Arquitetura de computadores modernos - estrutura do hardware

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ARQUITETURA DE COMPUTADORES
MODERNOS
Ciência da Computação
ESTRUTURA DO HARDWARE
Componentes Básicos
ARQUITETURA GENÉRICA
Fonte (adaptado): Introdução à Organização de Computadores – Mário A. Monteiro
ProcessadorDispositivo de 
entrada
M
em
ó
ri
a
 
se
cu
n
d
á
ri
a
Dispositivo de 
saída
Memória 
principal 
(RAM)
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Fonte (adaptado): Introdução à Organização de Computadores – Mário A. Monteiro
ARQUITETURA GENÉRICA
Dispositivos de Entrada:
• Teclado
• Mouse
• Scanner
• Microfone
• Câmera
• Sensores diversos
• Leitor de QR Code
• Drivers de CD e DVD
• Etc.
Componentes Básicos
ARQUITETURA GENÉRICA
Fonte (adaptado): Introdução à Organização de Computadores – Mário A. Monteiro
ARQUITETURA GENÉRICA
Dispositivos de Saída:
• Monitor de vídeo
• Impressora
• Gravador de mídias óticas
• Pendrive
• Caixa de som
• Etc.
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Memória Principal (RAM):
• RAM – Random Access Memory
• Pode ser de vários tipos, por exemplo:
 DDR4: opera com valores de 2.133 até 4.266 MHz. Isso
significa mais transferências em um mesmo intervalo de
tempo.
 DDR4 DIMM: Ao contrário dos módulos SIMM de 30 e 72
vias, usados nos micros 386, 486 e Pentium, os módulos
DIMM possuem contatos em ambos os lados do módulo,
o que justifica seu nome, "Double In Line Memory
Module" ou "módulo de memória com dupla linha de
contato".
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Memória Principal (RAM):
• A sigla DDR vem de Double-Data-Rate (Taxa Dupla
de Transferência). Uma memória DDR-SDRAM é uma
memória do tipo SDRAM que permite que dois
dados sejam transferidos no mesmo ciclo de clock.
• Um módulo de memória do tipo DDR-SDRAM é,
teoricamente, duas vezes mais rápido que um
SDRAM comum.
• A SDRAM (Synchronous Dynamic RAM) trabalha
sincronizada com os ciclos da placa mãe sem tempo
de espera.
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Memória Principal (RAM):
Memórias são compostas por células, as quais têm
determinadas características:
• Cada célula contém apenas uma informação (um byte).
• Todas as células têm o mesmo tamanho, isto é, o
mesmo número de bits.
• Cada célula tem apenas um endereço, isto é, um
número associado pelo qual a célula é referenciada
pelos programas.
• O endereçamento é sequencial.
• Células consecutivas têm endereços consecutivos.
Componentes Básicos
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Memória Secundária: refere-se às memórias que não são a
RAM
• HDs
• SSDs
• Mídias óticas
• Pendrive
• Fita magnética
• Etc.
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Processador:
• É o componente capaz de entender e realizar uma
operação definida por uma instrução de máquina.
• UCP – Unidade Central de Processamento ou CPU –
Central Processing Unit.
• Fabricantes: Intel, AMD, IBM, Sun, etc.
Fonte (adaptado): Introdução à Organização de Computadores – Mário A. Monteiro
Componentes Básicos
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Processador: linguagem de máquina
• Instruções muito simples, primárias e de baixo nível 
(composições binárias).
• Não apropriadas para utilização pelo ser humano.
• Também designada de Linguagem Objeto.
• Vamos designá-la por L1.
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Processador: linguagem fonte
• Instruções de alto nível.
• Apropriadas para utilização pelo ser humano.
• Vamos designá-la por L2.
Componentes Básicos
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Processador: linguagens de máquina e fonte
Como executar, então, um programa escrito em L2?
Linguagem Objeto (L1)
Linguagem Fonte (L2)
Hardware
Componentes Básicos
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Processador: linguagens de máquina e fonte
Como executar, então, um programa escrito em L2?
Linguagem Objeto (L1)
Linguagem Fonte (L2)
Hardware
Componentes Básicos
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Processador: linguagens de máquina e fonte
Tradução por Compilação:
• Elabora-se um sistema em L1 para:
 Ler integralmente e depurar o programa 
escrito em L2, gerando uma cópia em L1 
(Programa Objeto)
 Executar a cópia em L1, ignorando o programa 
em L2.
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Processador: linguagens de máquina e fonte
Tradução por Compilação:
S
i m
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Processador: linguagens de máquina e fonte
Tradução por Interpretação:
• Elabora-se um sistema em L1 para ler o programa 
escrito em L2 linha a linha e:
 Interpretá-lo (linha a linha)
 Depurá-lo (linha a linha)
 Executá-lo (linha a linha)
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Processador: linguagens de máquina e fonte
Tradução por Interpretação:
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Processador: na prática
Hardware
Linguagem L1
Linguagem L2
Linguagem L3
Linguagem L4
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FUNÇÃO DO COMPUTADOR
Ciclo Básico:
• O processador é construído contendo internamente
os micro programas de execução de cada operação.
• Ele tem uma sequência básica de execução de
operações primitivas: o ciclo de instrução.
Fonte: Introdução à Organização de Computadores – Mário A. Monteiro
Componentes Básicos
FUNÇÃO DO COMPUTADOR
Ciclo Básico:
Fonte: Introdução à Organização de Computadores – Mário A. Monteiro
Início
Buscar 
instrução na 
memória
Interpretar a 
instrução a ser 
realizada
Buscar 
operandos (se 
houver)
Executar a 
operação
Esquematicamente
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Barramento:
• Provê a interligação de todos os componentes,
permitindo a comunicação entre eles.
• É constituído de fiação que permite o deslocamento
dos sinais elétricos entre os dispositivos,
representando os 0 (zeros) e os 1 (uns).
• A comunicação entre dispositivos é bilateral, ou
seja, quando um par de dispositivos “está
conversando”, os demais devem esperar sua vez
para utilizar o barramento.
Fonte: Introdução à Organização de Computadores – Mário A. Monteiro
Componentes Básicos
ARQUITETURA GENÉRICA
Barramento:
Fonte (adaptado): Introdução à Organização de Computadores – Mário A. Monteiro
Processador Memória Cache Memória RAM HD Dispositivo n
Barramento
. . .
Observação:
• Esse é o barramento do PC quando foi lançado no mercado
pela IBM em 1981.
• Barramento ISA – Industry Standard Architecture.
Componentes Básicos
ARQUITETURA GENÉRICA
Barramento:
• Existem três barramentos na máquina com
finalidades diferentes:
 Barramento de dados.
 Barramento de endereços.
 Barramento de controle.
Componentes Básicos
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Barramento:
• Na placa mãe estão instalados o processador, vários
chips auxiliares, um barramento que percorre todo seu
comprimento e soquetes, nos quais serão ligados os
conectores das placas controladoras dos dispositivos
de E/S (Entrada / Saída).
• Às vezes existem dois barramentos, um de alta
velocidade (para as placas de E/S modernas) e outro de
baixa velocidade (para as placas de E/S antigas).
Componentes Básicos
ARQUITETURA GENÉRICA
Barramento:
• O barramento não é utilizado apenas pelas placas
controladoras de E/S mas, também, pelo processador e
pela memória.
• Como evitar colisões e, portanto, perda de dados, se o
processador e uma placa controladora de E/S quiserem
utilizar o barramento ao mesmo tempo?
Componentes Básicos
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Barramento: arbitragem
• Duas possibilidades:
Arbitragem centralizada.
Arbitragem distribuída.
Componentes Básicos
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Barramento: arbitragem
• Arbitragem centralizada:
 Um chip, denominado “Árbitro do Barramento”
decide de quem é a vez de utilizar o barramento.
 Em geral, os dispositivos de E/S têm preferência,
preterindo o processador, pois os discos e demais
dispositivos, cuja operação dependa de movimento
de suas partes, não podem ter seu trabalho
interrompido no meio, sobpena de perderem os
dados.
Componentes Básicos
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Barramento: arbitragem
• Arbitragem centralizada:
Exemplo: modelo Daisy Chaning
Componentes Básicos
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Barramento: arbitragem
• Arbitragem centralizada:
 Há um árbitro de barramento.
 Cada dispositivo faz sua requisição de utilização do
barramento do computador.
 O árbitro recebe as requisições, mas não “sabe” quem
as fez.
 O árbitro libera uma requisição por vez através do
Barramento de Permissões.
Componentes Básicos
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Barramento: arbitragem
• Arbitragem centralizada:
 O 1º dispositivo que estiver aguardando uma
permissão utiliza-a, mesmo que esta não tenha sido
gerada pelo dispositivo que a está utilizando.
 Se o dispositivo não solicitou permissão alguma,
passa a liberação para o dispositivo seguinte.
 O 1º dispositivo tem mais requisições atendidas que
os demais.
Componentes Básicos
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Barramento: arbitragem
• Arbitragem distribuída:
Exemplo: modelo Multibus
Componentes Básicos
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Barramento: arbitragem
• Arbitragem distribuída:
 Não há árbitro de barramento.
 O Barramento de Requisições prioriza os dispositivos.
 Todos os dispositivos monitoram todas as linhas de
requisição, assim quando o barramento fica livre cada
dispositivo “sabe” se é sua vez de utilizá-lo, ou não.
Componentes Básicos
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Barramento: arbitragem
• Arbitragem distribuída:
 Para obter a utilização do barramento o dispositivo
verifica:
 Se o Barramento de Ocupado está livre.
 Se ele está recebendo o sinal da Linha de
Arbitragem.
Componentes Básicos
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Barramento: arbitragem
• Arbitragem distribuída:
Se as duas condições forem verdadeiras:
 O dispositivo interrompe a propagação do sinal
da Linha de Arbitragem.
 Ativa o Barramento de Ocupado.
 Utiliza o barramento do computador.
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Barramento: PCI - Peripheral Component Interconnect
(Interconexão de Componentes Periféricos)
Componentes Básicos
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Barramento: PCI
• Foi lançado pela Intel em 1992.
• O processador se comunica com a memória através de 
uma conexão dedicada de alta velocidade.
• A controladora se comunica diretamente com a
memória e com o barramento PCI, de modo que o
tráfego processador-memória não passa pelo
barramento PCI.
Componentes Básicos
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Barramento: PCI
• Os periféricos de banda passante alta, ou seja, capazes
de transferir dados a uma velocidade alta, tais como os
discos SCSI, podem se conectar diretamente ao
barramento PCI.
• O barramento PCI tem uma ponte para o barramento
ISA, de maneira que a controladora ISA e seus
dispositivos podem ser usados.
Componentes Básicos
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Quando o PCI foi criado (nos anos 90), ele teve um efeito
unificador sobre o excesso de barramentos existentes na época
(ISA, EISA, VESA, Micro Channel, etc.).
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Barramento: PCI Express
Uma vez que o barramento PCI Express é baseado na
tecnologia de comunicação serial, os dados podem ser
enviados nos dois barramentos existentes em duas
direções simultaneamente. No barramento PCI os dados
são enviados paralelos, e apenas numa única direção por
vez.
Componentes Básicos
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Barramento: PCI Express
Barramento PCI Express
Componentes Básicos
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Barramento 
PCI Express
Componentes Básicos
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Barramento: comparação PCI x PCI Express
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