Organiza o e arquitetura de computadores i introdu o
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Organização e Arquitetura de Computadores I Introdução. Ivan Saraiva Silva. 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

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Organização e Arquitetura de Computadores I Introdução

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Presentation Transcript


Organiza o e arquitetura de computadores i introdu o

Organização e Arquitetura de Computadores IIntrodução

Ivan Saraiva Silva


Sum rio

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

Sumário


Introdu o

Introdução

  • Plano de aula

  • Avaliações

    • Três provas e um projeto

  • Uso da linguagem VHDL ou SystemC


Bibliografia recomendada

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 um computador

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)


N veis de abstra o

Níveis de Abstração

Linguagem orientada a problemas

Linguagens de alto nível

Linguagem de Montágem

Linguagem Assembly

Sistema Operacional

Gerencia de sistema e interface

de usuário

Máquina Convencional

Conjunto de instrções

Microprogramação

Interpretador em firware

Lógica Digital

Unidades lógicas combinacionais e

sequenciais

Microeletrônica

Caracteristicas físicas, malha de

transistores


Organiza o de um computador

UCP

Memória

I/O

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)


Modelo de von neumann

Modelo de Von Neumann

Controle de Execução

Controle

Execução de

Operações

Aritmética

Memória

I/O

Instruções

e Dados


Modelo de von neumann1

Modelo de Von Neumann

operação

Bloco de controle

Bloco operacional

CPU

endereços

dados

Memória

instruções

dados


Modelo de von neumann2

Modelo de Von Neumann

  • 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


Modelo de von neumann3

Modelo de Von Neumann

  • 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 m quina de von neumann

IAS – Máquina de Von Neumann

Unidade Central de Processamento

Unidade Lógica e Aritmética

Acumulador

MQ

Circuitos de Lógica e Aritmética

MBR

Hardware

de Entrada

e Saída

Dados e

Instruções

Memória

Principal

PC

IBR

MAR

Circuitos

de Controle

IR

Endereço

Unidade de Controle


Ias m quina de von neumann1

IAS – Máquina de Von Neumann

Unidade Central de Processamento

Unidade Lógica e Aritmética

Acumulador

MQ

Circuitos de Lógica e Aritmética

MBR

Hardware

de Entrada

e Saída

Dados e

Instruções

Memória

Principal

PC

IBR

MAR

Circuitos

de Controle

IR

Endereço

Unidade de Controle


Conceitos e conven es

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


Mem ria

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


Mem ria1

N Bits

Posição 0

M Bits

2M posições

Endereço

Posição 2M - 1

N Bits

Memória


Execu o de instru es

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


Execu o de instru es1

endereço instrução

BC

MEM

instrução

MEM

BC

endereço operando 1

BC

MEM

operando 1

MEM

BO

endereço operando 2

BC

MEM

operando 2

MEM

BO

ordem de execução

BC

BO

executa soma

BO

endereço resultado

BC

MEM

resultado

BO

MEM

Execução de Instruções

Bloco

Controle

Bloco

Operativa

Bloco

Operativa

operação

dados

endereço

Memória

instrução

dados


Gargalo de von neuman

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


No es de desempenho

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

Isto significa que?

Circuito Seqüencial

  • 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

Circuito

Combinatório

T

Relógio


Conven es gr ficas

Ctrl

Ctrl

n

n

IN1

OUT1

IN2

OUT2

OUT

IN

.

.

.

.

.

.

INn

OUTn

IN1

And

Or

OUT

Ctrl

Not

And

IN2

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


Organiza o e arquitetura de computadores i introdu o

We

R

IN

OUT

Clk

We

R

OUT

IN

Clk

Convenções Gráficas

  • 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


Organiza o e arquitetura de computadores i introdu o

Convenções Gráficas

  • 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


Organiza o e arquitetura de computadores i introdu o

Sel

Operando1

Resultado

Operando2

Controle

Convenções Gráficas

  • 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


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