Organização e Arquitetura de Computadores

1PUCC

Organização e Arquitetura de Computadores

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Agenda - Aula 01

• Computador

• Programas

• Elementos básicos da máquina

• Máquina multinível

• Evolução dos computadores

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Computador Digital

• Máquina capaz de resolver problemas através da execução de instruções que lhe são passadas.

• Os circuitos eletrônicos do computador executam um conjunto limitado de instruções simples: adição, subtração, deslocamento, OR, AND.

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Computador Digital

Vídeo

MemóriaProgramas

+Dados

E/S

Buffers

TecladoCPU

Execução dasinstruções de um

programa

CPU

Execução dasinstruções de um

programa

5PUCC

Computador Digital

Vídeo

MemóriaProgramas

+Dados

E/S

Buffers

Reg.

ALU

PCIR

ACAC

MARMAR

MBRMBR

Unid. processamento

Unid. controle

Teclado

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Programa

• Seqüência de instruções que mostra como executar uma determinada tarefa. Pode ser escrita em uma linguagem específica. Por exemplo:

- Some dois números.- Imprima “positivo” se o resultado for > 0.- Imprima “negativo” se o resultado for < 0.

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Programa

Solução

Computador

Programa

Problema

Qual a linguagem que o computador entende?

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Programa

• Cada instrução deve ser executada pela máquina na qual o programa está instalado.

• Apenas algumas linguagens contém instruções que podem ser diretamente executadas.

• Computador executa um conjunto limitado de instruções simples: adição, subtração, deslocamento, OR, AND. Os programas são convertidos nestas instruções antes de serem executados.

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Programa

• Os programas cujas instruções não podem ser diretamente executadas devem ser compilados ou interpretados para a linguagem que permita a execução direta de suas instruções.

Tradução e Execução

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Programa

Faça isto e aquilo

01001110101101

Máquina

linguagem não executávelprograma fonte

linguagem executávelprograma objeto

CompilaçãoExecução

dados entrada saída

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Programa

Faça isto e aquilo

Máquina

Compilação

Interpretação

01001110101101

• O processo de compilação traduz todo o programa fonte para um programa objeto.

• A interpretação traduz comando a comando do programa fonte, que são executados à medida que são traduzidos.

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Programa

01001110101101

Máquina

dados entrada saída

O processo de execução de um programa envolve:

• Executar cada instrução do programa objeto.

• Obter os dados necessários para a computação.

• Produzir as saídas resultantes da computação.

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Elementos Básicos da Máquina

• Memória

• Unidade aritmética e lógica

• Unidade de controle

• Barramento

• Dispositivos de entrada e saída

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O sistema no qual o programa será executado deve ser capaz de:

• Armazenar o programa e os dados utilizados na computação.

• Localizar cada instrução e identificar a ação que deve ser realizada.

• Executar a ação, possivelmente obtendo, transformando e armazenando dados.

• Comunicar-se com outros dispositivos (entrada e saída).

15PUCC

MemóriaAritmética e

Lógica

Dispositivos

ControleCanais de

Comunicação


O sistema no qual o programa será executado deve ser capaz de:

• Armazenar o programa e os dados utilizados na computação.

• Localizar cada instrução e identificar a ação que deve ser realizada.

• Executar a ação, possivelmente obtendo, transformando e armazenando dados.

• Comunicar-se com outros dispositivos (entrada e saída).

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Máquina Multinível

Swap (int v[], int k){int temp: temp = v[k]; v[k] = v[k+1]; v[k+1] = temp;}

Linguagem C

swap: muli $2, $5, 4 add $2, $4, $2 lw $15, 0($2) lw $16, 4($2) sw $16, 0($2) sw $15, 4($2) jr $31

Linguagem Assembly

0000000010100001000000000001100000000000100011100001100000100001100011000110001000000000000000001000110011110010000000000000010010101100111100100000000000000000

Código Executável

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• Uma máquina pode ser vista como tendo vários níveis, cada um capaz de executar um conjunto de instruções específicas. Isto é, cada nível possui linguagens apropriadas para descrever as instruções que nele podem ser executadas.

MÁQUINA VIRTUAL

• A maioria dos computadores possui dois ou mais níveis. Descreveremos a organização de uma máquina de seis níveis.

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lógica digital

microprogramação

máquina convencional

sistema operacional

linguagem de montagem

linguagem orientada a problemasNível 5:

Nível 0:

Nível 1:

Nível 2:

Nível 3:

Nível 4:

dispositivos

Executados Diretos pelo Hardware

Interpretação (Microprograma)

Tradução (Compilador)

Tradução (Montador)

Interpretação Parcial (SO)

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lógica digital

microprogramação


sistema operacional


linguagem orientada a problemas

dispositivos

• Formado pelos transistores individuais

• Tensão, corrente, circuitos, etc.

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lógica digital

microprogramação


sistema operacional



dispositivos

• Portas lógicas e CI.

• Implementam a manipulação de sinais executando funções lógicas básicas: AND, OR, NOT, deslocamento de bits, etc.

soma

vai um

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lógica digital

microprogramação


sistema operacional



dispositivos

• Microinstruções constituem de microprogramas que controlam a entrada e saída de sinais para os vários dispositivos e controlam as várias portas lógicas.

• Instruções binárias.

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lógica digital

microprogramação


sistema operacional



dispositivos

• Comandos para executar funções específicas da máquina: formato de instruções endereçamento, interrupções, dependente da arquitetura utilizada.

MOV 0 ACC;ADD 03FC;

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lógica digital

microprogramação


sistema operacional



dispositivos

Comandos para executar funções específicas da máquina:• Gerenciamento de tarefas,• Sistema de arquivos,• Memória virtual e paginação.

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lógica digital

microprogramação


sistema operacional



dispositivos

Assembler

MOV 0 ACC;

MOV 0 R1;

...

GTO A R1

Cada comando corresponde exatamente a uma instrução a ser executada.

Utiliza-se mnemônicos e endereços simbólicos.

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lógica digital

microprogramação


sistema operacional



dispositivos

C, C++, Pascal, Cobol

Aux:= 0;

do

print(Aux);

Aux:= Aux + 1;

while Aux <= 10;

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Evolução dos Computadores

• GERAÇÃO ZERO - 1836 - Anos 30

– Máquinas mecânicas ou baseadas em relés

• dificuldade de construção

• pouca exatidão

– 1 nível:

• nível de lógica digital

– Exemplos:

• 1936 - Zuze - Z1

– Primeira máquina calculadora a relés

• 1943 - Governo Britânico - Colossus

– Primeiro computador eletromecânico

27PUCC


• PRIMEIRA GERAÇÃO - Anos 40

– Válvulas com processadores

• Caras, lentas, queimavam com facilidade

– ENIAC, UNIVAC

– 2 níveis:

• nível convencional


– Exemplos:

• 1946 - Eckert/Mauchkley - Eniac 1

– A História do computador moderno começa aqui!

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• SEGUNDA GERAÇÃO - Anos 50

– Transistores

• menores, mais baratos, rápidos, duráveis

– 3 níveis:

• nível de montadores (assembly)

• nível de máquina convencional


– Exemplo:

• 1952 - Von Neumann - IAS

– Modelo da maioria das máquinas atuais.

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• TERCEIRA GERAÇÃO - Anos 60– Circuitos Integrados (CI`s)– 4 níveis:

• nível de montadores/compiladores• nível de sistema operacional• nível de máquina convencional• nível de lógica digital

– Exemplos:• 1960 - DEC - PDP 11

– Primeiro minicomputador (50 unidades vendidas)• 1964 - IBM - 360

– Primeira linha de produtos projetada como uma família.

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• QUARTA GERAÇÃO - Anos 70– Microprocessadores/ Mem. semicondutora

• VLSI Very Large Scale Integration– 5 níveis:

• nível de montadores/compiladores• nível de sistema operacional• nível de máquina convencional• nível de microprogramação• nível de lógica digital

– Exemplos:• 1974 - Intel - 8080

– Primeira CPU de uso geral em um chip.

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• QUINTA GERAÇÃO - Anos 80

– Máquinas RISCs

• Crise do Software

• Linguagem C

– 4 níveis:

• nível de montadores/compiladores

• nível de sistema operacional



– Exemplos: RISC, MIPS, Sparc.

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• Crise do Software

– Diminuição do preço de hardware

• Aumento do preço relativo do software

– Dificuldades em achar programadores

• Aumento do preço absoluto do software

– Aumento da complexidade dos sistemas

• Impulsionou linguagens de alto nível

• Gap semântico

• Melhoria da tecnologia dos compiladores

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• ... Anos 90

– Arquiteturas Superescalares

– Arquiteturas VLIW ou EPIC (Explicit ParallelInstruction Coding, ex: Merced IA64 da Intel)

– Arquiteturas Superpipeline

– 3 níveis

• nível de sistema operacional



– Exemplos:

• Pentium, Alpha, Power.

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