1

Introdução

• Evolução histórica• Arquitectura básica de um computador• Processo de desenvolvimento de um programa

Arquitectura de Computadores

Arquitectura de Computadores – LEICProf. Renato Nunes

2

O impacto dos computadores• O computador é um dos maiores feitos do Homem.

Tornou áreas de trabalho obsoletas, criou outras, tornou possível coisas impossíveis.

• Mais do que a própria televisão, o computador é “a caixa que mudou o mundo”.

• Melhoria das capacidades de comunicação e a convergência do computador, dos telemóveis e datelevisão de alta definição permite:– distribuição de informação multimédia;

– interacção global (internet, comunicação audio e video, TV interactiva);

– processamento local de informação.

3

Os computadores são inteligentes?• Um computador não tem nada de mágico nem pode

ser considerado um sistema inteligente.• É fiável e determinístico (não se cansa nem erra) e é

muito rápido.• Tem de ser exaustivamente programado pelo

utilizador, que tem de prever todas as situações.• A inteligência aparente do computador é apenas a

inteligência do programador.• Um computador limita-se a seguir cegamente as

regras que foram definidas (instruções do programador). Não tem visão de conjunto nem sabeo que está a fazer!

4

Motivação para a divulgação dos computadores

• Antes dos computadores tudo era manual (mão-de-obra intensiva).

• O computador permite:– Automatizar tarefas repetitivas (sem nunca se cansar);– Manipular grandes quantidades de informação (possui

grande capacidade de memória e de processamento);– Executar operações com grande rapidez (milhões de vezes

mais rápido que o ser humano);– Executar operações de forma fiável (o erro humano é muito

frequente);– Redução de custos (o computador não recebe ordenado…).

Vantagens (ainda) das pessoas:– inteligência, criatividade, trabalho físico especializado.

5

Primeiro objecto de cálculo

• Ábaco - desde 3000 A.C. • Usado ainda hoje (China, por exemplo)

6

Primeiro somador mecânico

• 1642 – Blaise Pascal (filho de um cobrador de impostos…)

• Primeiro “e vai um” automático

7

Primeira automatização

• 1801 – Joseph-Marie Jacquard

• Máquina de tecer com cartões perfurados

• Causou motins contra as máquinassubstituirem as pessoas

8

Primeira grande aplicação

• Recenseamento em 1890 nos EstadosUnidos

• Hollerith Tabulating Company

• Deu origem à IBM em1924

9

Primeiras aplicações de dados

• 1959• ERMA• Processamento

automático de dados• Produção automatizada

de cheques• Início do verdadeiro

impacto na sociedade e no mercado de trabalho

10

Funcionamento de um computador

• Um computador processa informação (manipulaçãosimbólica) de acordo com um conjunto de regrasdefinidas pela sua programação

ProcessamentoProcessamentoInformação

de entradaInformação

de entrada

Informação

de saídaInformação

de saída

11

Algoritmo• Qualquer processamento pressupõe um algoritmo

(conjunto de passos elementares para se atingir um dado objectivo).

• O mesmo processamento pode ser implementado poralgoritmos diferentes.

• Exemplo: cálculo do perímetro de um rectângulo:– Algoritmo 1: Somar os lados todos;– Algoritmo 2: Somar um lado com outro diferente e depois

multiplicar a soma por dois.

• Pessoas e computadores podem usar algoritmosdiferentes para resolver o mesmo problema porquetêm capacidades específicas diferentes.

12

Componentes básicosde um computador

ProcessadorProcessadorMemória

de programaMemória

de programa

Interface

com o mundoInterface

com o mundo

Memória

de dadosMemória

de dados

13

Ciclo básico do processador

6. A memória de dados pode ser substituída pela interface com o mundo exterior nos passos 3 ou 5 ou em ambos;

7. Volta ao passo 1 onde irá ler a instrução seguinte na memóriade programa.

A vida de um computador é muito monótona!...

1. Lê uma instrução da memória de programa;

2. Interpreta a instrução (vê queoperação é preciso fazer);

3. Lê operandos da memória de dados;4. Executa a operação;5. Armazena o resultado na memória de

dados;

ProcessadorProcessador

Memória

de programaMemória

de programa

Interface

com o mundoInterface

com o mundo

Memória

de dadosMemória

de dados

14

Os computadores e as Pessoas

Bloco de

notas

Manual de

procedimentos

Cérebro

5 sentidos,

voz,

membros

ProcessadorProcessador

Memória

de programaMemória

de programa

Interface

com o mundoInterface

com o mundo

Memória

de dadosMemória

de dados

15

Arquitectura de um computador

Processador

Unidade

aritmética e

lógica

Unidade de

controlo

Memória de programaMemória de programa

Periféricos

(entradas/saídas)

Memória de dadosMemória de dados

• Arquitectura de Harvard– Memória de Programa separada da Memória de Dados

16

Arquitectura de von Neumann (1946)

• Um sistema de memória único que contém programa e dados

Processador

Unidade

aritmética

e lógica

Unidade

de

controlo

Periféricos

(entradas/saídas)

Memória

(programa + dados)Memória

(programa + dados)

17

Representação de dados• Pessoas:

– seres vivos que funcionam por processos químicos e bioeléctricos, com valores contínuos e lógica difusa;

– Números: 10 dígitos decimais (0 a 9)– Alfabeto: 26 letras (A a Z)

• Computadores: – sistemas electrónicos, com base em tensões eléctricas, com

valores discretos (binários) e lógica booleana;– Números: 2 dígitos binários (0 e 1) (cada dígito binário

designa-se por bit, 8 bits = byte)– Alfabeto: não tem (solução: codificação das letras em

números � códigos ASCII e Unicode)

18

Das pessoas até aos computadores

ProgramadorLinguagem

de programaçãoLinguagem

de programaçãosaldo = saldo + 100;

CompiladorLinguagem

assemblyLinguagem

assemblyADD R1, 100

AssembladorCódigo máquinaCódigo máquina 10011011 01100100

"...depositar 100 euros..."Língua

naturalLíngua

natural

Ideia ou

conceitoIdeia ou

conceitoUtilizador M

anual

Au

tom

ático

Computador

Pessoa

Sistema gestão bancária

19

O ciclo típico de um programa

Compilador

Programa em assembly

Assembler

Código máquina

Linker

Programa executável

Módulo pré-compilado

(biblioteca)

Loader (SO)MemóriaRun (SO)

Processador

Editor

Programa em C

debugger

20

Ciclo de desenvolvimento de um programa para o P3

Programa em assembly

Código máquina

(programa executável)

LoaderMemóriaRunProcessador

Editor

debugger

AssemblerP3AS

P3SIM

21

Estrutura básica de um computador

Mem

óri

aM

emóri

a

Bus de endereços

Bus de dados

Bus de controlo

Per

ifér

ico

1P

erif

éric

o1

Per

ifér

ico

2P

erif

éric

o2

ProcessadorProcessador

Unidade de

controlo

Unidade de

dadosUnidade de

dados

Inte

rfac

e de

mem

óri

a

Inte

rfac

e de

mem

óri

a

22

E o que é um barramento?

• Conjunto de fios que circulam em paralelo (formandoum conjunto solidário).

• Forma simples de representar um conjunto de bits logicamente relacionados.

• Serve para transferir informação em conjuntos de bits.

• Bus ≡ barramento.

Mem

óri

aM

emóri

a

Bus de endereços

Bus de dados

Bus de controlo

Per

ifér

ico

1P

erif

éric

o1

Per

ifér

ico

2P

erif

éric

o2

ProcessadorProcessador

Unidade de controlo

Unidade de

dadosUnidade de

dados

Inte

rfac

e d

e

mem

óri

a

Inte

rfac

e d

e

mem

óri

a

23

Interligação dos módulos

• Todos ligam aos 3 barramentos:– O barramento de dados transfere a informação

– O barramento de endereços especifica:• Qual o módulo de/para onde transferir (memória, periférico 1, …)

• Qual a célula de memória/registo envolvido na transferência

– O barramento de controlo estabelece o protocolo de transferência (quando começa, quando acaba, sentido datransferência, etc)

Mem

óri

aM

emó

ria

Bus de endereços

Bus de dados

Bus de controlo

Per

ifér

ico

1P

erif

éric

o1

Per

ifér

ico

2P

erif

éric

o2

ProcessadorProcessador

Unidade de

controlo

Unidade de

dadosUnidade de

dados

Inte

rfac

e d

e

mem

óri

a

Inte

rfac

e d

e

mem

óri

a

24

Funcionamento básico• O processador é o mestre e comanda tudo.

• A memória e os periféricos são escravos que só “falam”quando o mestre lhes pergunta alguma coisa.

• A execução de um programa envolve essencialmenteas operações seguintes por parte do processador:– Ler da memória as instruções do programa;– Ler da memória os operandos das instruções;– Fazer cálculos e tomar decisões;– Armazenar na memória os resultados das instruções;– Ler dados dos periféricos;– Escrever dados nos periféricos;

… e passa a vida a fazer isto!…

25

Periféricos• Comportam-se como pequenas

memórias cujos bits ligam aomundo exterior.

• Cada endereço designa-se porporto:– Porto de entrada: lê os valores

dos bits do circuito externo;– Porto de saída: o porto memoriza

o valor da última escrita. Os bits dessa palavra ligam ao circuito externo;

– Alguns portos podem ser programados por software paraentrada ou saída (palavra a palavra ou bit a bit).

• Um periférico pode ter vários portos.• Há periféricos mais inteligentes: controlador de disco,

controlador de ethernet, controlador gráfico, …

Mem

óri

aM

emóri

a

Bus de endereços

Bus de dados

Bus de controlo

Per

ifér

ico

1P

erif

éric

o1

Per

ifér

ico

2P

erif

éric

o2

ProcessadorProcessador

Unidade de controlo

Unidade de

dadosUnidade de

dados

Inte

rfac

e d

e

mem

óri

a

Inte

rfac

e d

e

mem

óri

a

26

Barramento de endereços

• Permite endereçar palavrasou bytes individuais:– na memória– nos periféricos

• A sua largura em bits:– indica o espaço de endereçamento

do processador.Exemplos:

• 16 bits � 64K; • 32 bits � 4 G;

– é independente da largura do barramento de dados

• É unidireccional

Mem

óri

aM

emóri

a

Bus de endereços

Bus de dados

Bus de controlo

Per

ifér

ico

1P

erif

éric

o1

Per

ifér

ico

2P

erif

éric

o2

ProcessadorProcessador

Unidade de controlo

Unidade de

dadosUnidade de

dados

Inte

rfac

e d

e

mem

óri

a

Inte

rfac

e d

e

mem

óri

a

1K = 1024 = 210 (10 bits)

1M = 1K * 1K = 220 (20 bits)

1G = 1M * 1K =230 (30 bits)

1T = 1G * 1K = 240 (40 bits)

27

0000H

FFFFH

Esp

aço

de

ender

eçam

ento

(co

m 1

6 b

its)

Espaço de endereçamento• Conjunto de células

individualmenteendereçáveis peloprocessador:

Memória 2

Periférico 3

Periférico 2

Periférico 1

Memória 1

– Não pode haver duas célulasdiferentes no mesmo endereço!

• Nem todos os endereços têm de ter célula válida (leitura semcélula válida dá valor aleatório).

– A memória não tem que ser contígua.

– Cada periférico pode tervárias células

Mem

óri

aM

emóri

a

Bus de endereços

Bus de dados

Bus de controlo

Per

ifér

ico

1P

erif

éric

o1

Per

ifér

ico

2P

erif

éric

o2

ProcessadorProcessador

Unidade de controlo

Unidade de

dadosUnidade de

dados

Inte

rfac

e d

e

mem

óri

a

Inte

rfac

e d

e

mem

óri

a

28

Barramento de dados

• Permite ler e escrever dados:– na memória– nos periféricos

• É bidireccional• A sua largura em bits:

– é igual à largura da palavra do processador– é geralmente uma potência de 2 ≥ 8 (8, 16, 32, 64, …)– define a gama de valores inteiros que é possível guardar

numa só célula• Também serve para ler as instruções da memória• As leituras/escritas só são efectuadas depois de o

barramento de endereços ter o valor correcto.

Mem

óri

aM

emóri

a

Bus de endereços

Bus de dados

Bus de controlo

Per

ifér

ico

1P

erif

éric

o1

Per

ifér

ico

2P

erif

éric

o2

ProcessadorProcessador

Unidade de controlo

Unidade de

dadosUnidade de

dados

Inte

rfac

e d

e

mem

óri

a

Inte

rfac

e d

e

mem

óri

a

29

Barramento de controlo

• Controla o acesso:– à memória– aos periféricos

• Sinais típicos(activos a zero):– Read (/RD)– Write (/WR)

Mem

óri

aM

emóri

a

Bus de endereços

Bus de dados

Bus de controlo

Per

ifér

ico

1P

erif

éric

o1

Per

ifér

ico

2P

erif

éric

o2

ProcessadorProcessador

Unidade de controlo

Unidade de

dadosUnidade de

dados

Inte

rfac

e d

e

mem

óri

a

Inte

rfac

e d

e

mem

óri

a

30

Ciclos de acesso à memória e aos periféricos

• O processador acede àmemória e aos periféricosatravés dos 3 barramentoscom um protocolo bemdefinido.

• Cada ciclo (de leitura ou de escrita) envolveessencialmente:– Colocar endereço no barramento de endereços (para

especificar a célula que quer ler/escrever)– Activar sinais de controlo (/RD, /WR, etc.)– Ler/escrever dado no barramento de dados

Mem

óri

aM

emóri

a

Bus de endereços

Bus de dados

Bus de controlo

Per

ifér

ico

1P

erif

éric

o1

Per

ifér

ico

2P

erif

éric

o2

ProcessadorProcessador

Unidade de controlo

Unidade de

dadosUnidade de

dados

Inte

rfac

e d

e

mem

óri

a

Inte

rfac

e d

e

mem

óri

a

31

Ciclo de leitura

Relógio

Bus de

/RD

/WR

dados

endereços

Bus dedados

endereço

1. Coloca endereço2. Activa /RD3. Memória/periférico

activa bus de dados4. Lê dado5. Desactiva /RD

6. Retira endereço

7. Memória/periférico

desactiva bus de dados

• Este ciclo também éusado para ler instruções.

Mem

óri

aM

emóri

a

Bus de endereços

Bus de dados

Bus de controlo

Per

ifér

ico

1P

erif

éric

o1

Per

ifér

ico

2P

erif

éric

o2

ProcessadorProcessador

Unidade de controlo

Unidade de

dadosUnidade de

dados

Inte

rfac

e d

e

mem

óri

a

Inte

rfac

e d

e

mem

óri

a

32

Ciclo de escrita

1. Coloca endereço2. Activa bus de dados3. Activa /WR4. Desactiva /WR 5. Memória/periférico

memoriza dado6. Retira endereço7. Desactiva bus de dados

Relógio

/RD

/WR

dados

Bus dedados

Bus deendereços endereço

Mem

óri

aM

emóri

a

Bus de endereços

Bus de dados

Bus de controlo

Per

ifér

ico

1P

erif

éric

o1

Per

ifér

ico

2P

erif

éric

o2

ProcessadorProcessador

Unidade de controlo

Unidade de

dadosUnidade de

dados

Inte

rfac

e d

e

mem

óri

a

Inte

rfac

e d

e

mem

óri

a

33

Primeirocomputador

mecânico

• 1822 – Charles Babbage

• Difference

Engine

• Máquina paracalcular tabelas

34

Primeiro computadorelectromecânico

• 1944• Harvard Mark I• Usado no cálculo de

tabelas matemáticas e navegação

• Objectivo semelhante àmáquina de Babbage

• 3 segundos para umamultiplicação de 10 dígitos

35

Primeiro “bug” documentado

• 1945• Testes no Harvard

Mark II• Descobriram que

um relé não faziacontacto devido a uma traça.

• Este bug era real…

Traça em

fita-cola

36

Primeiro computadorelectrónico

• 1946• ENIAC• 18000 válvulas

electrónicas• 30 toneladas• Sala com 30 metros• Cada registo: 60 cm• 1000 vezes mais

rápido que o Mark I (3 ms para umamultiplicação de 10 dígitos)

37

A revolução: o transistor

• 1947• Tecnologia de

semicondutores• Permitiu a

substituição das válvulas

• Menor consumo• Maior integração• Deu um prémio

Nobel

38

Primeiro computadorcomercial

• 1952• UNIVAC• Fez uma

previsãocorrecta dos resultados daeleiçãopresidencialde 1952.

39

Primeiro minicomputador

• 1965• DEC PDP-8• Começo da

era do down-sizing

40

Nova revolução – o primeiromicroprocessador

• 1971• Nascimento da Intel (com

empregados da Motorola e Texas Instruments)

• 4004• Microprocessador 4 bits• 108 KHertz• 2300 transistores• Tecnologia 10 µ

41

Primeiro computador pessoal

• 1975• ALTAIR• Preço: $375• Memória:

256 bytes

• PCs (2005): 256 Mega bytes(2008: 2 GB)

42

Início da indústria do SW

• 1975• Compilador

de Basic parao Altair

• Bill Gates• Desistiu do

curso naUniversidadede Harvard

43

8086

• 1978• Microprocessador 16 bits• 5 MHertz• 29000 transistores• Tecnologia 3 µ• Primeiro microprocessador

“a sério”. Ainda hoje osPentiums são compatíveiscom o 8086.

44

Início da era IBM-PC

• 1981• PC - Personal

Computer, com um 8088• IBM: HW e SW não IBM.

Além disso, publicou osdetalhes (o que acaboupor permitir os “clones”).

• O PC foi declarado o “man of the year” de 1982 pela revista Time Magazine.

45

O PC actual• O site http://www.pctechguide.com contém

informação muito boa e actualizada sobre toda a tecnologia PC. A não perder!

46

A placa mãe (motherboard)(ou mainboard)

47

Placa de vídeo AGP (daughterboard)

48

Arquitectura do PC-AT

RAM

buffer

Slots ISA

Barramento de sistema

80x86Co-processador

matemático

Controlador

de

interrupções

Barramento local

Controlador

de

DMA

Barramento X

buffer

CMOS

RAM

+

RTC

Controlador

de

teclado

TimerPortos

paralelos

e série

ROM

BIOS

49

A evolução dos microprocessadores

1.5 µ134 K1216198280286

1.5 µ275 K3332198880386

0.8 µ1.4 M6632199280486

0.8 µ3.1 M166321996Pentium

0.25 µ7.5 M450321998Pentium II

0.13 µ55 M2200322002Pentium 4

3 µ29 K51619788086

TecnologiaTransistoresMHzBitsAnoMicro

50

VLSI – Very Large Scale Integration

• Fundamental para o hardware de computadores(que têm muitos circuitos).

• Longe vai o tempo do IBM 360 (chips com 4 transistores) e de um famosorelatório que dizia que ostransistores não tinhamfuturo e o que era precisoera miniaturizar as válvulas!

51

Embalagem

• É um dos factores maiscruciais e caros num microprocessador

• Um Pentium podedissipar cerca de 20 W e ter mais de 400 pinos.

• Os sockets têmpassado por muitasgerações.

52

Conclusões• Os computadores substituiram as pessoas nas

tarefas mais repetitivas e de mais baixo nível.• Os computadores não entendem as pessoas

directamente. Têm de ser programados pormeio de um algoritmo, uma linguagem de programação e um compilador.

• O modelo de computador mais usado é o de von Neumann (processador, memória, periféricos).

• A evolução dos computadores tem sido rápida e profunda.