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1PUCC Organização e Arquitetura de Computadores 2PUCC Agenda - Aula 01 • Computador • Programas • Elementos básicos da máquina • Máquina multinível • Evolução dos computadores 3PUCC 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. 4PUCC Computador Digital Vídeo Memória Programas + Dados E/S Buffers Teclado CPU Execução das instruções de um programa CPU Execução das instruções de um programa 5PUCC Computador Digital Vídeo Memória Programas + Dados E/S Buffers Reg. ALU PCIR ACAC MARMAR MBRMBR oUnid. processamento oUnid. controle Teclado 6PUCC 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. 7PUCC Programa Solução Computador Programa Problema Qual a linguagem que o computador entende? 8PUCC 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. 9PUCC 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 10PUCC Programa Faça isto e aquilo 0100111 0101101 Máquina linguagem não executável programa fonte linguagem executável programa objeto Compilação Execução dados entrada saída 11PUCC Programa Faça isto e aquilo Máquina Compilação Interpretação 0100111 0101101 • 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. 12PUCC Programa 0100111 0101101 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. 13PUCC Elementos Básicos da Máquina • Memória • Unidade aritmética e lógica • Unidade de controle • Barramento • Dispositivos de entrada e saída 14PUCC Elementos Básicos da Máquina 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 Memória Aritmética e Lógica Dispositivos Controle Canais de Comunicação Elementos Básicos da Máquina 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). 16PUCC 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 00000000101000010000000000011000 00000000100011100001100000100001 10001100011000100000000000000000 10001100111100100000000000000100 10101100111100100000000000000000 Código Executável 17PUCC Máquina Multinível • 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. 18PUCC Máquina Multinível 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) 19PUCC Máquina Multinível lógica digital microprogramação máquina convencional sistema operacional linguagem de montagem linguagem orientada a problemas dispositivos • Formado pelos transistores individuais • Tensão, corrente, circuitos, etc. 20PUCC Máquina Multinível lógica digital microprogramação máquina convencional sistema operacional linguagem de montagem linguagem orientada a problemas dispositivos • Portas lógicas e CI. • Implementam a manipulação de sinais executando funções lógicas básicas: AND, OR, NOT, deslocamento de bits, etc. soma vai um 21PUCC Máquina Multinível lógica digital microprogramação máquina convencional sistema operacional linguagem de montagem linguagem orientada a problemas 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. 22PUCC Máquina Multinível lógica digital microprogramação máquina convencional sistema operacional linguagem de montagem linguagem orientada a problemas dispositivos • Comandos para executar funções específicas da máquina: formato de instruções endereçamento, interrupções, dependente da arquitetura utilizada. MOV 0 ACC; ADD 03FC; 23PUCC Máquina Multinível lógica digital microprogramação máquina convencional sistema operacional linguagem de montagem linguagem orientada a problemas dispositivos Comandos para executar funções específicas da máquina: • Gerenciamento de tarefas, • Sistema de arquivos, • Memória virtual e paginação. 24PUCC Máquina Multinível lógica digital microprogramação máquina convencional sistema operacional linguagem de montagem linguagem orientada a problemas 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. 25PUCC Máquina Multinível lógica digital microprogramação máquina convencional sistema operacional linguagem de montagem linguagem orientada a problemas dispositivos C, C++, Pascal, Cobol Aux:= 0; do print(Aux); Aux:= Aux + 1; while Aux <= 10; 26PUCC 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 Evolução dos Computadores • PRIMEIRA GERAÇÃO - Anos 40 – Válvulas com processadores • Caras, lentas, queimavam com facilidade – ENIAC, UNIVAC – 2 níveis: • nível convencional • nível de lógica digital – Exemplos: • 1946 - Eckert/Mauchkley - Eniac 1 – A História do computador moderno começa aqui! 28PUCC Evolução dos Computadores • SEGUNDA GERAÇÃO - Anos 50 – Transistores • menores, mais baratos, rápidos, duráveis – 3 níveis: • nível de montadores (assembly) • nível de máquina convencional • nível de lógica digital – Exemplo: • 1952 - Von Neumann - IAS – Modelo da maioria das máquinas atuais. 29PUCC Evolução dos Computadores • 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. 30PUCC Evolução dos Computadores • 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. 31PUCC Evolução dos Computadores • QUINTA GERAÇÃO - Anos 80 – Máquinas RISCs • Crise do Software • Linguagem C – 4 níveis: • nível de montadores/compiladores • nível de sistema operacional • nível de máquina convencional • nível de lógica digital – Exemplos: RISC, MIPS, Sparc. 32PUCC Evolução dos Computadores • 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 33PUCC Evolução dos Computadores • ... Anos 90 – Arquiteturas Superescalares – Arquiteturas VLIW ou EPIC (Explicit Parallel Instruction Coding, ex: Merced IA64 da Intel) – Arquiteturas Superpipeline – 3 níveis • nível de sistema operacional • nível de máquina convencional • nível de lógica digital – Exemplos: • Pentium, Alpha, Power.
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