02 - arquitetura de um computador

Arquitetura de Um Computador

Jos Costa

Introduo Arquitetura de Computadores

Departamento de Engenharia Informtica (DEI)Instituto Superior Tcnico

2013-09-20

Jos Costa (DEI/IST) Arquitetura de Um Computador 1

Sumrio

Perspetiva Histrica

Tipos de Computadores

Tipos de Processadores

Organizao Interna de Um Computador

Estrutura Interna de Um Processador

Interao com o Exterior

Nveis de Abstrao de Um Computador


Arquitetura de Um Computador (1/2)

Computador

Sistema digital programvel atravs de uma sequncia de instruesguardadas em memria.

Elemento crucial num computador a sua unidade central deprocessamento, ou processador.


Arquitetura de Um Computador (2/2)

ProcessadorSistema digital constitudo por um circuito de dados e um circuito decontrolo.


Charles Babbage (1791-1871)

Charles Babbage projetou o primeiro computadormecnico capaz de desempenhar automaticamentesequncias de operaes

Computador conhecido como o difference engine

usava apenas elementos mecnicos

podia ser programado para construirtabelas matemticas

Ainda foram feitos planos para construiro analytical engine


Sistemas Eletro-Mecnicos

Primeiro computador completamente automtico foi construdoem 1944

Harvard Mark I18 por 2,5 metros

5 toneladas, 760.000 partes e centenas de kilometros de cabos

9 bytes de memria

3 segundos para fazer adio ou subtrao

1 bug da histria


Computadores Eletrnicos DigitaisENIAC (1946)


Computadores de Primeira Gerao(1942 - 1955)

Estes computadores a vlvulas ficaram conhecidoscomo computadores de primeira geraoO uso de vlvulas impunha limites

problemas de fiabilidade

problemas de tamanho

Ocupavam tipicamente uma sala degrandes dimensesPodiam funcionar continuamente apenasdurante poucas horas

vlvulas falhavam com muitafrequncia


Computadores de Segunda Gerao(1955 - 1964)

Baseados em transistores

Discos magnticos para guardar informao

Memrias baseadas em ferrites


Computadores de Terceira Gerao(1964 - 1975)

Baseada em circuitos integrados

Permitiu reduo no tamanho doscomputadores

E consequente aumento do nmero de portaslgicas possvel de empacotar num dadovolume

Um dos computadores com mais sucesso foi oIBM/360

Separao entre o conjunto de instrues e aimplementao fsica

Permitiu criar uma srie de famlias queexecutavam o mesmo conjunto de instrues

Maior reutilizao do esforo do programador


Computadores de Quarta Gerao(1975 -)

Baseados em circuitos integrados com grande escalade integrao (VLSI - Very Large Scale Integration)Processador contido num s circuito integradoFez baixar o preo e permitir o uso pessoalPrimeiro processador: 4004 da Intel

Primeiro computador: baseado no 8080 da IntelIBM definiu o modelo padro para o computadorpessoal

baseado no processador 8088

arquitetura ainda hoje a mais usada em PCs80286, 80386, 80486, Pentium, Pentium II,Jos Costa (DEI/IST) Arquitetura de Um Computador 11

Computadores de Quinta Gerao

Baseados em Inteligncia Artificial

Podem entender linguagem falada

Podem imitar o raciocinio humano

Podem responder ao que o rodeia



Computadores pessoais

Servidores

Sistemas embebidos


Computadores Pessoais

Tipicamente quando falamos de computadores estamos a falar destetipo

Otimizado para processamento de

Texto, Som, Imagens, Vdeo, Jogos

Dispositivos de entrada e sada

Teclado, Rato, Monitor, Impressora e muitos outros

Fator mais importante: Custo


Servidores (1/2)

Processam grande quantidade de dadosTm tipicamente um teclado e um monitor para permitirconfigurao local do servidor

Centro de DadosGrandes salas com muitos servidores

Controlo rigoroso de temperatura, humidade

Controlos de segurana fsica

Sistemas redundantes de gerao de energia

Fator mais importante: desempenho para as aplicaes a que sedestina


Servidores (2/2)Supercomputadores


Sistemas Embebidos

So computadores embebidos noutros sistemas, que controlam emonitorizam.

Estima-se que 95% dos computadores existentes sejam deste tipo

Tm dispositivos de entrada e sada de dados especficos daaplicao a que se destinam

Fatores mais importantes: custo, consumo de energia e tamanho


Tipos de Processadores (1/2)

Na classe dos computadores pessoais o dominio dos processadoresda Intel

Arquitetura padro do 8088 usado pela IBM

Na classe dos servidores

Elevada capacidade para explorar paralelismo

Maior largura da palavra de dados utilizada

Itanium da Intel, UltraSPARC da Sun, MIPS64 da MIPS

Na classe dos sistemas embebidos

Grande variedade com caractersticas muito diferentes entre si

Intel, FreeScale, Microchip, Transmeta


Tipos de Processadores (2/2)

Microcontroladores

Computador num nico circuito integrado

Inclui processador, memria e meios de comunicao com oexterior

8051 da Intel

Processadores de sinal

Extremamente eficientes em aplicaes de processamento desinal

Usados em telefones e televises

Freescale, Texas Instruments



Computador programvel atravs de uma sequncia de instruesguardadas em memria

As instrues especificam qual a sequncia de operaes demanipulao de dados que deve ser executada

Cada instruo especifica, de forma nica, qual a operao que deveser executada e quais os operandos aos quais a mesma deve seraplicada

Exemplo

contedo da posio 10FAh da memria deve ser somado aocontedo do registo R3, devendo o resultado ser guardado na mesmaposio de memria, 10FAh


Unidade Central de Processamento

Capacidade para executar um conjunto de instrues

Tem um certo nmero caractersticas comuns de processadorpara processador

Contm

circuitos combinatrios que permitem efetuar operaes lgicas

e aritmticas

registos que permitem guardar os dados e resultados das

operaes


Instrues

So guardadas sequencialmente em memria

Em geral so executadas pela ordem em que se encontram

Existem instrues que alteram essa ordem

Instrues de saltoInstruo poder especificar que a prxima instruo a executada ainstruo na posio de memria AAF0h.


Memria

UNIDADECENTRAL DE

PROCESSAMENTO

MEMRIA

DADOSENDEREOS

E CONTROLO


Fases de Execuo de Uma Instruo

1 UCP envia endereo da prxima instruo para a memria erecebe palavra com a instruo a executar

2 UCP descodifica instruo identificando quais os operandos equal o tipo de operao

3 UCP carrega os operandos - podem estar na memria ou nosregistos

4 UCP executa a operao

5 UCP escreve resultado - em memria ou nos registos


Alternativas

Processadores modernos so extremamente complexos e usamdiferentes tcnicas para acelerar a velocidade de processamento

Algumas diferenas

Podem ser necessrios vrios acessos memria para obter ouguardar os operandos

Instrues podem ser executadas em paralelo

Uso de arquitetura de Harvard


von Neumann vs Harvard

Arquitetura de von Neumann

Uma s memria guarda dados e programa

Arquitetura de Harvard

Duas memrias separadas para os dados e para o cdigo



Bancode

Registos

PC

IR

ULA

Barramentode Endereos

Barramentode Dados

Unidade de ProcessamentoU

nida

de d

e C

ontr

olo

Palavra deControlo

Bits deEstado


Registos Especiais

Contador de Programa (PC)

Indica qual a instruo que est a ser executada a cada momento

um endereo de memria

Registo de Instruo (IR)

Contm a instruo que est a ser executada

Determina a sequncia de operaes que sero executadas



Para comunicar com os utilizadores, o computador usa diversosdispositivos perifricos

teclados, ratos, monitores, impressoras

discos, fitas magnticas, interfaces de rede

Dispositivos encontram-se ligados a portos de entrada/sada

Os portos de entrada/sada controlam estes perifricos usando umprotocolo que varia de perifrico para perifrico

ProtocoloConjunto de regras que permitem a transferncia correta deinformao entre diferentes entidades


Acesso aos Dispositivos

UNIDADECENTRAL DE

PROCESSAMENTO

MEMRIA

DA

DO

S

EN

DE

RE

O

S E

CO

NT

RO

LO

PORTO SRIE

PORTO PARALELO

PLACA GRFICA


Tratamento de Dados

Diferentes perifricos tratam os dados diferentemente

Porto srie, os dados so enviados em srie que depois serointerpretados pelo perifrico

Placa grfica interpreta os dados como comandos para desenharpontos no monitor

Controlador de disco escreve os dados recebidos em localizaesespecficas do disco magntico



NVEL 0

NVEL 1

NVEL 2

NVEL 3

NVEL 4

NVEL 5 APLICAO

PROGRAMA EMLINGUAGEM DE ALTO NVEL

PROGRAMA EMLINGUAGEM ASSEMBLY

PROGRAMA EM LINGUAGEM MQUINA

PROGRAMADOR

COMPILADOR

ASSEMBLER

PROJECTISTAS DOPROCESSADOR

MICROPROGRAMA EM LINGUAGEMDE TRANSFERNCIA DE REGISTOS PROJECTISTAS DE

SISTEMAS DIGITAIS

SISTEMA DIGITAL


Sumrio

Perspetiva Histrica


Tipos de Processadores






Referncias

Arquitectura de Computadores: dos Sistemas Digitais aosMicroprocessadores,

G. Arroz, J. Monteiro, A. Oliveira,Seces 9.1 a 9.7


Prxima Aula

Representao Digital da Informao


Perspetiva HistricaTipos de ComputadoresTipos de ProcessadoresOrganizao Interna de Um ComputadorEstrutura Interna de Um ProcessadorInterao com o ExteriorNveis de Abstrao de Um Computador

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