Arquitetura de Computadores Introdução Componentes

Arquitetura de Computadores

Introdução

• Componentes:

• Processador;
• UC;
• Registradores;
• ALU’s, FPU’s, etc.
• Memória (Sistema de armazenamento de informações;
• Dispositivo de entrada e saída.

Introdução

• Representação de informações

• Bit / Byte;
• Sistemas de numeração:
• binário;
• decimal;
• octal;
• hexadecimal.

Bases de Numeração

• Decimal - dez algarismos utilizados para a representação (0 a 9);

• Binária - Algarismos ‘0’ e ‘1’;

• Octal - Algarismos ‘0’ a ‘7’;

• Hexadecimal - Algarismos ‘0’a ‘9’ e letras de ‘A’ a ‘E’.

Conversão de bases

• Conversão base B para a base 10:

• Identificar:

• A base origem do número (b);
• O número de algarismos do número (n);

• A contagem dos algarismos deve ser da direita para a esquerda, de ‘0’ até ‘n-1’.

Conversão de bases

• Exemplo: Conversão de (10110101)2

• b = 2, n = 8

• 1 0 1 1 0 1 0 1

• (1x27) + (0x26) + (1x25) + (1x24) + (0x23) + (1x22) + (0x21) + (1x20) =

• 128 + 0 + 32 + 16 + 0 + 4 + 0 + 1 = (181)10

Conversão de bases

• Conversão da base 10 para uma base B

• Dividir o número decimal pela base desejada e colocar o resto como o algarismo mais à direita
• Enquanto o dividendo for maior do que o divisor:
• dividir o dividendo pelo divisor (= base desejada)
• Extrair o resto da divisão, colocando-o à esquerda dos algarismos já inseridos
• Colocar o dividendo (agora menor do que o divisor) como algarismo mais à esquerda.

Conversão de bases

• Exemplo: Converter (13)10 para a base binária

• 13 /2 = 6 (novo dividendo), resto 1

• Resultado parcial: 1

• 6/2 = 3 (novo dividendo), resto 0

• Resultado parcial: 01

• 3/2 = 1 (novo dividendo), resto 1

• Resultado parcial:101

• Como o último dividendo(1) é menor do que o divisor (2), ele é simplesmente colocado à esquerda do resultado parcial  1101

Aritmética Binária

• Soma

• 0 + 0 = 0
• 0 + 1 = 1 + 0 = 1
• 1 + 1 = 0 ( vai 1)

• Subtração

• 0 - 0 = 1 - 1 = 0
• 1 - 0 = 1
• 0 - 1 = 1 ( pede emprestado o primeiro 1 à esq.)

Aritmética Octal

• Semelhante à binária. O “vai 1” ocorre quando a soma for maior ou igual a 8.

• Quando é necessário “pedir emprestado”, o valor que vem é igual a 8.

• Exemplos

• 3657 7312

• + 1741 - 3465

• 5620 3625

Aritmética Hexadecimal

• Semelhante à binária. O “vai 1” ocorre quando a soma for maior ou igual a 16.

• Quando é necessário “pedir emprestado”, o valor que vem é igual a 16.

• Exemplos:

• A012 A125
• + 9201 - 9484
• 13213 CA1

Lógica Digital

• Porta - Elemento de hardware que recebe um ou mais sinais de entrada e, de acordo com a operação definida, produz uma saída.

• Porta lógica - Porta(hardware) que recebe valores de entrada, e realiza uma operação lógica sobre eles, produzindo uma saída.

• Operação lógica - produz um resultado que pode assumir dois valores. (0 ou 1, V ou F).

Lógica Digital

• Tabela Verdade:Conjunto de resultados da operação lógica para todas as combinações possíveis de entrada.

• Cada operação lógica possui um símbolo matemático que a representa, assim como uma porta lógica, que também possui um símbolo gráfico para representa-la.

Álgebra Booleana

• Circuitos combinatórios - Conjunto de portas lógicas cuja saída a qualquer instante é uma função exclusiva das entradas

• Circuitos seqüenciais - Possuem, além das portas lógicas, elementos de armazenamento temporário de informações.

Circuitos Combinatórios

• Decodificador

• É um circuito combinatório com n linhas de entrada e 2n linhas de saída, onde cada combinação de entradas irá gerar uma única saída ativa.
• Este circuito é utilizado na decodificação de instruções e endereços.

Circuitos seqüenciais

• Flip-flops

• Compõem os circuitos seqüenciais que, além das operações realizadas nas portas lógicas, podem reter informações por algum tempo.
• Representam o elemento básico de armazenamento de informações.

Circuitos Seqüenciais

• Flip-flop SR

• Controle do estado:
• Quando ambas as entradas forem ‘0’  permanece no estado atual;
• Se ‘S’ passar para o estado ‘1’ e ‘R’ continuar em ‘0’  o flip-flop passa para o estado ‘1’;
• Se ‘R’ passar para o estado ‘1’ e ‘S’ continuar em ‘0’  o flip-flop passa para o estado ‘0’;
• Se ambos estiverem em ‘1’ o flip-flop fica instável.

Memória

• Subsistema responsável pelo armazenamento de informações (dados e instruções)

• Nas memórias, existem duas operações possíveis: leitura (read) ou escrita (write)

• Organização de forma hierárquica com o objetivo de obter uma relação custo/benefício adequada.

Memória

• Parâmetros de classificação:

• Tempo de acesso: tempo em que uma informação requerida se torna disponível;
• Ciclo de memória: tempo decorrido entre dois acessos consecutivos;
• Capacidade de armazenamento: quantidade de informações que podem ser armazenadas;
• Volatilidade: Perda das informações na ausência de energia elétrica;

Memória

• Parâmetros de classificação (cont.):

• Tecnologia de fabricação: meios magnéticos (HD’s, disquetes), meios semi-condutores (RAM, cache) e meios óticos (CD);
• Temporariedade;
• Custo.

Hierarquia de Memória

• Registradores:

• Dispositivos de armazenamento localizados no próprio processador;
• O processador trabalha buscando instruções e dados na memória principal (RAM) e as colocando em registradores;
• Enquanto estiverem sendo usados, os dados e instruções permanecem nos registradores.

Hierarquia de Memória

• Registradores:

• Tempo de acesso reduzido, pouco espaço de armazenamento e alto custo;
• Dispositivos voláteis;
• São divididos em registradores de propósito geral e específicos

Hierarquia de Memória

• Memória cache:

• Meio intermediário de armazenamento entre o processador e a memória RAM;
• Tempo de acesso bem mais curto do que o da RAM;
• Seu objetivo é minimizar os efeitos da diferença de velocidade entre o processador e a memória principal.

Hierarquia de Memória

• Memória Cache:

• Toda busca de instruções e dados é feita inicialmente na cache;
• Dispositivo de armazenamento volátil com capacidade de armazenamento superior à dos registradores.

Hierarquia de Memória

• Memória RAM:

• Máquina de Von Neuman;
• Meio para o qual os dados de instruções de um programa devem ser carregados antes da sua execução;
• São mais lentas do que as caches, porém bem maiores e mais baratas.

Hierarquia de Memória

• Memória secundária:

• Grande capacidade de armazenamento;
• Exemplos: HD’s, disquetes, CD’s, fitas, etc;
• Dispositivos não voláteis, utilizados para o armazenamento de informações em caráter permanente.

Memória Principal

• Todos os programas a serem executados pela CPU devem ser carregados para a MP.

• Palavra - unidade de informação que deve representar um dado ou instrução.

• Célula - grupo de bits identificados por um endereço.

Memória Principal

• Unidade de transferência - quantidade de bits transferidos entre MP e CPU.

• Organização: N células endereçadas de 0 a (N-1) seqüencialmente, cada uma contendo M bits.

• Duas operações possíveis: leitura (read) ou escrita (write).

Memória Principal

• Quantidade de bits por célula - definida pelo fabricante.

• Em uma célula com M bits podemos armazenar 2M combinações diferentes.

• Padrão adotado pela maioria dos fabricantes é de células de 8 bits (1 byte)

• Quantidade de bits do endereço indica a quantidade de células endereçáveis.

• Endereço X Conteúdo de células

Memória Principal

• As operações realizadas na MP envolvem os seguintes elementos:

• Barramento de dados;
• Barramento de endereços;
• Barramento de controle;
• RDM (Registrador de Dados da Memória);
• REM (Registrador de Endereços da Memória).

Memória Principal - Leitura

• Passos:

• 1) Preencher o REM;

• 2) Sinal de leitura no barramento de controle;

• 3) RDM  MP(REM)

Memória Principal - Escrita

• Passos:

• 1) Preencher o RDM;

• 2) Preencher o REM;

• 3) Sinal de escrita no barramento de controle;

• 4) MP(REM)  RDM

Memória Principal - Medidas

• 1K  210 (1024);

• 1M  220 (1.048.576);

• 1G  230 (1.073.741.824);

• 1T  240 (1.099.511.627.776);

• Normalmente se mede a capacidade da memória através do seu número de células (bytes),

Memória Principal

• Tecnologias:

• DRAM (Dynamic Random Access Memory);
• ROM (Read Only Memory);
• PROM (Programmable ROM);
• EPROM (Erasable PROM) - apagável através de luz ultra-violeta;
• EEPROM (Eletrically EPROM) - pode ser apagada pela CPU.

Memória Cache

• Motivação: grande diferença de velocidade entre CPU e MP (Gargalo de Von Neuman).

• Conceito de localidade:

• Localidade Temporal;
• Localidade Espacial.

Memória Cache

• Funcionamento da Cache

• Processador, sempre que precisa buscar uma nova instrução, tentaa antes na cache.
• Quando a informação desejada está na cache, ocorre um hit (acerto).
• Quando a informação não está na cache, ocorre um miss (falta).

Memória Cache

• Para que a cache seja produtiva e vantajosa, é necessário que haja mais acertos do que faltas.

• Elementos a serem considerados no projeto de cache:

• Tamanho;
• Mapeamento de dados;
• Políticas de substituição de blocos;
• Política de escrita da cache para a Memória Principal.

Memória Cache

• Fatores que influenciam o tamanho da cache:

• Tamanho da M;
• Relação entre acertos e faltas;
• Tempo de acesso da MP;
• Custo;
• Tempo de acesso da cache;
• Natureza do programa em execução (localidade).

Memória Cache

• Mapeamento de Dados MP/Cache - MP dividida em blocos (B) e Cache em quadros (Q), onde Q << B.

• Três tipos:

• Mapeamento direto;
• Mapeamento (completamente) associativo;
• Mapeamento associativo por grupos (ou conjuntos).

Memória Cache

• Mapeamento direto

• Cada bloco da MP só pode ser colocado em um único quadro da cache.
• A definição do quadro da cache onde um bloco da MP será copiado é baseada no seguinte cálculo:
• N = E mod Q
• onde N = número do quadro na cache, E = endereço na MP e Q = quantidade de quadros na cache

Memória Cache

• Mapeamento direto (cont.) divisão dos bits do endereço de MP:

• 6 bits menos significativos: byte de dados desejado pela CPU
• 10 bits do meio: endereço do quadro da cache.
• 16 bits mais significativos: indica qual dos blocos alocados a um determinado quadro está sendo referenciado.

Memória Cache

• Mapeamento direto - passos de uma operação de leitura:

• CPU apresenta o endereço de leitura;
• Exame dos 10 bits centrais para verificar o quadro da cache a ser usado;
• Comparação do tag (neste exemplo, é igual);
• Acesso ao byte definido pelos 6 bits menos significativos;
• Se o tag não fosse igual, significaria uma falta ou miss de cache.

Memória Cache

• Mapeamento (totalmente) associativo:

• Neste tipo de mapeamento, os blocos da MP podem se colocados em qualquer quadro da cache.
• Divisão do endereço:
• 6 bits menos significativos: byte desejado pela CPU;
• 26 bits mais significativos: endereço do bloco desejado.

Memória Cache

• Mapeamento (totalmente) associativo (cont.):

• Sempre que houver acesso à memória, o controlador varre todos os quadros da cache em busca do endereço desejado.
• Se o endereço não for encontrado (miss), o bloco é trazido da MP para a cache e o algoritmo de substituição de blocos irá decidir qual dos quadros terá seu conteúdo substituído.

Memória Cache

• Mapeamento associativo por conjuntos:

• É uma técnica que procura resolver os problemas das duas técnicas anteriores.
• A cache é organizada em conjuntos e dentro destes os quadros são completamente associativos

Memória Cache

• Mapeamento associativo por conjuntos (cont.):

• A memória cache é dividida em C conjuntos com D quadros
• Desta forma:
• Q = C x D;
• K = E mod C;
• onde k é o número do quadro no conjunto e E o endereço gerado pela CPU

Memória Cache

• Mapeamento associativo por conjuntos:

• Divisão do endereço
• 6 bits menos significativos indicam o byte desejado;
• 9 bits centrais indicam o número do conjunto que vai ser pesquisado;
• 17 bits mais significativos indicam o tag de comparação

Memória Cache

• Mapeamento associativo por conjuntos:

• Passos da busca:
• 1) Controladora da cache usa os bits centrais para descobrir qual conjunto será acessado;
• 2) Comparação do tag com todos os quadros do conjunto em questão;
• 3) Acesso ao byte desejado.

Memória Cache

• Algoritmos de substituição de dados na cache:

• LRU (Least Recenlty Used): o bloco a ser substituído é aquele que está há mais tempo sem ser usado;
• FIFO (First In First Out): Os blocos são substituídos com base na ordem em que chegaram na cache;
• LFU (Least Frequently Used): o bloco a ser substituído é aquele que foi usado com menos freqüência;
• Escolha aleatória.

Memória Cache

• Políticas de escrita:

• Write through: escrita simultânea na cache e na MP;
• Write back: a escrita só e feita no momento em que um bloco for substituído e, mesmo assim, somente se ele sofreu alteração;
• Write once: usado apenas em sistemas com multiprocessamento.

CPU

• Funções:

• Processamento;
• Controle

• Componentes:

• UC (Unidade de Controle);
• Registradores;
• ALU’s, FPU’s etc.

CPU

• Ciclo de instrução:

• Busca instrução;
• Decodifica a instrução;
• Busca operandos;
• Executa a instrução;
• Escreve os resultados;
• Retorna ao primeiro passo.

CPU - Processamento

• Execução propriamente dita das instruções

• Esta função envolve a UAL, FPU’s e registradores;

• Exemplos:

• Operações aritméticas;
• Operações lógicas;
• Movimentação de dados;
• Desvios (branch);
• Entrada / Saída.

CPU - Processamento

• Registradores: elementos de armazenamento das informações usadas pelas instruções. Podem ser:

• Propósito geral;
• Propósito específico.

CPU - Processamento

• Implicações do tamanho da palavra:

• Tempo de processamento em ciclos de relógio;
• Desempenho em relação aos barramentos internos e externos da CPU;
• Tamanho (largura) dos registradores.

CPU - Controle

• As atividades de controle da CPU compreendem:

• Busca e decodificação das instruções a serem executadas;
• Geração de sinais de controle que irão ativar os diversos componentes internos e externos da CPU.

CPU - Controle

• Dispositivos envolvidos nas atividades de controle:

• UC: unidade de controle;
• RI (ou IR) - Registrador de instruções (Instruction Register);
• CI (ou PC) - Contador de instruções (Program Counter)
• Clock (Relógio);
• RDM (Registador de dados da memória);
• REM (Registrador de endereços de memória).

CPU - Controle

• UC - movimentação de dados e controle da ALU (ou UAL);

• Clock - gerador de pulsos que sincronizam os trabalhos da CPU. Freqüência medida em MHZ;

• RI - armazena a instrução que está sendo executada;

• PC - armazena o endereço da próxima instrução a ser buscada.

CPU - Controle

• Decodificador de instruções - descobre qual a instrução que será executada pela CPU;

• RDM - armazena o dado que vai para memória ou que acabou de chegar da memória.

• REM - Armazena temporariamente o endereço de um acesso à memória (leitura ou escrita).

CPU

• Instrução de máquina - é uma operação básica que o processador consegue interpretar e executar.

• (ISA - Instruction Set Architecture) - conjunto de instruções que um processador é capaz de executar.

• CISC - Complex Instruction Set Computer.

• RISC - Reduced Instruction Set Computer.

CPU

• Formato de instruções:

• Código de operação (opcode) - é o identificador da instrução a ser executada;
• Operandos - dados que serão manipulados pela instrução.

• Dentro de um ISA podem existir vários formatos de instrução.

CPU

• Linguagem Assembly - conjunto de símbolos que representam as instruções de máquina de forma mais amigável para o ser humano.

• Assembler - é quem faz a tradução do código Assembly para a linguagem de máquina.

CPU

• Pipeline:

• Divisão das instruções em pedaços que são executados separadamente;
• Cada estágio de um pipeline executa uma parte de cada instrução;
• Possibilidade de execução de várias instruções simultaneamente, em estágios diferentes.

Entrada / Saída

• Subsistema do computador responsável pelo fornecimento de informações e exibição dos resultados produzidos.

• Os componentes do sistema de E/S são chamados de periféricos por se localizarem fora do núcleo CPU/MP

• O processador deve se comunicar com periféricos que possuem diferentes velocidades e formas de representar e transmitir seus dados.

Entrada / Saída

• É necessário que exista um componente intermediário entre o processador e cada um dos periféricos.

• As controladoras de periféricos realizam o papel da comunicação entre os periféricos e o núcleo CPU / MP.

Entrada / Saída

• Existem duas formas de comunicação entre a CPU / MP e os periféricos:

• Transmissão serial: Os dados são transmitidos um bit de cada vez (Ex: Teclado e Mouse).
• Transmissão paralela: Os dados são transmitidos em grupos de bits (Ex: HD’s e Vídeo)

Entrada / Saída

• Principais dispositivos de E/S:

• Teclado;
• Mouse;
• Monitor de Vídeo;
• Impressora;
• HD’s, disquetes, CD’s e Fitas Magnéticas;
• Scanners;
• MODEM’s
• Etc.

Entrada / Saída

• Interrupções: Sempre que uma operação de E/S é solicitada pelo processador, a controladora respectiva a executa e, ao final, realiza uma interrupção para informar o término da mesma.

• DMA (Direct Memory Access): Técnica que minimiza a participação do processador em operações de E/S, permitindo que as controladoras acessem a memória diretamente.