BCC720_Aula_03_Organizacao_e_arquitetura

BCC 720 – Sistemas de 
Computação para Automação
Aula 03
Organização e Arquitetura de Computadores
 
Conteúdo
– Organização e Arquitetura
– Visão Funcional
– Melhoria de Desempenho
– Histórico x86
– Sistemas Embutidos
– Processador ARM
– Execução de Programas
– Pipeline e Super-Escalaridade
 
 
Organização e Arquitetura
Arquitetura são os atributos visíveis ao programador. 
— Conjunto de instruções, número de bits usados para representação de 
dados, mecanismos de E/S, técnicas de endereçamento. 
— Por exemplo, existe uma instrução de multiplicação?
 
Organização é como os recursos são implementados. 
— Sinais de controle, interfaces, tecnologia de memória. 
— por exemplo, existe uma unidade de multiplicação no hardware ou ela é 
feita pela adição repetitiva?
— os subsistemas podem ser decompostos em níveis hierárquicos
 
Organização e Arquitetura
Exemplo:
Toda a família Intel x86 compartilha a mesma arquitetura 
básica. 
 
•Isso gera compatibilidade de código: 
— Pelo menos, com a geração anterior. 
•A organização tende a ser diferente entre diferentes 
 versões. 
 
Organização e Arquitetura
Estrutura e função
 
•Estrutura é o modo como os componentes são inter-
relacionados.
 
•Função é a operação individual de cada componente como 
parte da estrutura. 
Todas as funções do computador se resumem: 
— Processamento de dados. 
— Armazenamento de dados. 
— Movimentação de dados. 
— Controle. 
 
Visão Funcional
Obs.: em algumas arquiteturas, permite-se processar e, em seguida, exportar via interface de E/S
Mecanismos
Movimentação
De Dados
Mecanismos 
de Controle
Mecanismos de 
Armazenamento 
de Dados
Mecanismos de 
Processamento 
de Dados
Ambiente Operacional
Movimentação de Dados
Armazenamento de Dados
Processamento (de/para armazenamento)
 
Visão Funcional
Computador
CPU
I/O
Interconexão
Memória
CPU:
- Registradores
Inteiros
Ponto-flutuante
- ALU
Manipulação de instruções de ordem lógica
Manipulação de instruções de ordem aritmética
- Unidade de Controle
Lógica de Sequenciação
Registradores e decodificadores da unidade de controle
Memória de controle
- Sistema de Interconexão
 
Melhoria do Desempenho...
- processador
- acesso à memória / capacidade de armazenamento
- transferência do barramento
- diminuição tempo de I/O (ou diminuição de acessos ao 
sistema de I/O)
 
Histórico linha x86
Evolução do x86 
•8080 
—Primeiro microprocessador de uso geral. 
—Caminho de dados de 8 bits. 
—Usado no primeiro computador pessoal.
•8086 – 5MHz – 29 000 transistores. 
—Muito mais poderoso. 
—16 bits. 
—Cache de instruções, pré-busca poucas instruções. 
—8088 (barramento externo de 8 bits) usado no primeiro IBM PC. 
•80286 
—16 MB de memória endereçável. 
—A partir de 1MB. 
 
Histórico linha x86
•80386 
—32 bits. 
—Suporte para multitarefa. 
•80486 
—Cache sofisticada e poderosa, pipeline sofisticado de instrução. 
—Coprocessador matemático embutido. 
 
Histórico linha x86
•Pentium 
—Superescalar. 
—Múltiplas instruções executadas em paralelo. 
•Pentium Pro 
—Organização superescalar aumentada. 
—Renomeação de registrador agressiva. 
—Previsão de desvio. 
—Análise de fluxo de dados. 
—Execução especulativa. 
•Pentium II 
—Tecnologia MMX. 
—Processamento de gráficos, vídeo e áudio. 
•Pentium III 
—Instruções adicionais de ponto flutuante para gráficos 3D. 
 
Histórico linha x86
•Pentium 4 
—Melhorias adicionais de ponto flutuante e multimídia. 
•Core 
—Primeiro x86 com dual core. 
•Core 2 
—Arquitetura de 64 bits. 
•Core 2 Quad – 3GHz – 820 milhões de transistores 
—Quatro processadores no chip. 
•Arquitetura x86 é dominante fora dos sistemas embarcados. 
•Organização e tecnologia mudaram drasticamente. 
•Arquitetura do conjunto de instruções evoluiu com compatibilidade. 
•~1 instrução acrescentada por mês. 
•500 instruções disponíveis. 
 
Sistemas Embutidos
Sistemas embarcados ARM 
•ARM evoluiu dos princípios de projeto RISC. 
•Usada principalmente em sistemas embarcados. 
—Usada dentro do produto. 
—Não para computador de uso geral. 
—Função dedicada. 
–Por exemplo, freios ABS no carro. 
 
Sistemas Embutidos
Requisitos dos sistemas embarcados 
•Diferentes tamanhos. 
—Diferentes restrições, otimização, reuso. 
•Diferentes requisitos. 
—Segurança, confiabilidade, tempo real, flexibilidade e 
legislação. 
—Tempo de vida 
—Condições ambientais. 
—Cargas estáticas versus dinâmicas. 
—Velocidades de lenta a rápida. 
—Uso intenso de computação (CPU bound) versus E/S (I/O 
bound). 
—Sistemas de evento discreto até dinâmica de tempo 
contínuo. 
 
Possível Estruturação de um 
Sistema Embutido
 
Histórico ARM
Evolução do ARM 
•Projetado pela ARM Inc., Cambridge, Inglaterra. 
•Licenciado aos fabricantes. 
•Alta velocidade, pequeno tamanho do die, baixos 
requisitos de potência. 
•PDAs, jogos portáteis, telefones. 
—P.e., iPod, iPhone 
•Acorn produziu ARM1 & ARM2 em 1985 e ARM3 em 1989. 
•Acorn, VLSI e Apple Computer fundaram a ARM Ltd. 
Categorias de sistemas de ARM 
•Embarcados de tempo real. 
•Plataformas de aplicação. 
—Linux, Palm OS, Symbian OS, Windows mobile. 
•Aplicações seguras. 
 
Execução de Programas
O que é um programa? 
•Uma sequência de etapas. 
•Para cada etapa, é feita uma operação aritmética ou 
lógica. 
•Para cada operação, é necessário um conjunto diferente de 
sinais de controle. 
•Para cada operação, um código exclusivo é fornecido. 
—exemplo: ADD, MOVE. 
•Um segmento de hardware aceita o código e emite os 
sinais de controle.
 
Execução de Programas
Ciclos de Instrução:
a) modo “simplório”
Duas etapas: busca da instrução e execução
 
Execução de Programas
Ciclo de Busca
•Contador de Programa (PC) mantém endereço da próxima 
instrução a buscar. 
•Processador busca instrução do local de memória apontado 
pelo PC. 
•Incrementar PC: 
—A menos que seja informado de outra forma. 
•Instrução carregada no Registrador de Instrução (IR). 
•Processador interpreta instrução e realiza ações exigidas. 
 
Execução de Programas
Ciclo de Execução
•Processador-memória: 
—Transferência de dados entre CPU e memória principal. 
•E/S do processador: 
—Transferência de dados entre CPU e módulo de E/S. 
•Processamento de dados: 
—Alguma operação aritmética ou lógica sobre dados. 
•Controle: 
—Alteração da sequência de operações. 
—eexemplo: salto. 
•Combinação dos itens anteriores. 
 
Execução de Programas
Possíveis Ciclos Reais
– Busca da instrução
– Decodificação
– Busca dos operandos
– Execução
– Escrita dos resultados (write-back)
Pode-se executar essas etapas de forma paralela ou 
pseudo-paralela? 
– Resposta: PIPELINE e SUPER-ESCALARIDADE
 
Execução de Programas
 
Super-escalar
Idéia básica: replicação de unidades funcionais
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