Arquitetura de Computadores (Modernos)

Arquitetura de Computadores(Modernos)

Prof. Celso A. W. Santos

J02B :: Arquitetura de Computadores (Modernos)

[email protected]

22/02/2021

Sejam tods bem-vinds!

� Já fizemos isso na primeira aula, mas vai que alguém não estava aqui :)

� Prof. Celso Aimbiré Weffort-Santos. E-mail para contato: [email protected]. Site: http://www.ic.unicamp.br/˜celso.santos/unip

� Aluno de Doutorado da Universidade Estadual de Campinas. Teoria da Computação. Colorações de Grafos. Complexidade Parametrizada

� Neste semestre:. J06B :: Linguagens Formais e Autômatos. J02B :: Arquitetura de Computadores

– A disciplina será ministrada “em conjunto” com 78B4 - Organizaçãode Computadores da turma de Sistemas de Informação

Sobre nossas aulas...

� Infelizmente, ainda estamos no meio de uma pandemia mundial.� Portanto, nossas aulas serão todas online, via Zoom.

. Os detalhes de acesso estão disponíveis no sistema da UNIP.� IMPORTANTÍSSIMO: Isso aqui NÃO.� Nosso ensino é presencial, porém virtual.� Eu peço que vocês tratem nossas aulas com a mesma seriedade que

tratariam se estivéssemos todos no mesmo prédio.� PORTANTO:

. Tenham caneta e caderno em mãos para fazerem anotações.

. Se você tem uma dúvida: levante a mão e tire-a!

. Se você tem alguma contribuição para fazer à aula: levante a mão efaça-a!

. Se você não entendeu alguma coisa que eu falei: me interrompa queeu explico de novo!

� Aulas online são diferentes... Mas ela é tão diferente quanto vocêsdeixam ela ser!

. Os detalhes de acesso estão disponíveis no sistema da UNIP.� IMPORTANTÍSSIMO: Isso aqui NÃO. É.� Nosso ensino é presencial, porém virtual.� Eu peço que vocês tratem nossas aulas com a mesma seriedade que

. Os detalhes de acesso estão disponíveis no sistema da UNIP.� IMPORTANTÍSSIMO: Isso aqui NÃO. É. EAD.� Nosso ensino é presencial, porém virtual.� Eu peço que vocês tratem nossas aulas com a mesma seriedade que

Sobre a avaliação...� A avaliação da disciplina de ACM será realizada por meio deTRABALHO e de PROVA.

� Sobre o TRABALHO:. Vale 50% da nota do semestre.. Será um único trabalho, versando sobre algum(ns) tópico(s) do

conteúdo do primeiro bimestre.. Os trabalhos poderão ser realizados em grupos de dois a quatro

alunos.� Sobre a PROVA:

. Vale os outros 50% da nota do semestre.

. A prova será com consulta ao material de aula e aos livros textos.

. A prova será presencial, ou seja, haverá uma data e um horárioespecífico para realizá-la.

. Muito provavelmente, ela será virtual.

. Haverá possibilidade de prova substitutiva, caso alguém não possacomparecer à prova.

� Haverá, também, ao longo do semestre algumas atividades extras.. Estas contarão como nota BÔNUS.. Poderão ser exercícios em sala de aula para a turma, desafios em

sala, atividades extra-classe, etc.. A nota bônus será lançada acrescentando à média do semestre.

Como será calculada a nota final?

� A nota final do semestre será contabilizada da seguinte forma:. Nota NT : pontuação obtida no TRABALHO.. Nota NP : pontuação obtida da PROVA.. Nota NB : pontuação BÔNUS obtida ao longo do semestre.. Nota do semestre:

NS = NT + NP

2 + NB

� Ao final do semestre:. Se NS ≥ 7.0, a nota do final NF = NS e o aluno está aprovado.. Caso contrário, terá de realizar exame. Nesse caso, a nota final

NF = NS+EX2 . O aluno será aprovado se NF ≥ 5.0 nesse caso, e

reprovado caso contrário.

Como será calculada a nota final?

� A nota final do semestre será contabilizada da seguinte forma:. Nota NT : pontuação obtida no TRABALHO.. Nota NP : pontuação obtida da PROVA.. Nota NB : pontuação BÔNUS obtida ao longo do semestre.. Nota do semestre:

NS = NT + NP

2 + NB

� Ao final do semestre:. Se NS ≥ 7.0, a nota do final NF = NS e o aluno está aprovado.. Caso contrário, terá de realizar exame. Nesse caso, a nota final

NF = NS+EX2 . O aluno será aprovado se NF ≥ 5.0 nesse caso, e

reprovado caso contrário.

Algumas informações adicionais...

� Algumas informações adicionais importantes:1 Os materiais de aula (slides, exercícios, etc.) serão disponibilizados

no meu site e na plataforma Microsoft Teams.– O link para a disciplina no Teams está no meu site. Verifique se você

já foi adicionado à disciplina.2 Há uma planilha de notas da disciplina disponibilizada no meu site,

que será atualizada periodicamente.– Qualquer discrepância e/ou dúvida sobre as notas publicadas na

planilha devem ser tiradas o mais rápido possível.3 Haverá um período (oficial) de revisão de notas no final do semestre,

após a realização dos exames. Vocês poderão visualizar e contestarqualquer nota obtida durante o semestre.

– Eu prefiro fazer isso durante o semestre. Se você tiver alguma dúvidasobre a correção e/ou sobre sua nota, me mande um e-mail.

4 Avaliações e colas/plágio no ensino virtual...– Vocês já estão no terceiro ano da graduação de vocês. Eu não vou

ficar perdendo tempo falando sobre isso.– Se eu suspeitar∗de cola/plágio nas avaliações, eu irei zerar notas de

todos os alunos envolvidos, sem discussão.– Meu pedido sincero: não colem; não passem cola.

∗Com provas suficientes, claro.

Sobre a disciplina...

� J06B :: Arquitetura de Computadores Modernos

� Objetivo Geral: “Fornecer o suporte para que o aluno absorva osconceitos e fundamentos sobre a arquitetura dos computadoresmodernos, da arquitetura dos principais microcomputadores,microprocessadores e microcontroladores, bem como ofuncionamento de seus componentes.”

� Por que eu devo aprender Arquitetura (e Organização) deComputadores?

But why?

“O computador está no âmago da computação. Sem ele, amaior parte das disciplinas de computação hoje seria umramo da matemática teórica. Para ser um profissional emqualquer campo da computação hoje, não se deve consid-

erar o computador como apenas uma caixa preta que executaprogramas como que por mágica. Todos os alunos de com-putação deverão adquirir algum conhecimento e apreciaçãodos componentes funcionais de um sistema de computação,suas características, seu desempenho e suas interações.”

William Stallings. Arquitetura e Organização de Computadores, 8a ed.

� Utilizaremos como livros texto principais:

Arquitetura e Organização de ComputadoresWilliam Stallings

Introdução à Organização de ComputadoresMario A. Monteiro

� Vamos entender o que será abordado nessa disciplina...

1.1. Introdução

Organização versus Arquitetura

� Sobre o que estamos conversando quando falamos “Arquitetura deComputadores” ou “Organização de Computadores”?

� Existe diferença entre Arquitetura e Organização deComputadores? Se sim, qual é?

� Arquitetura de computador refere-se aos atributos de um sistemavisíveis ao programador, que possuem um impacto direto sobre aexecução lógica de um programa.

. Exemplos incluem:

o conjunto de instruções, o número de bitsnecessários para representar uma palavra, técnicas de endereçamentode memória, etc...

� Organização de computador refere-se às unidades operacionais esuas interconexões que realizam as especificações arquiteturais.

. Incluem os detalhes de hardware transparentes ao programador:

sinais de controle, interfaces entre o computador e os periféricos,qual é a tecnologia de memória utilizada, etc...

. Exemplos incluem:

. Exemplos incluem: o conjunto de instruções

, o número de bitsnecessários para representar uma palavra, técnicas de endereçamentode memória, etc...

. Exemplos incluem: o conjunto de instruções, o número de bitsnecessários para representar uma palavra

, técnicas de endereçamentode memória, etc...

. Exemplos incluem: o conjunto de instruções, o número de bitsnecessários para representar uma palavra, técnicas de endereçamentode memória, etc...

. Incluem os detalhes de hardware transparentes ao programador:sinais de controle

, interfaces entre o computador e os periféricos,qual é a tecnologia de memória utilizada, etc...

. Incluem os detalhes de hardware transparentes ao programador:sinais de controle, interfaces entre o computador e os periféricos

,qual é a tecnologia de memória utilizada, etc...

. Incluem os detalhes de hardware transparentes ao programador:sinais de controle, interfaces entre o computador e os periféricos,qual é a tecnologia de memória utilizada, etc...

Exemplo 1. Chá

� Eu quero fazer um chá

, mas eu não faço a menor ideia de por ondecomeçar a fazer chá.

� Então, eu preciso fazer duas perguntas básicas:

1 O QUE?

Quais são os necessárias para fazer chá?– Leite, água, açúcar, sachê, xícara, etc.

2 COMO?

Como eu pego estas componentes e transformo-as em chá?– Ferver a água, adicionar o sachê à xícara, colocar a água fervendo na

xícara, descansar por alguns minutos, etc...– Quanto de água? Qual deve ser o tamanho da xícara? Quantos

sachês?

Exemplo 1. Chá

� Eu quero fazer um chá, mas eu não faço a menor ideia de por ondecomeçar a fazer chá.

1 O QUE?

2 COMO?

sachês?

Exemplo 1. Chá

1 O QUE?

2 COMO?

sachês?

Exemplo 1. Chá

� Então, eu preciso fazer duas perguntas básicas:1 O QUE?

2 COMO?

sachês?

Exemplo 1. Chá

2 COMO?

sachês?

Exemplo 1. Chá

Quais são os ingredientes necessárias para fazer chá?

– Leite, água, açúcar, sachê, xícara, etc.

2 COMO?

sachês?

Exemplo 1. Chá

Quais são os requerimentos necessárias para fazer chá?

2 COMO?

sachês?

Exemplo 1. Chá

Quais são os componentes necessárias para fazer chá?

2 COMO?

sachês?

Exemplo 1. Chá

Quais são os componentes necessárias para fazer chá?– Leite, água, açúcar, sachê, xícara, etc.

2 COMO?

sachês?

Exemplo 1. Chá

2 COMO?Como eu pego estas componentes e transformo-as em chá?

– Ferver a água, adicionar o sachê à xícara, colocar a água fervendo naxícara, descansar por alguns minutos, etc...

– Quanto de água? Qual deve ser o tamanho da xícara? Quantossachês?

Exemplo 1. Chá

Exemplo 2. Mais Concreto

� Quero construir uma casa

, mas eu não sou um arquiteto,engenheiro, designer, nada...

� Primeiro, vamos contratar um arquiteto para fazer o projeto.

. Ele vai modelar onde vai a sala, os quartos, a cozinha, os corredores.

. Ele que vai instruir onde precisa ter coluna, onde precisa ter janela,portas, etc.

. ... mas ele não vai construir nada!

� Nós vamos precisar contratar uma empresa de engenharia paralevantar a casa.

COMO?. Ela que vai especificar quais os melhores materiais para o piso,

parede, portas, etc.. Ela vai dizer qual deve ser a estrutura das vigas que vão sustentar a

casa, as molduras das janelas, etc.. ... ele que vai implementar a casa projetada pelo arquiteto.

� Quero construir uma casa, mas eu não sou um arquiteto,engenheiro, designer, nada...

. ... mas ele não vai construir nada!� Nós vamos precisar contratar uma empresa de engenharia para

levantar a casa.

. Ela que vai especificar quais os melhores materiais para o piso,parede, portas, etc.

. Ela vai dizer qual deve ser a estrutura das vigas que vão sustentar acasa, as molduras das janelas, etc.

. ... ele que vai implementar a casa projetada pelo arquiteto.

levantar a casa.

� Primeiro, vamos contratar um arquiteto para fazer o projeto. OQUE?

levantar a casa.

� Primeiro, vamos contratar um arquiteto para fazer o projeto. OQUE?

levantar a casa. COMO?. Ela que vai especificar quais os melhores materiais para o piso,

Exemplo 3. Computacional

� Meu sistema computacional precisa ser capaz de realizarmultiplicação.

� Perspectiva A.C.: Haverá uma instrução específica para amultiplicação, ou ela será realizada por meio de outras instruções?

� Perspectiva O.C.: Essa instrução será implementada por umaunidade de multiplicação especial ou por um mecanismo que façauso repetido da unidade de adição do sistema?

� E mais! Tomar essa decisão organizacional pode ser baseadoantecipando a frequência de uso da instrução, na velocidade relativadas duas técnicas, no custo e tamanho físico de uma unidade demultiplicação especial.

1.2. Estrutura e Função

Hierarquia em Sistemas Complexos� Um computador é um sistema complexo; milhões de componentes

eletrônicos elementares.� Como podemos descrever um computador com clareza?� A chave é reconhecer que existe uma natureza hierárquica em

sistemas complexos, incluindo o computador.

Um sistema hierárquico é um conjunto de sub-sistemas interrelacionados, cada um destes, por

sua vez, hierárquico em estrutura, até alcançarmosalgum nível mais baixo de subsistema elementar.

� Essa natureza é essencial para projetar sistemas complexos! Emcada nível, o sistema consiste em um conjunto de componentes eseus interrelacionamentos.

� O comportamento em cada nível depende somente de umacaracterização simplificada e resumida do sistema, e somente nopróximo nível mais baixo!

� Para projetar o sistema, basta saber a estrutura e a função emcada nível da hierarquia.

Hierarquia em Instruções e Linguagens

Linguagens orientadas a problemas

Linguagem de montagem

Sistema operacional

Instruction set Architecture

Microarquitetura

Lógica Digital

Sistema operacional

Microarquitetura

Lógica Digital

Lisp, C/C++, Python, Java, etc...

Sistema operacional

Microarquitetura

Lógica Digital

Tradução (Compilador)

Sistema operacional

Microarquitetura

Lógica Digital

Assembly

Sistema operacional

Microarquitetura

Lógica Digital

Assembly

Tradução (Assembler)

Sistema operacional

Microarquitetura

Lógica Digital

Assembly

Interpretação Parcial (S.O.)

Sistema operacional

Microarquitetura

Lógica Digital

Assembly

ISA, Manual doFabricante

Sistema operacional

Microarquitetura

Lógica Digital

Assembly

Interpretação ou Execução

Sistema operacional

Microarquitetura

Lógica Digital

Assembly

Interpretação ou Execução

Hardware

Funções de um Computador

� Quais são as funções básicas que um computador pode realizar?1 Processamento de dados

Qualquer tipo de computação que envolva informações armazenadasno computador.

2 Armazenamento de dadosArmazenamento temporário (durante a execução de um programa) epermanente (para subsequente recuperação e atualização).

3 Movimentação de dadosDe/para periféricos via dispositivos de E/S, entre computadores.

4 ControleControlar o funcionamento dessas três funções, exercido por quemfornece instruções ao computador.

Esquematizando essas Funções

Movimentação

Armazenamento Processamento

Controle

� Movimentação de dados

� Armazenamento (Read/Write)

� Processamento (Memória)

� Processamento (I/O)

Movimentação

Controle

Movimentação

Controle

Movimentação

Controle

Movimentação

Controle

Movimentação

Controle

Movimentação

Controle

Estrutura do Computador

� Vimos então as funcionalidades básicas do computador. E a suaestrutura?

� Não estamos muito preocupados em interconexão decomputadores... isso é pra matéria de Redes ou de SistemasDistribuídos (ano que vem).

� Vamos tentar entender como funciona a estrutura interna do própriocomputador.

� Existem quatro componentes estruturais principais:1 Unidade central de processamento

Controla a operação do computador e realiza suas funções deprocessamento de dados.

2 Memória principalArmazenamento de dados.

3 Entrada e SaídaMove dados entre o computador e o ambiente externo.

4 Interconexão do sistemaAlgum mecanismo que oferece comunicação entre CPU, memóriaprincipal e E/S. Exemplo comum: barramentos de sistema.

� Existem quatro componentes estruturais principais:1 Unidade central de processamento (CPU)

Esquematizando essa EstruturaCOMPUTADOR

E/S Memóriaprincipal

Barramentodo sistema

Registradores ALU

Unidadede controle

Barramentointerno

� Lógica de sequenciação

� Memória de controle

� Registradores e decodificadores da U.C.

Registradores ALU

Unidadede controle

Barramentointerno

Registradores ALU

Unidadede controle

Barramentointerno

Registradores ALU

Unidadede controle

Barramentointerno

Registradores ALU

Unidadede controle

Barramentointerno

Registradores ALU

Unidadede controle

Barramentointerno

Registradores ALU

Unidadede controle

Barramentointerno

Registradores ALU

Unidadede controle

Barramentointerno

Registradores ALU

Unidadede controle

Barramentointerno

Registradores ALU

Unidadede controle

Barramentointerno

Registradores ALU

Unidadede controle

Barramentointerno

Registradores ALU

Unidadede controle

Barramentointerno

Registradores ALU

Unidadede controle

Barramentointerno

Dúvidas?

Bom final de semana!

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