Introdução à Arquitetura de Computadores - Autenticação · Computadores de Primeira Geração...

Introdução à Arquitetura de Computadores

José Costa

Introdução à Arquitetura de Computadores

Departamento de Engenharia Informática (DEI)Instituto Superior Técnico

2014-09-17

José Costa (DEI/IST) Introdução à Arquitetura de Computadores 1

Estudar Arquitetura de Computadores?


O Computador


O ComputadorPor dentro


O ComputadorMais perto


O CPU


Objetivos da Disciplina

Os alunos deverão dominar os conceitos básicos e ofuncionamento geral de um computador, a estrutura materialque permite a execução de programas

Deverão conseguir descrever o funcionamento dos elementosbásicos, processador, sistema de memória e sistema de entradase saídas, e sua interação

Em particular, devem ser capazes de compreender a estruturainterna de um processador e o processo de execução dasinstruções


Bibliografia

Principal

Arquitectura de Computadores: dos Sistemas Digitais aosMicroprocessadores , G. Arroz, J. Monteiro, A. Oliveira, 2009,IST Press, 2ª Edição, ISBN: 978-972-8469-54-2

Secundária

Arquitectura de Computadores , J. Delgado, C. Ribeiro, 2010,FCA, 4ª Edição, ISBN: 978-972-722-666-5

Logic and Computer Design Fundamentals , M. Mano, C. Kime,2008, Prentice-Hall International, 4ª Edição, ISBN:978-0132067119


Professores

Teóricas

José Carlos Campos Costa

Laboratórios

José Carlos Campos Costa

Alberto Manuel Ramos da Cunha

Nuno Cavaco Gomes Horta

Paulo Alexandre Crisóstomo Lopes


Horários de Dúvidas

José Costa

5ª das 16h às 17h30 - Sala 2.01, Pavilhão Informática III

6ª das 15h às 16h30 - Sala 2.01, Pavilhão Informática III

Alberto Cunha

3ª das 17h às 18h30 - Gab. 2, Pavilhão Informática II

Nuno Horta

2ª das 9h30 às 11h - Torre Norte, 9º piso, sala 9.08

Paulo Lopes

4ª das 14h30 às 17h30, INESC-ID


Horários


Avaliação

Projeto + laboratórios: 40%

Nota mínima de 8,5

Testes: 60%

Nota mínima de 7 em cada teste e 8,5 na média dos testes


Laboratórios

1 aula de exercíciosAlunos que ainda não têm grupo podem ir a qualquer horário

6 trabalhos de laboratórioPreparação dos trabalhos deve ser feita antes da aula delaboratórioAula serve para afinar respostas e mostrar ao docenteEntrega de ficha preenchida no final da aula

Restantes aulas para apoio ao projeto e avaliações

Aulas de laboratório começam na semana de 29 de Setembro


Inscrição nos Laboratórios

Grupos de 3 elementos

Inscrição será via fenix

Serão realizadas nas primeiras duas semanas de aulasInscrições estarão abertas a partir de amanhã (às 8h00)No início da próxima semana serão permitidas inscrições degrupos de 2 (alunos individuais poderão nessa altura preencheros slots disponíveis)Meio da próxima semana serão permitidas inscrições individuaisNa 3ª semana grupos serão compactados


Projeto

Enunciado disponível: 20 de Outubro

1a entrega: Semana de 10 de Novembro durante a aula

Entrega final: 5 de Dezembro por via eletrónica (fenix)

Visualização: Semana de 8 de Dezembro durante a aula

Discussões: Semana de 15 de Dezembro em horário a combinarcom o docente


Testes

2 testes

Datas1º teste: 29 de Outubro às 18h002º teste: 16 de Janeiro às 08h00Repescagens (1º, 2º teste ou os dois): 28 de Janeiro às 15h00

Bónus na nota final dos testes para quem não fizer repescagem


Planeamento (1/3)


Planeamento (2/3)


Planeamento (3/3)


Arquitetura de Um Computador (1/2)

Computador

Sistema digital programável através de uma sequência de instruçõesguardadas em memória.

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


Arquitetura de Um Computador (2/2)

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


Charles Babbage (1791-1871)

Charles Babbage projetou o primeiro computadormecânico capaz de desempenhar automaticamentesequências de operações

Computador conhecido como o difference engine

usava apenas elementos mecânicos

podia ser programado para construirtabelas matemáticas


Sistemas Eletro-Mecânicos

Primeiro computador completamente automático foi construídoem 1944

Harvard Mark I18 por 2,5 metros5 toneladas, 760.000 partes e centenas de kilometros de cabos9 bytes de memória3 segundos para fazer adição ou subtração

1º bug da história


Computadores Eletrónicos DigitaisENIAC (1946)


Computadores de Primeira Geração(1942 - 1955)

Estes computadores a válvulas ficaram conhecidoscomo computadores de primeira geraçãoO uso de válvulas impunha limites

problemas de fiabilidade

problemas de tamanho

Ocupavam tipicamente uma sala degrandes dimensõesPodiam funcionar continuamente apenasdurante poucas horas

válvulas falhavam com muitafrequência


Computadores de Segunda Geração(1955 - 1964)

Baseados em transistores

Discos magnéticos para guardar informação

Memórias baseadas em ferrites


Computadores de Terceira Geração(1964 - 1975)

Baseada em circuitos integrados

Permitiu redução no tamanho doscomputadores

Um dos computadores com mais sucesso foi oIBM/360

Permitiu criar uma série de famílias queexecutavam o mesmo conjunto de instruções

Maior reutilização do esforço do programador


Computadores de Quarta Geração(1975 -)

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

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

baseado no processador 8088

arquitetura ainda hoje é a mais usada em PCs80286, 80386, 80486, Pentium, Pentium II,José Costa (DEI/IST) Introdução à Arquitetura de Computadores 28

Computadores de Quinta Geração

Baseados em Inteligência Artificial

Podem entender linguagem falada

Podem imitar o raciocinio humano

Podem responder ao que o rodeia


Tipos de Computadores

Computadores pessoais

Servidores

Sistemas embebidos


Computadores Pessoais

Tipicamente quando falamos de computadores estamos a falar destetipo

Otimizado para processamento de

Texto, Som, Imagens, Vídeo, Jogos

Dispositivos de entrada e saída

Teclado, Rato, Monitor, Impressora e muitos outros

Fator mais importante: Custo


Servidores (1/2)

Processam grande quantidade de dadosTêm tipicamente um teclado e um monitor para permitirconfiguração local do servidor

Centro de DadosGrandes salas com muitos servidores

Controlo rigoroso de temperatura, humidade

Controlos de segurança física

Sistemas redundantes de geração de energia

Fator mais importante: desempenho para as aplicações a que sedestina


Servidores (2/2)Supercomputadores


Sistemas Embebidos

São computadores embebidos noutros sistemas, que controlam emonitorizam.

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

Têm dispositivos de entrada e saída de dados específicos daaplicação 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 é dos processadoresda Intel

Arquitetura padrão 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 características muito diferentes entre si

Intel, FreeScale, Microchip, Transmeta


Tipos de Processadores (2/2)

Microcontroladores

Computador num único circuito integrado

Inclui processador, memória e meios de comunicação com oexterior

8051 da Intel

Processadores de sinal

Extremamente eficientes em aplicações de processamento desinal

Usados em telefones e televisões

Freescale, Texas Instruments


Organização Interna de Um Computador

Computador é programável através de uma sequência de instruçõesguardadas em memória

As instruções especificam qual a sequência de operações demanipulação de dados que deve ser executada

Cada instrução especifica, de forma única, qual a operação que deveser executada e quais os operandos aos quais a mesma deve seraplicada

Exemplo

conteúdo da posição 10FAh da memória deve ser somado aoconteúdo do registo R3, devendo o resultado ser guardado na mesmaposição de memória, 10FAh


Unidade Central de Processamento

Capacidade para executar um conjunto de instruções

Tem um certo número características comuns de processadorpara processador

Contém

circuitos combinatórios que permitem efetuar operações lógicase aritméticasregistos que permitem guardar os dados e resultados dasoperações


Instruções

São guardadas sequencialmente em memória

Em geral são executadas pela ordem em que se encontram

Existem instruções que alteram essa ordem

Instruções de saltoInstrução poderá especificar que a próxima instrução a executada é ainstrução na posição de memória AAF0h.


Memória

UNIDADECENTRAL DE

PROCESSAMENTO

MEMÓRIA

DADOSENDEREÇOS

E CONTROLO


Fases de Execução de Uma Instrução

1 UCP envia endereço da próxima instrução para a memória erecebe palavra com a instrução a executar

2 UCP descodifica instrução identificando quais os operandos equal o tipo de operação

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

4 UCP executa a operação

5 UCP escreve resultado - em memória ou nos registos


Alternativas

Processadores modernos são extremamente complexos e usamdiferentes técnicas para acelerar a velocidade de processamento

Algumas diferenças

Podem ser necessários vários acessos à memória para obter ouguardar os operandos

Instruções podem ser executadas em paralelo


Estrutura Interna de Um Processador

Bancode

Registos

PC

IR

ULA

Barramentode Endereços

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 instrução que está a ser executada a cada momento

É um endereço de memória

Registo de Instrução (IR)

Contém a instrução que está a ser executada

Determina a sequência de operações que serão executadas


Interação com o Exterior

Para comunicar com os utilizadores, o computador usa diversosdispositivos periféricos

teclados, ratos, monitores, impressoras

discos, fitas magnéticas, interfaces de rede

Dispositivos encontram-se ligados a portos de entrada/saída

Os portos de entrada/saída controlam estes periféricos usando umprotocolo que varia de periférico para periférico

ProtocoloConjunto de regras que permitem a transferência correta deinformação entre diferentes entidades


Acesso aos Dispositivos

UNIDADECENTRAL DE

PROCESSAMENTO

MEMÒRIA

DA

DO

S

EN

DE

RE

ÇO

S E

CO

NT

RO

LO

PORTO SÉRIE

PORTO PARALELO

PLACA GRÁFICA


Tratamento de Dados

Diferentes periféricos tratam os dados diferentemente

Porto série, os dados são enviados em série que depois serãointerpretados pelo periférico

Placa gráfica interpreta os dados como comandos para desenharpontos no monitor

Controlador de disco escreve os dados recebidos em localizaçõesespecíficas do disco magnético


Níveis de Abstração de Um Computador

NÍVEL 0

NÍVEL 1

NÍVEL 2

NÍVEL 3

NÍVEL 4

NÍVEL 5 APLICAÇÃO

PROGRAMA EMLINGUAGEM DE ALTO NÍVEL

PROGRAMA EMLINGUAGEM ASSEMBLY

PROGRAMA EM LINGUAGEM MÁQUINA

PROGRAMADOR

COMPILADOR

ASSEMBLER

PROJECTISTAS DOPROCESSADOR

MICRO−PROGRAMA EM LINGUAGEMDE TRANSFERÊNCIA DE REGISTOS PROJECTISTAS DE

SISTEMAS DIGITAIS

SISTEMA DIGITAL


Sumário

Perspetiva Histórica

Tipos de Computadores

Tipos de Processadores

Organização Interna de Um Computador

Estrutura Interna de Um Processador

Interação com o Exterior

Níveis de Abstração de Um Computador


Referências

Arquitectura de Computadores: dos Sistemas Digitais aosMicroprocessadores,

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


Próxima Aula

Representação Digital da Informação


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