Post on 11-Jan-2017
Introdução• Organização de Computadores: Memórias, Unidades Centrais de
Processamento, Entrada e Saída. • Linguagens de Montagem. • Modos de Endereçamento, Conjunto de Instruções. • Mecanismos de Interrupção e de Exceção. • Barramento, Comunicações, Interfaces e Periféricos. Organização de Memória.• Memória Auxiliar. • Arquiteturas RISC e CISC. Pipeline. Paralelismo de Baixa Granularidade. • Processadores Superescalares e Superpipeline. • Multiprocessadores. • Multicomputadores. • Arquiteturas Paralelas e não Convencionais. • Linguagens de máquina e linguagem Assembly. • Computadores Tolerante à falhas.
Introdução
• MONTEIRO, Mario A. Introdução à organização de computadores. 4. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2001.
• Organização e Projeto de Computadores - David A. Patterson
Introdução
• Avaliação
– Projeto de Pesquisa• Projeto• Relatório final
Ou
– Aulas expositivas, atividades e provas
Introdução
• Análise do processador– Unidade Central de Processamento – UCP– Responsável pela atividade fim do sistema• Computar, calcular, processar
– Único invólucro (pastilha-chip)• XBox One
– 5.000.000.000• Xeo
– 7.200.000.000
Introdução
ProcessadorOrganização funcional do processador
• O processador não somente realiza o processamento como também controla todo o funcionamento do sistema
• Primitivas (capacidade de realizar):– Somar, subtrair, multiplicar ou dividir números (operações aritméticas)– Mover um dado de um local de armazenamento para outro (operação
de movimento de dados)– Transferir um valor (dado) para um dispositivo de saída (operação de
entra ou saída)
• Instrução de máquina (dados e operações)– A sequência de 0s e 1s formaliza uma determinada operação
Processador Organização funcional do processador
• Linguagem Humanaa) Soma de valores inteiros
135 + 272b) Soma de valores fracionários
135,77 + 272,89
c) Notação científica0,135*10³ + 0,0272*10³
• Operações totalmente diferentes– Valores (dados) nos registradores do processador ou memória
• Um programa executável é constituído de um conjunto de instruções de máquina sequencialmente organizados
Processador Organização funcional do processador
• Para a execução do programa é necessário– Instruções na memória principal– Endereço da primeira instrução
• Função do processador (CPU)– Buscar instrução na memória– Interpretar que operação a instrução está explicitando– Buscar os dados onde estiverem armazenados– Executar efetivamente a operação com os dados– Guardar o resultado– Reiniciar o processo
• Ciclo de instrução
Processador Organização funcional do processador
• Funções realizadas pelos processadores– Função Processamento– Função Controle
• Barramento interno do processador– Conjunto de fios por onde fluem sinais de dados,
endereços e de controle
Processador Organização funcional do processador
Processador Organização funcional do processador
Processador Organização funcional do processador
• Função processamento– Se encarrega de realizar
as atividades relacionadas com a efetiva execução de uma operação, ou seja, processar, realizar um cálculo aritmético ou lógico
Processador Organização funcional do processador
Processador Organização funcional do processador
• Função controle– Exercida pelos componentes
do processador que se encarregam das atividades de busca, interpretação e controle da execução das instruções, bem como do controle de ação dos demais componentes do sistema de computação (entrada e saída)
– Analogia ao corpo humano
Processador Organização funcional do processador
Processador Função Processamento
• Manipular um ou mais valores (dados) em uma certa sequência de ações de modo a produzir um resultado útil– Operações aritméticas– Operações lógicas– Movimentação de dados (memória – UCP)– Desvio– Operações de entrada e saída
Processador Função Processamento
• Componentes principais– UAL
• Unidade Aritmética e Lógica
– Registradores de dados• Dados e resultados
– Registrador especial • Conjunto de bits, cada um deles com funções específicas, decorrentes das
operações aritméticas realizadas
– Barramento interno (data path)• Interligação entre estes componentes
Processador Função Processamento - UAL
• Efetivamente executa as operações matemáticas com os dados– Soma– Multiplicação– Operação lógica AND– Operação lógica XOR– Deslocamento à direita– Incremente de 1 a um valor
– Subtração
– Divisão– Operação lógica OR– Operação complemento– Deslocamento à esquerda – Decremento de 1 a um
valor
Processador Função Processamento - UAL
• ACC– Accumulator
• UAL– Aglomerado de
circuitos lógicos– Unidade de Ponto
Flutuante
Processador Função Processamento – Registradores de dados• Para que um dado possa ser transferido a UAL, é necessário que ele permaneça,
mesmo que por um breve instante, armazenado em um registrador
• O resultado de uma operação aritmética ou lógica realizada na UAL deve ser armazenado temporariamente, de modo a ser reutilizado ou transferido para memória
• Registradores e a memória cache
• Largura do registrador– 16, 32, 64 bits
• Registradores de controle
Processador Função Processamento – Registradores Especiais
• Auxiliam e completam a realização das operações matemática pela UAL– PSW – Programa Status Word
• Cada bit tem um significado diferente– Sinal– Overflow– Zero– Vai 1– Paridade
Processador Função Processamento
• Influência do Tamanho da Palavra– A capacidade de um processador é
em grande parte determinada pelas facilidades embutidas no hardware da UAL• Tamanho da palavra do processador• Calcular
– A=3A25 e b=172C– Big-endian e litle-endian
• UCP de 8bit e outra de 16bits
Processador Função Processamento
• Influência do Tamanho da Palavra– Maior ou menor tempo na execução de instrução
– Tamanho escolhido para o barramento interno e externo• Igual ao tamanho da palavra
– Implementação física do acesso à memória• Organização da memória física (L1, L2 e RAM)
Processador Função Controle
• É a parte funcional que realiza as atividades de (uma etapa de cada vez em sistemas de execução sequencial, ou várias etapas simultaneamente, em sistemas de execução pipelining)
• Ciclo de busca de instrução– Busca instrução que será executada
• Armazena em registrador especial projetado para isso– Interpretação das ações a serem desencadeadas
• Ciclo de execução de instrução– Geração dos sinais de controle apropriados para execução
Processador Função Controle
• Dispositivos básicos– Unidade de controle – UC– Relógio ou clock– Registrador de instrução – RI ou IR– Contador de instrução – CI ou PC– Decodificar de instrução– Registrador de dados da memória (RDM)– Registrador de endereço da memória (REM)
• A organização dos componentes e o funcionamento básico da área de controle constituem a microarquitetura dos processadores
Processador Função Controle
• Unidade de Controle– Dispositivo mais complexo do computador– Lógica necessária ara realizar a movimentação de
dados e de instruções de e para o processador• Sinais de controle que emite em instantes de tempo
determinados conforme programação prévia– Relógio – duração fixa e igual
– Dois princípios de organização de processadores para iniciar os microeventos• Por microprogramação• Por programação prévia diretamente no hardware
Processador Função Controle
Processador Função Controle
• Unidade de Controle – Outra característica da UC é o modo pelo qual o
sistema conduz a execução das instruções• Sequencial ou serial (SISD)• Modo concorrente pipeline• Processamento paralelo• Processamento vetorial
Processador Função Controle
• O relógio– Necessidade de sincronização • Processadores são constituídos por circuitos digitais que
mudam de estado milhões de vezes por segundo
Dispositivo gerador de pulsos cuja duração é chamada de ciclo
– Se alternam do valor de intensidade (alta e baixa)• Sincronizar e cadenciar
Processador Função Controle
Processador Função Controle
• O relógio– Ciclo– Período– Lado de subida– Tempo de subida– Lado de decida– Tempo de descida– Frequência
• Hertz• Quantos clocks por segundo – velocidade do processador
Processador Função Controle
Processador Função Controle
Processador Função Controle
• Registrador de Instrução– Tem a função específica de armazenar a instrução a ser
executada pelo processador• Contador de Instrução– Registrador cuja função específica é armazenar o endereço
da próxima instrução a ser executada– Fundamental para o processo de controle – Possibilidade de alteração do conteúdo do CI
• Através do incremento automático do ciclo de instrução• Sempre que o sistema reinicializar• Instruções de desvio ou mudança do programa em execução
Processador Função Controle
• Decodificador de instrução– É um dispositivo para identificar qual operação
será realizada
Processador Função Controle
• Decodificador de instrução– É um dispositivo para identificar qual operação
será realizada
Processador Função Controle
• Registrador de Dados de Memória e Registrador de Endereços de Memória– Comunicação entre processador e memória
principal– RDM - Tamanho igual do barramento de dados• Múltiplos da palavra do processador
– REM tamanho igual ao dos endereços de memória • 2^32 = 4gb
Processador Instruções de Máquina
• Formalização de uma operação básica, simples que hardware é capaz de realizar diretamente– Operações matemáticas– Movimentação de dados– Entrada e saída– Controle
– C.Op = n Bits = 2^n– Operando: 1, 2, 3 ou 1,2 ou ACC
Código de Operação
Operando (a)
Processador Considerações
• Tecnologia de Fabricação dos Processadores– Corrida pelo clock do núcleo• 1,8 – 2,5 – 4GB
– Aumento da produtividade• Aumento do consumo de energia e temperatura• Resfriamento alternativo
– Consumo de energia – redução• Espessura da camada na qual os elementos
semicondutores são feitos (transistores e resistores)
Processador Considerações
• Tecnologia de Fabricação dos Processadores– Wafer de silício• Pureza de 99,9999%• Wafer 30cm - $ 20 mil
Processador Considerações
• Tecnologia de Fabricação dos Processadores– Wafer em seu estado original– Gases, altas temperaturas Litografia óptica– HDV – VHDL ou Verilog
Processador Considerações
• Tecnologia de Fabricação dos Processadores
Processador Considerações
• Tecnologia de Fabricação dos Processadores
Processador Considerações
• Tecnologia de Fabricação dos Processadores– Intel 4004 10 micra – 1/10 de
milímetro de espessura
Processador Considerações
• Tamanho da palavra
• Conjunto de Instruções
• Registradores de Dados– FPU – unidades de ponto flutuante
Processador Funcionamento do Processador
Processador Funcionamento do Processador
Processador Funcionamento do Processador
executar 000110110100
Processador Funcionamento do Processador
executar 000110110100