Arquitetura e Organização de Computadores

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08/05/2014
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Arquitetura e Organização de 
Computadores
Prof. Nelson Miguel Betzek
• Visão geral de arquitetura e organização de 
computadores;
• Histórico;
• Processador.
• Barramentos;
• Memórias;
• Conjunto de instruções;
• Prática com simuladores.
Transmissão de Dados
• Quando um dispositivo digital trabalha a um 
determinado número de bits isto significa que 
o canal de comunicação desse dispositivo 
transmite e recebe essa quantidade de bits 
por vez, podendo comunicar-se com 
dispositivos que manipulem a mesma 
quantidade de bits.
• Esta transmissão pode ser PARALELA ou em 
SÉRIE.
Transmissão Paralela
• Todos os bits que o dispositivo transmissor é 
capaz de manipular são transmitidos 
simultaneamente ao receptor.
• A comunicação dos circuitos internos é feita 
desta maneira. 
Transmissão Paralela
• Transmissão paralela
– bits compondo uma palavra de dados são 
conduzidos ao longo de um conjunto de vias
• sendo uma via para cada bit
F 
O 
N 
T 
E 
D 
E 
S 
T 
I 
N 
O 
TERRA 
8 bits (dados)
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Transmissão Paralela
• Oferece maior velocidade.
• Quanto menor o cabo melhor
• Usada internamente
• Problemas: 
– ruído (interferência magnética), quanto maior o 
clock, maior o problema.
– Atenuação, o sinal vai ficando fraco à medida em 
que trafega no fio.
Transmissão Paralela
• Quanto > a frequência de operação (clock) > o 
problema de interferência eletromagnética.
– Por isso, o clock Externo é muito menor do que o 
Interno.
• Em virtude da Atenuação, quase não é usada 
no exterior do micro.
Transmissão Serial
• É o modo de transmissão que ocorre quando 
cada bit é transmitido em sequência, um após 
o outro, por uma única linha de dados.
– Ex.: rede, ...
• Existe a necessidade de um protocolo 
(conjunto de regras) especial entre o emissor 
e o receptor para marcar certas características 
da transmissão, como início dos dados, 
velocidade dos bits, etc.
Transmissão Serial
• Por exemplo, se um caracter é representado 
pelo binário 01001100, sua transmissão 
obedecerá a ordem: 
• 0 -> 1 -> 0 -> 0 -> 1 -> 1 -> 0 -> 0 
Transmissão Serial
• Como transmite apenas um bit por vez, sofre 
bem menos com problemas de ruído e 
atenuação.
• É utilizado na transmissão com dispositivos 
externos:
– Teclado
– Mouse
– Rede
– Dispositivos USB
Transmissão Serial
• É medida em bits por segundo (bps)
– Ex.: modem (56 Kbps) rede local (1000 Mbps)
– Transmissão Paralela é medida em B/s (Bytes 
por segundo) – Ex.: 150 MB/s
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Computador
• CPU
• Memórias
• Componentes de E/S
• São interconectados através dos barramentos 
para realizar a função básica do computador: 
executar programas.
Ciclo de instrução
• consiste em:
– uma busca de instrução
– zero ou mais buscas de operandos
– zero ou mais armazenamentos de operandos
– uma verificação de interrupção.
Conceitos principais da arquitetura
• Dados e instruções são armazenados em uma 
única memória de leitura e escrita;
• O conteúdo desta memória é endereçável por 
local, sem considerar o tipo de dados neles 
contidos;
• A execução ocorre em um padrão sequencial 
de instruções.
Barramentos
• Os principais componentes de um sistema de 
computação
– Processador
– Memórias
– Módulos de entrada e saída
• Precisam estar interconectados a fim de trocar 
dados e sinais de controle.
Barramentos
• O meio de interconexão mais popular é o uso 
de um barramento do sistema compartilhado, 
consistindo de múltiplas linhas.
• Normalmente, existe uma Hierarquia de 
barramentos: para melhorar o desempenho.
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Barramento
• É responsável pela conexão entre o 
processador, memória principal e módulos de 
E/S para troca de dados e sinais de controle. 
• É um caminho para a troca de dados entre 
dois ou mais circuitos.
• Em geral, utilizam comunicação paralela.
Estrutura de interconexão
• Coleção de caminhos conectando os diversos 
módulos.
• O projeto dessa estrutura depende das trocas 
que precisam ser feitas entre os módulos.
Módulos do computador
Conexão de memória
• Recebe e envia dados.
• Recebe endereços (de locais).
• Recebe sinais de controle:
– Leitura.
– Escrita.
Conexão de entrada/saída 
• Semelhante à memória do ponto de vista do computador.
• Saída:
– Recebe dados do computador.
– Envia dados a periféricos.
• Entrada:
– Recebe dados de periféricos.
– Envia dados ao computador.
Conexão de entrada/saída 
• Recebe sinais de controle do computador.
• Envia sinais de controle aos periféricos.
– Ex.: girar disco.
• Recebe endereços do computador.
– Ex.: número de porta para identificar periférico.
• Envia sinais de interrupção (controle).
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Conexão da CPU
• Lê instruções e dados.
• Escreve dados (após processamento).
• Envia sinais de controle a outras unidades.
• Recebe (e atua sobre) interrupções.
Estrutura de interconexão
• Deve admitir os seguintes tipos de 
transferências:
– Memória para processador: o processador lê uma 
instrução ou uma unidade de dados da memória;
– Processador para memória: o processador 
escreve uma unidade de dados na memória;
– E/S para processador: o processador lê dados de 
um dispositivo de E/S por meio de um módulo de 
E/S.
Estrutura de interconexão
• Deve admitir os seguintes tipos de 
transferências:
– Processador para E/S: o processador envia dados 
para o dispositivo de E/S;
– E/S de ou para a memória: um módulo de E/S 
tem permissão para trocar dados diretamente 
com a memória, sem passar pelo processador, 
usando o DMA.
Barramento
• Um caminho de comunicação conectando dois ou 
mais dispositivos.
• Meio de transmissão compartilhado.
• Consiste em múltiplos caminhos de comunicação.
• Cada linha transmite sinais representando 0 e 1 
binário.
• Normalmente, broadcast.
• Frequentemente agrupado.
– Uma série de canais em um barramento.
– Ex.: barramento de dados de 32 bits são 32 canais 
de bits separados.
Barramentos de sistema
• Computador: 3 componentes fundamentais
• Interligados por 3 barramentos
– Endereços
– Dados
– Controle
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Barramentos
• Barramento de endereços: indica de onde os 
dados a serem processados devem ser retirados 
ou para onde devem ser enviados. Comunicação 
unidirecional.
• Barramento de dados: é por onde os dados 
transitam. 
• Barramento de controle: faz a sincronização das 
atividades, habilitando ou desabilitando o fluxo 
de dados.
Barramentos
Barramento de dados
• Caminho para movimentação de dados entre os módulos do 
sistema.
– não existe diferença entre “dados” e “instruções” neste nível.
• Largura é um determinante fundamental do desempenho.
– 8, 16, 32, 64, 128 bits.
• 1 bit por linha por vez, então o número de linhas é 
conhecido como Largura do barramento.
Barramento de dados - Exemplo
• Barramento de dados: 32 bits de largura
• Instrução de 64 bits
• Processador precisa acessar o módulo de memórias duas 
vezes durante cada ciclo de instrução.
Barramento de endereço
• Identifica origem ou destino dos dados.
– Exemplo: CPU precisa ler uma instrução (dados) 
de determinado local na memória.
– Insere o endereço nas linhas de endereço.
Barramento de controle
• Controlar o acesso e o uso das linhas de dados e endereço.
• Linhas de dados e endereços são compartilhadas, por isso precisam 
ser controladas.
• Transmitem informação de comando e sincronização entre os 
módulos do sistema.
• Os sinais de sincronização indicam a validade da informação de 
dados e endereço.
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Linhas de controle
• Escrita de memória: faz com que os dados no 
barramento sejam escritosno local 
endereçado;
• Leitura de memória: faz com que os dados do 
local endereçado sejam colocados no 
barramento; 
• Escrita de E/S: faz com que os dados no 
barramento sejam enviados para a porta de 
E/S endereçada;
Linhas de controle
• Leitura de E/S: faz com que os dados da porta 
de E/S endereçada sejam colocados no 
barramento;
• ACK (Acknowledgement - reconhecimento) de 
transferência: indica que dados foram aceitos 
do barramento ou colocados nele;
• Solicitação de barramento (bus request): 
indica que um módulo precisa obter controle 
do barramento;
Linhas de controle
• Concessão de barramento (bus grant): indica 
que um módulo solicitante recebeu controle 
do barramento;
• Requisição de interrupção (interrupt 
request): indica que a interrupção está 
pendente;
• ACK de interrupção: confirma que a 
interrupção pendente foi reconhecida;
Linhas de controle
• Clock: é usado para operações de 
sincronização;
• Reset: inicializa todos os módulos.
Esquema de interconexão de barramento
Organização Lógica de um microcomputador
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Operação do barramento
• Para enviar dados é necessário:
– Obter o uso do barramento; e
– Transferir dados por meio do barramento.
Operação do barramento
• Para requisitar dados é necessário:
– Obter o uso do barramento; 
– Transferir uma requisição pelas linhas de controle 
e endereço apropriadas;
– Esperar que o outro módulo envie os dados.
Barramentos - exemplo
• Processador necessita de um dado presente na 
memória.
• Pelo barramento de endereços, ele obtém a 
localização desse dado dentro da memória. 
• O processador indica pelo barramento de 
controle que é uma operação de leitura na 
memória. 
• O dado é então localizado e inserido no 
barramento de dados, por onde o processador, 
finalmente, o lê.
Barramento do sistema – fisicamente é:
• Linhas paralelas (condutores elétricos) em placas de 
circuito.
• Cabos de fita.
• Conectores em tira nas placas mãe.
– P.e., PCI.
• Conjuntos de fios.
Realização física da arquitetura de barramento
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Estrutura típica
• Barramento local: conecta o processador à 
memória cache.
• Controlador de Cache conecta a Cache ao 
barramento local e ao barramento do sistema.
• Barramento do sistema: conecta os módulos 
de memória principal e barramento de 
expansão.
Barramento de I/O
• Barramento para comunicação com periféricos 
lentos.
• Exemplos:
– AGP
– PCI
– ISA
Estrutura de barramento tradicional
(com cache)
Arquitetura de alto desempenho
Parâmetros dos Barramentos
Tipo Método de 
arbitração
Sincronização
Dedicado Centralizado Síncrona
Multiplexado Distribuído Assíncrona
Largura Tipo de transferência de dados
Endereço Leitura Ler-modificar-escrever
Dados Escrita Leitura-após-escrita
Boco
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Tipos de barramento
• Dedicado:
– Linhas separadas para dados e endereço.
• Multiplexado.
– Linhas compartilhadas.
– Linha de controle, de endereço ou dados.
– Vantagem – menos linhas
– Desvantagens:
• Controle mais complexo.
• Menor desempenho.
Problemas do barramento único
• Muitos dispositivos em um barramento levam a:
– Atrasos de propagação
• Longos caminhos de dados significa que a coordenação do 
uso do barramento pode afetar contrariamente o 
desempenho.
• Se a demanda de transferência de dados agregada se 
aproxima da capacidade do barramento.
• A maioria dos sistemas utiliza múltiplos barramentos para 
contornar esses problemas.
Arbitração de barramento
• Mais de um módulo pode precisar do controle do 
barramento.
– P.e., CPU e controlador de DMA (módulo de E/S escreve ou lê 
diretamente da memória).
• Apenas um módulo pode controlar barramento de uma só 
vez.
• Arbitração pode ser centralizada ou distribuída.
Arbitração centralizada e distribuída
• Centralizada:
– Único dispositivo de hardware controlando o acesso ao 
barramento.
• Controlador de barramento.
• Árbitro.
– Pode ser parte da CPU ou separada.
• Distribuída:
– Cada módulo pode reivindicar o barramento.
– Lógica de controle em todos os módulos.
Temporização
• Coordenação de eventos no barramento.
• Síncrona:
– Eventos determinados por sinais de clock.
– Barramento de controle inclui linha de clock.
– Uma única transmissão 1-0 é um ciclo do barramento.
– Todos os dispositivos podem ler linha de clock.
– Normalmente, sincronismo na borda inicial.
– Geralmente, um único ciclo para um evento.
Temporização
• Assíncrona:
– A ocorrência de um evento em um barramento 
segue e depende da ocorrência de um evento 
anterior;
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Largura do barramento
• O barramento de dados impacta no 
desempenho do sistema
– Quanto mais largo o barramento de dados, maior 
o número de bits transferidos por vez;
• O barramento de endereço impacta na 
capacidade do sistema
– Quanto mais largo, maior o intervalo de locais que 
podem ser referenciados.
Elementos do projeto dos 
barramentos
• Arbitração: permissão para enviar sinais nas 
linhas do barramento, pode ser controlada de 
forma central ou distribuída;
• Temporização: os sinais do barramento 
podem ser sincronizados com um clock central 
ou enviados de forma assíncrona;
• Largura: número de linhas de endereço e 
número de linhas de dados.
Barramento de 100 MHz
• teclado, que fornece uma taxa máxima de 30 
caracteres por segundo (quando usamos o 
REPEAT). 
• Entre a chegada de dois caracteres 
consecutivos, transcorrem cerca de 2,6 
milhões de ciclos. 
• Não teria sentido o processador ficar 
monopolizado entre a chegada de dois 
caracteres consecutivos, testando milhares de 
vezes se o próximo caracter já chegou. 
Barramento de 100 MHz
• Para isso são usadas interrupções.
• O processador não testa se chegou o próximo 
caracter, ele continua executando outras 
tarefas, e a interface de teclado gera uma 
interrupção quando uma tecla é pressionada.
• Para atender à interrupção o processador 
precisa salvar o seu contexto (armazenar o 
conteúdo de todos os registradores internos), 
atender à interrupção e retornar ao 
processamento original, o que consome entre 
50 e 100 ciclos. 
Barramento de 100 MHz
• Como o intervalo neste caso é de 2,6 milhões 
de ciclos, vale a pena para o processador 
executar outras tarefas e ser interrompido 
quando chegar um caracter. 
• Por isso podemos, por exemplo, 
tranquilamente digitar um texto enquanto o 
processador de textos faz correção gramatical 
ou salva o arquivo automaticamente. 
• Portanto a E/S programada com o uso de 
interrupções é um método bem adequado 
para a operação do teclado.
Taxa de transferência - Desempenho
• Baseado no:
– Clock
– Largura
– Transferências por ciclo de clock
• taxa de transferência = frequencia de 
operação x nro de bits / 8
• Ex.: 
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Barramentos Barramentos
• Barramento Local :É por onde o processador 
se comunica aos dispositivos essenciais da 
placa mãe. Memória RAM, cache.
Barramentos
• Barramento de Dados: É por onde os dados 
são transmitidos bidirecionalmente.
• Barramento de Controle: realiza o controle do 
tráfego de dados. 
• Barramento de Endereço: É através dele que é 
feito o endereçamento a memória.
Barramentos
• Barramento de Expansão: É por onde são 
conectados os periféricos ao computador. 
• Ex.: placa de vídeo, som, etc.
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Barramentos de expansão
• Os barramentos de expansão - SLOTS
• Exceto (diretamente conectados a placa-mãe):
– USB;
– Firewire ;
– IrDA.
Barramentos de expansão
• SLOT: encaixes para que os dispositivos 
utilizem determinados padrões de 
barramento. 
• Os slots possuem ranhuras para a conexão de 
placasde circuito com a placa-mãe. 
Barramentos de expansão
• Exemplos:
– ISA (Industry Standard Architecture);
– VLB (VESA Local Bus);
– PCI (Peripheral Component Interconnect);
Barramentos de expansão
• Exemplos:
– AGP (Accelerated Graphics Port)
– USB (Universal Serial Bus): 
• Alguns autores não consideram como barramento, mas 
uma porta serial de alta velocidade.
Chipset
• Conjunto de circuitos de apoio. 
• Auxiliam o processador no gerenciamento do 
computador. Ex.: controlar a memória RAM.
• Ligados diretamente ao chip da CPU.
• Responsáveis pela maioria das trocas de informações 
entre a CPU, memórias e barramentos (interface IDE, 
controle das memórias RAM, controle das memórias 
cache externo, controle de barramentos de extensão, 
controle da DMA e interrupções.
Chipset
• Componente fundamental para o 
funcionamento do computador.
• Conjunto de circuitos integrados responsáveis 
pela troca de informações entre os 
componentes do computador.
• Grande parte do desempenho de um sistema 
é determinado pelo tipo de chipset.
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Chipset
• Ponte norte (northbridge): responsável por 
controlar os componentes rápidos do 
computador. Ex.: processador, placa de vídeo 
(AGP e PCI Express) e memória RAM
• Ponte sul (southbridge): responsável pelos 
componentes lentos do computador 
(dispositivos de E/S). Ex.: Hd, portas USB, 
pararela.
• http://canaltech.com.br/o-que-e/hardware/O-que-e-um-Chipset/#ixzz30KEcZM1l
Chipset
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