjunto de posições/locações endereçáveis

• Palavras: Posição/locação da memória. Contém dados e instruções.

• Palavra: Unidade básica de transferência de/para memória.

• Palavras são localizadas através de um endereço

• Dados, instruções e endereços são codificados em binário


• Programa é uma seqüência de instruções, colocadas numa seqüência de endereços

• A execução de um programa corresponde à execução seqüencial de suas instruções

• A seqüência das instruções é definida de forma dinâmica em tempo de execução– Existência de instruções de controle de fluxo

IAS – Máquina de Von Neumann

MemóriaPrincipal

Unidade Lógica e Aritmética

Unidade de Controle

Hardwarede Entradae Saída

MBR

Circuitos de Lógica e Aritmética

MQAcumulador

MARCircuitosde Controle

IBR

IR

PC

Endereço

Dados eInstruções

Unidade Central de Processamento

Conceitos e Convenções

• Registradores: Posições de memória internas a UCP.– Dedicados e de Uso Geral

• Barramento: Via de comunicação– Dados e Instruções, Endereços e Controle– Comunicação Síncrona e Assincrona

Memória

• Em um computador geralmente existe uma hierarquia de memória.

• Cada nível da hierarquia é dividido em palavras de N bits cada

• A palavra é a unidade básica de transferência entre a UCP e a memória.

• Uma memória com 2M palavras necessita de M bits de endereço

Memória

Posição 0

N Bits

Posição 2M - 1

2M posições

Endereço

M Bits

N Bits

Execução de Instruções

• busca da próxima instrução na memória– manda endereço, volta instrução

• decodificação da instrução – interpreta código da instrução

• se a instrução precisa de dados (na memória)– manda endereço, busca dado

• execução da instrução– executa ações específicas para cada instrução

Execução de Instruções

BlocoControle

BlocoOperativa

operação

Memóriaendereço

instrução

dados

dados

endereço instruçãoBC MEM

instruçãoMEM BC

endereço operando 1MEMBC

endereço resultadoMEMBC

operando 1MEM BO

operando 2MEM BO

executa somaBO

resultadoMEMBO

endereço operando 2BC MEM

ordem de execuçãoBC BO

BlocoOperativa

Gargalo de Von Neuman

• Refere-se ao tráfego no barramento– vai endereço da instrução volta instrução

– vão endereços dos operandos

– vão e voltam operandos

• Para eliminar gargalo: diminuir tráfego de informações– manter informações na CPU

– diminuir tamanho em bits das informações transferidas

– Inclusão de registradores

Noções de Desempenho

• Ciclo de relógio (clock): intervalos básicos de tempo nos quais são executadas as operações elementares de uma instrução– transferências de valores entre registradores– operações aritméticas na ALU

• Período do relógio (T): Tempo de duração de um ciclo do relógio

• Freqüência do relógio (f): Freqüência de repetição de ciclos de clock por unidade de tempo

• Exemplo: Se o período do relógio é de T = 4 ns = 4x10-9

f = 1/T = 1/4x10-9 = 250 MHz

Isto significa que?

• Para um período de T=4ns a máquina pode executar 250 milhões de operações elementares

• As operações elementares são executadas de forma síncrona com o relógio

• O desempenho da máquina e proporcional a:

nº ciclos x período =nº ciclos freqüência

CircuitoCombinatório

Relógio

Circuito Seqüencial

T

Convenções Gráficas

• Multilexador / Demultiplexador

• Seleção– N x 1 (multiplexador)

– 1 x N (demultiplexador)

• Para 2n entradas/saídas de dados tem-se n entradas de controle

IN1IN2

INn

...OUT

Ctrln

OUT1OUT2

OUTn

...IN

Ctrln

Not And

AndOr

IN2

IN1

CtrlOUT


• Registrador– Posição de memória interna

ao microprocessador

• Registradores de uso geral e específico– Acumulador

– Apontador de programa PC

• Aceleram o acesso aos dados

• Habilitação de escrita

RIN OUT

We

Clk

R

Clk

IN

We

OUT


• Deslocadores– Deslocamento de bits para a

direita/esquerda

• Deslocadores lógicos– Inserção de zeros no lado

oposto ao deslocamento

• Deslocadores Aritméticos– Re-inserção do último bit

do lado oposto do deslocamento

IN OUT


• Unidades de Lógica e Aritmética (ULA)– Realizam operações lógicas

e aritméticas– Podem gerar sinais

destinados ao controle– Para 2n operações necessita

de n entradas de seleção– Operações podem variar de

ULA para ULA– Número de ciclos para

execução pode variar de operação para operação

Operando1

Operando2

Sel

Controle

Resultado

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