Aula Introdução a Arquitetura e Organização de Computadores

Arquitetura e Organização de Computadores - Introdução

Professor: Gilvan Luiz Latreille

Tópicos da Aula:

- Arquitetura e Organização de Computadores – Conceitos.- Breve história dos computadores.- Organização básica da Memória e da CPU.- Barramentos.- Memória Interna e Externa- Sistemas de Entrada e Saída.- Tendências e Possibilidades Futuras.


Conceitos:Arquitetura de Computadores é a área de conhecimento que trata da organização lógica dos sistemas computacionais e seu comportamento funcional, em relação ao programador.

Exemplo: tamanhos de dados, tipos de instruções.

Organização de Computadores é a área que lida com aspectos não diretamente relacionados ao programador, como tipos de

dispositivos, tecnologia de memória, tecnologia física de construção dos circuitos, estrutura e implementação das

portas lógicas e barramentos, etc.


Breve História da Computação:

Ábaco Chines (2000 a.c.):



Calculadora de Pascal ( 1600 ):



Máquina Diferencial de Babbage ( 1700, não pôde ser construída na época) :



Tear de Jacquard (1804) , primeiro exemplo de uso de memória de programa externa ao dispositivo:



Máquina Enigma (1939).Exemplo de um dos primeiros sistemas criptográficos.



Computador Colossus (1944).Feito para quebrar os códigos da máquina Enigma



Eniac (1946).Primeiro computador eletrônico de propósitogeral.


A “lei” de Moore e a evolução recente:

“A cada 18 meses o poder computacional dobra em relaçãoao mesmo preço anterior”.

Obs.: a lei de Moore está em seu limite.



Como os computadores chegaram aos padrões atuais?

Os métodos básicos para solucionar problemas e organizar tarefas não mudaram muito desde a antiguidade.

Que ferramentas usamos desde a antiguidade para trabalhar informações?



Tenhamos um computador, ou planilhas e calculadora, a forma de tratar informações é semelhante, tendo onde registrar a informação, basta executar os passos corretos.


Elementos básicos de um Computador Moderno:

-Memória: armazena o programa (instruções a executar) e os dados (valores processados).

-Processador: executa os passos do programa e os cálculos.

-Entradas e saídas: recebem as informações para processamento e devolvem os resultados.

-Barramento: conjunto de meios de interligação e comunicação entre os elementos do computador.


Organização Básica da CPU e da Memória:

Tecnicamente falando, as partes mais visíveis de um computador de mesa não correspondem exatamente aos seus componentes fundamentais



Examinando a nível dos circuitos, podemos identificar elementos fundamentais como Memória, Processador ou CPU, Barramentos eEntradas e saídas.



Modelo de Von Neumann.

É o atual paradigma para organização de sistemas computacionais. Seus itens essenciais são: Memória, Processador ou CPU, barramentos, e Entradas e Saídas.



Modelo de Von Neumann.

Memória: armazena dados e instruções dos programas. O modelo de Von Neumann introduziu o computador com programa armazenado, capaz de múltiplas aplicações.


O Processador ou CPU, e sua origem:

A Máquina de Turing:Idealizada por Alan Turing, é uma máquina hipotética capaz de resolver qualquer problema descrito por uma sequência definida de instruções (algoritmo).Todos os processadores modernos são Máquinas de Turing e também chamados de CPU (central processing unit).


O Processador ou CPU, aspecto :


O Barramento ou Bus :

Barramento é um conjunto de vias de comunicação cuja função é integrar os elementos do computador.Em um moderno computador há diversos barramentos, no mínimo o de endereços, o de dados e o de controle.


Entradas e Saídas :

Para comunicar-se com o mundo exterior e converter as informações de, e para formatos diversos, há sistemas especiais de Entrada e de Saída.

Seus componentes mais conhecidos são teclado, vídeo, interfaces de rede, drives de disco e armazenamento externo.

Os subsistemas de entrada e saída englobam também os diversos circuitos de suporte, dentro do computador.


MEMÓRIA - ORGANIZAÇÃO :

A Memória se divide basicamente em memória principal ou interna (RAM) e memória secundária ou externa.

A memória principal é a única acessível de modo direto pela CPU.


MEMÓRIA - Hierarquia:

A Memória é subdividida em unidades de tipos diferentes, hierarquizada com base em seu custo e performance.Mais perto da CPU – mais cara, rápida e de menor tamanho.Longe da CPU – mais barata, lenta e de maior tamanho.


MEMÓRIA – Conexão :Em um típico computador moderno, a memória cache fica dentro do chip do processador, a memória RAM é a memória principal, os discos rígidos são a memória secundária.

Obs.: A cpu não “enxerga” o cache.


MEMÓRIA PRINCIPAL – RAM :

A memória RAM é a memória principal, a CPU acessa diretamente a memória principal, através dos barramentos de dados, endereços e controle. A memória Ram é organizada como uma matriz, sendo de B bits versus P posições. Um bit é um dígito binário, o Byte é a unidade principal tendo 8 bits.


MEMÓRIA PRINCIPAL – RAM :

Existem diversos tipos de memória RAM, as principais são Sram, muito rápida e cara, e a Dram, mais lenta e barata.

Há dois modos principais de endereçamento, o tradicional e o 2.5d.


MEMÓRIA SECUNDÁRIA - ARMAZENAMENTO

A Memória Secundária ou externa são os discos rígidos, cartões de memória externa, pendrives, drives de CD, Dvd, e Blu-Ray.É assim denominada porque a CPU não consegue acessar a mesma diretamente.


MEMÓRIA SECUNDÁRIA - ARMAZENAMENTO

A Memória Secundária qualquer que seja é sempre organizada em blocos de bytes (com 512 a 2048 bytes).Para acessar seus dados, a CPU precisa ler de um até N blocos para a memória principal, e trabalhar a partir daí.


Central Processing Unit – O Processador

Uma CPU ou Unidade Central de Processamento, é formada essencialmente de Banco de Registradores, Unidade Lógico-Aritmética ou ALU, e Unidade de Controle. Em processadores mais modernos é incorporada uma unidade de cache (Sram).


A CPU e o Ciclo de Busca e Execução

Todo programa de computador é subdividido em etapas elementares, as INSTRUÇÕES, que são os passos mais simples de um algoritmo.Toda CPU executa uma sequência de ações para processar uma única instrução – o CICLO DE BUSCA E EXECUÇÃO.

- BUSCAR A PRÓXIMA INSTRUÇÃO- DECODIFICAR A INSTRUÇÃO

- BUSCAR OS OPERANDOS (se houverem)- EXECUTAR A INSTRUÇÃO

- ARMAZENAR OS RESULTADOS (se houverem)( Repete o ciclo)


A CPU e a Arquitetura do Conjunto de Instruções

Toda CPU executa um conjunto finito e bem determinado de Instruções. É o conjunto de instruções que define a CPU, inclusive quanto ao tipo de circuitos e suas conexões. Para projetar um processador, se começa do projeto do conjunto de instruções, a chamada ARQUITETURA DO CONJUNTO DE INSTRUÇÕES, ou “Instruction Set Architecture” - ISA na sigla em inglês.As instruções são codificadas em linguagem especial (assembly), e cada instrução recebe um nome que lembre ao programador a ação a executar. Ex.: LOAD (“carregar”), STORE (“armazenar”), ADD (“somar”), SUB(“subtrair”), GOTO (“ir para”), BNE (“desvie se resultado não for igual a”).



Diagrama simplificado de uma CPU com conjunto de instruções de dois operandos.O chamado “caminho de dados” é dependente do tipo das instruções.



Cpu intel 8080 - diagrama simplificado


A CPU e a Arquitetura do Conjunto de InstruçõesCpu intel 8080 – busca da instrução na memória



Cpu intel 8080 – decodificação da instrução



Cpu intel 8080 – execução da instrução


CPU's - CLASSIFICAÇÃO

Uma CPU ou Processador, é classificada quanto a diversos fatores:

- Tamanho dos registradores e barramentos internos, em bits (8 bits, 16 bits, 32 bits, 64 bits, etc).- Tipo do Conjunto de Instruções (quanto ao número de instruções): CISC ou RISC.-Características da Unidade de Controle (convencional ou microprogramada).- Organização e operação dos registradores (pilha, register set).


O Barramento ou Bus - Particularidades :O Barramento mais simples, conforme o modelo de Von Neumann, é um conjunto de conexões ou fios, cada um comunica um bit de informação, e o conjunto opera em modo paralelo. Existem no mínimo três barramentos (ou um barramento triplo), com comunicações para DADOS, ENDEREÇOS e sinais de CONTROLE, além do fornecimento de energia.


O Barramento ou Bus - Particularidades :O Barramento de um computador desktop é bem mais elaborado. Existem diversos tipos de barramentos (pci, isa, etc) e circuitos especializados em rotear e ordenar a comunicação entre os diversos elementos do computador, as chamadas PONTES.

Exemplo: Arquitetura Intel® Pentium® Dual Processor


Sistemas de Entradas e Saidas - Particularidades :

Os elementos de um sistema de Entradas e Saídas englobam todos os periféricos de um sistema, os quais se comunicam com o usuário e com o mundo exterior. São bem conhecidos os periféricos como: teclado, video, interfaces de rede, interfaces seriais, impressora, mouse. Integrados ao sistema de entradas e saídas são também os circuitos especializados para o suporte a todos os periféricos, os quais se encontram dentro do computador.Os circuitos especializados são responsáveis pela conversão do formato de dados do computador para o meio externo e ainda pelo sistema de comunicação via INTERRUPÇÃO e DMA.


Sistemas de Entradas e Saidas - Particularidades :Há três modos de comunicação da CPU com os periféricos: por POLLING, INTERRUPÇÃO, e por Interrupção com ACESSO DIRETO A MEMÓRIA (DMA).POLLING ou PROGRAMADA – A CPU testa a todo instante se existem dados para ler ou se o periférico está pronto a receber dados.INTERRUPÇÃO – Os periféricos informam a CPU que há dados ou que requerem atenção, o processamento é desviado para um programa especial que atende ao pedido, e retomado em sua conclusão.ACESSO DIRETO A MEMÓRIA – um circuito especializado executa a escrita ou leitura da memória para o periférico sem que a Cpu tenha que fazer o processamento. Normalmente o método DMA opera integrado com Interrupções.



Método de Entrada e Saída Programada ou Polling:

-Fácil de programar.-Extremamente ineficiente pois a CPU fica totalmente ocupada esperando o periférico ficar pronto.



Método de Entrada e Saída por Interrupção :

- Requer suporte em hardware na CPU e no controlador do periférico.- Difícil de programar.- Muito eficiente, libera a CPU na maior parte do tempo



Método de Entrada e Saída por Interrupção e DMA :

- Requer suporte em hardware na CPU e no controlador do periférico, e requer um circuito especial, o Controlador de DMA.- Difícil de programar.- O mais eficiente, libera a CPU na maior parte do tempo e inclusive do trabalho de mover os dados.


Computação - Tendências e Possibilidades Futuras:

- Sistemas em Circuitos Integrados.

- Paralelismo com múltiplos processadores.

- Arquiteturas não convencionais (computador quântico, redes neurais).


Computação - Tendências Futuras:

- Sistemas em Circuitos Integrados (SOC).



- Paralelismo.

Sistema Fermi da Nvidia, uma matriz de 480 processadores, otimizada para processamento paralelo. Das placas de vídeo para a computação intensiva e científica.



- Redes Neurais.

Paradigma baseado no funcionamento dos neurônios de um organismo animal. Possui já ampla aplicação em reconhecimento de padrões e é uma tecnologia promissora


Computação - Possibilidades:

- Computadores Quânticos

Conceito comprovado em teoria, baseia-se na superposição de estados de qualquer partícula física elementar.Sua construção ainda é um desafio e uma incógnita quanto a real possibilidade.

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