6 - Arquitetura de Computadores

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Organização de Computadores
Visão Geral da Arquitetura Básica de computador
Prof. Dr. Remy Eskinazi
remy.eskinazi@gmail.com
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Conceitos de Arquitetura de Computadores
Arquitetura Básica de Computador
Objetivos:
Conhecer os módulos básicos da arquitetura de computador;
Reconhecer e diferenciar arquiteturas Von Neuman e Havard (RISC e CISC);
Introduzir Arquitetura básica de PC
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Arquitetura Básica de Microcomputador de Von Neumann
Microprocessador
(CPU)
Memória
Dados (RAM)
I/O
Bus de Endereços
Bus Controle
Bus de Dados
Programa (ROM)
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Arquitetura Básica de Microcomputador (Havard)
CPU
Dados
Bus de Códigos
Bus de Dados
Programa
Bus de Endereços
Bus de Endereços
 
	RISC – Reduced Instruction Set Computer
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Características Gerais das Arquiteturas Von Neumann e Havard
Arquitetura Von Neumann
Mesmo espaço de memória para dados e código;
Gargalo operacional
CISC – Complex Instruction Set Computer.
Arquitetura Havard
Espaços de memória separados;
Melhor taxa de uso de barramentos;
RISC – Reduced Instruction Set Computer.
CPU
Memory
(Program
& Data)
Memory
(Data)
CPU
Memory
(Program)
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Prof. Remy Eskinazi
 Bit: (Binary Digit - 0 ou 1) - Menor informação digital possível;
 Byte: Um termo especial, usado para designar palavra de oito bits. Um byte sempre é constituído de oito bits, sendo este tamanho da palavra da maioria dos sistemas microcontrolados atuais.
 Registradores: conjunto de flip-flops para Armazenamento temporário de dados- 8 bits, 16 bits, 32 bits, etc;
Conceitos Básicos: 
Prof. Remy Eskinazi
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Conceitos Básicos:
Hardware: 
Microprocessadores, Componentes físicos
Software:
Instrução: Comando específico de um microprocessador (movimentação de dados, operações aritméticas e lógicas, etc.);
Programa: Seqüência lógica de instruções que podem ser reconhecidas pelo microprocessador, que quando executadas em uma ordem correta, resulta na finalização de uma função ou algoritmo
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Prof. Remy Eskinazi
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Conceitos Básicos:
Tipos de instruções (comandos) encontradas nos microprocessadores:
Movimentação de dados;
Aritméticas;
Lógicas;
Saltos e desvios no programa;
Controle interno
Exemplo de formação das instruções (Palavras de código CISC):
D7
D6	
D5
D4
D3
D2
D1
D0
Instrução de 1 byte:
(código operacional)
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
Instrução de 2 bytes:
(código operacional)
(segundo byte)
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
Instrução de 3 bytes:
(código operacional)
(segundo byte)
(terceiro byte)
Prof. Remy Eskinazi
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Exemplo de formação das Instruções (RISC)
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Operação Básica
 	O programa é armazenado em memória.
 	Para executar um programa uma instrução em 	particular deve ser lida da memória de programa na 	sua seqüência correta e ser executada;
 Seqüência detalhada:
 Busca da instrução (leitura da memória)
 Decodificação da instrução
 Obter os operandos
 Executa a operação
 Salva resultados
Obtém 
a proxima 
instrução
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Operação Básica Pipeline
 	Todas as ações são agrupadas e cada instrução ocupa um estágio (ação)
 Busca da instrução (leitura da memória)
 Decodificação da instrução
 Obter os operandos
 Executa a operação
 Salva resultados
Pipeline
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Características CISC X RISC
RISC (Reduced Instruction Set Computer)
Instruções simples de apenas 1 ciclo
Referencias a memória só com LOAD/STORE
Uso intensivo de Pipeline
Instruções Executadas por Hardware
Instruções de formato Fixo
Poucas instruções com poucos modos de endereçamento
A complexidade está no compilador
Vários conjuntos de registradores
CISC (Complex Instruction Set Computer)
Instruções complexas com vários ciclos
Qualquer instrução pode referenciar à memória
Pouco uso de pipeline
Instruções interpretadas por microprograma
Instruções com formato variável
Muitas instruções com muitos modos de endereçamento
A complexidade está no microprograma
Um único conjunto de registradores
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Arquitetura mais detalhada - CISC
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Arquitetura mais detalhada - CISC
Unidade Central de Processamento – CPU
(Central Processing Unity – CPU)
Dispositivo Central do computador. 
Função:  executar os programas armazenados na memória principal. O processador busca cada instrução na memória, decodifica e executa uma após outra. 
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Registradores
Registrador de carga paralela
Q 
S 
R 
Clk 
D 
(Data)
Q 
Latch SR
Latch SR em bloco
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Arquitetura mais detalhada - CISC
CPU - Componentes fundamentais
Unidade de Controle
Unidade Aritmética e Lógica
Registros (Registradores)
Sistemas de Comunicação (Barramentos)
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Arquitetura mais detalhada - CISC
Unidade de Controle
(Decodificador de Instruções)
ULA
R1
R2
R3
Registrador de Instruções
Contador de Programa
E1
E2
E3
E4
E5
R1  (E4)
R2  (E5)
R3  (R1)+(R2)
X
Y
. . .
RD
WR
IO/M
Memória de Programa
Memória de Dados
Linhas de Controle (LC)
 (LC)
 (LC)
 (LC)
 (LC)
Barramento de Dados
Barramento de Endereços
CPU
Barramento de Controle
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Exemplo: Arquitetura Básica de PC
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Exemplo: Arquitetura Básica de PC
Placa Mãe
BIOS
Barramentos
Clock
Microprocessador
Chipset
Memórias
Periféricos
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Placa Mãe (MotherBoard)
Acomoda o processador e todos os componentes (memória principal, memória cache, BIOS, portas serial e paralela, etc) que permitem ao processador interagir com os demais periféricos
Gerencia transação de dados entre CPU e periféricos. 
Componentes On board e Off board
Muitas placas permitem o upgrade 
Modificação da velocidade do clock, tipo de processador, BIOS...
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Barramentos
Grupo de linhas paralelas. Cada linha trafega 1 bit de cada vez
Barramento de 8 linhas  1 byte
Barramento de 32 linhas  4 bytes (1 DW)
Exemplos de padrões de barramento de expansão:
ISA (Industry Standard Architecture), 
MCA (Microchannel Architecture), 
EISA (Extended Industry Standard Architecture), 
VLB (Vesa Local Bus), 
PCI (Peripheral Component Interconnect), 
AGP (Accelerated Graphics Port), 
USB (Universal Serial Bus)
PCI Express
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BIOS – Basic Input/Output System
POST - Power On Self Test
Setup
Rotinas de E/S (Interrupções do processador)
O BIOS é um programa de computador pré-gravado em memória permanente (Firmware) executado por um computador quando ligado. Ele é responsável pelo suporte básico de acesso ao hardware, bem como por iniciar a carga do sistema operacional.
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Memórias DDR2/DDR3
DDR2/DDR3 SDRAM significa de Double Data Rate 2 Synchronous Dynamic Random Access Memory. O termo sincronia é utilizado para indicar que a memória e processador possuem clocks coincidentes, o que faz aumentar o desempenho em comparação com a antiga tecnologia EDO em 25%. O termo dinâmica é uma referência à estrutura dos chips, que são formados por uma matriz de capacitores que precisam ser recarregados constamente. Double Data Rate significa que o tráfego é de dois dados por pulso de clock.
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ChipSet
Responsável pela integração de todo o hardware para comunicação com memória e periféricos
Ponte Norte
Memória principal
AGP
Geração PCI
Ponte Sul
USB
EISA
Discos
…
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Resumo
Padrões de arquitetura de computadores
Von Neumann (CISC)
Havard (RISC)
Apresentam vantagens e desvantagens
Arquitetura Híbrida: (CISC + RISC)
Família X86 (Pentium, Athlon64, Core2, Core I7)
Arquitetura PC ainda é padrão no mercado
Tendência de evolução dos processadores será mantida
Lei de Moore
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Referencias e Exercícios
Hannessy and Paterson – “Computer architecture: A quantitative approach”, Jonh L. Hennssey and David Patterson
 [ Tanenbaun] – Structure Computer Organization, Ed. Pretence hall
Hardware Curso Completo. Gabriel Torres (4ª edição). 
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