Arquitetura e Organização de Computadores

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Arquitetura e Organização de Computadores
FUNDAMENTOS –
#Arquiteturas
*Vom Newman
- Componentes (processador, memória, dispositivos E/S, registradores), ligados por um único barramento (compartilhado para dados e endereços).
- Memória armazena dados e instruções;
- CPU busca informações na MP, executa as informações e estão armazena os valores resultantes de volta na MP.
-Apresenta baixo custo porem desempenho limitado
*HARVARD
-Existem dois barramentos externos independentes (e normalmente tbm memórias independentes).
- Reduz gargalo de desempenho no barramento, porem apresenta alto custo;
** Em arquitetura de processadores, o Pipeline possibilita que a execução das instruções possa ser realizada mais rapidamente. Entretanto, esse aumento da velocidade de execução pode ocasionar o problema de conflito de acesso simultâneo à memória para buscar as instruções e realizar a escrita/leitura de operandos (dados). Uma das formas de solucionar esse problema é utilizar a 
Parte superior do formulário
 a)
arquitetura Harward
** Pipeline é uma técnica de hardware que permite que a CPU realize a busca de uma ou mais instruções além da próxima a ser executada. Estas instruções são colocadas em uma fila de memória dentro do processador (CPU) onde aguardam o momento de serem executadas: assim que uma instrução termina o primeiro estágio e parte para o segundo, a próxima instrução já ocupa o primeiro estágio
Parte inferior do formulário
# Mecanismos de conversão de linguagem
*Compiladores:
Recebem entrada em alto nível;
Traduzem todo código para execução posterior;
Conversão e a execução ocorrem em fases diferentes (2 fases)
Cada instrução do código fonte pode gerar várias instruções de maquinas.
Não existe acesso ao programa fonte;
*Interpretadores:
Conversor on-line, onde a tradução e a execução das instruções ocorrem passo a passo, a cada instrução;
Execução simultânea a leitura, logo após a analise;
Recebem como entrada arquivos texto contendo programas em linguagem assembly, linguagem de alto nível, e os executam diretamente;
 Tem acesso ao programa fonte, para depuração ou mesmo para alterar o código executado; 
#Paralelismo em nível de instrução
-Técnica de Pipelining: Surgiram com o desenvolvimento da arquitetura RISC. 
Mais de uma instrução executada de forma concorrente por ciclo de clock.
Não absolutamente simultânea, mas com bastante redução
Busca, decodificação, execução, acesso a memória e gravação em registradores. 
- Arquitetura SuperEscalar
Otimiza o pipelining;
Tem um só pipelining, mas varias unidades funcionais (não são vários processadores)
Paralelismo decidido em tempo de execução
Mais de uma instrução por ciclo (uma para cada pipeline)
#Paralelismo em nível de Processamento 
*Multiprocessadores de memória compartilhada: 2 ou mais CPUS se comunicam via memória compartilhada
	- Comunicação por escrita LOAD e STORE.
	- Toda CPU tem acesso igual a memória
	- 1 memória para várias CPUS
 
	*UMA (acesso uniforme a memoria)/ SMP (symmetric MultiProcessor)
	- Qualquer palavra na memória é lida com igual velocidade (UMA)
	- Utiliza um único barramento para comunicação entre processar e MP.
	- PROBLEMA: Barramento compartilhado entre CPUS (gargalho).
	- Ociosidade das CPUS
		- Solução 1: Cache em cada CPU (dentro ou proximo)
		-Solução 2: Cache + memória local (barramento dedicado)
		-Em todos os casos existe uma memoria compartilhada.
		
#Arquiteturas RISC E CISC
Processador é composto por:
	-UC (Unidade de Controle): Busca, interpreta e controla as instruções e demais componentes do computador;
	-ULA (Unidade Lógica e Aritmetica): Executa as operações aritméticas e logicas entre dois números;
	-Registradores: Memória interna ao processador (PC e IR);
* RISC (Reduced Instruction Set Computer)
Possui acesso à memória somente via load e store (Carrega em memória, um volume com informações das variáveis, onde possuem dados que estão sendo manipulados ou não read-only (somente leitura).). Operando em registradores;
Todas as outras operações são do tipo registro-registro (quanto menos vezes referência algo externo a memória do processador mais rápido será executada)
Minimizar acessos externos ao processador
Maximizar operações em nível interno;
Necessidade de um grande numero de registros de proposito geral (acomodam os diversos operandos no processador) e poucos registros de proposito especifico; 
Uso intenso de registradores dentro do processador;
Admite frequências mais altas (por possui uma arquitetura mais simples, possui menos componentes de hardware);
Formato de instruções facilmente descodificável (ganho de velocidade na execução) e de tamanho fixo (pode-se propor controle através de hardware);
Pequeno conjunto de instruções de formato simples (dezenas) (pode –se combinar-se em instruções complexas);
Exige mais espaço de memoria e programação mais difícil.
Complexidade reside no compilador
Uso intenso de pipeline;
Redução do tamanho do ciclo por instrução (CPI), em troca de maior tamanho do código (combinar-se em instruções complexas);
Executa em media uma única instrução por ciclo.
** I. Um grande número de registradores de propósito geral e/ou o uso de tecnologia de compiladores para otimizar o uso de registradores. 
II. Um conjunto de instruções simples e limitado, com formato fixo. 
III. Ênfase na otimização do pipeline de instruções.
RISC ocupa MAIS espaço na memória e exige programação mais difícil.
b) Muitas máquinas RISC não possuem instruções para multiplicação ou
divisão e, por isso, uma operação de multiplicação, por exemplo, é
executada por meio de sucessivas somatórias e deslocamentos.
c) CISC possui instruções complexas, o que contrasta com a simplicidade
das instruções RISC.
d) Na CISC, qualquer instrução pode referenciar a memória; na RISC, a
referência é restrita a Load e Store.
e) Processadores híbridos são essencialmente processadores CISC (para
cuidar das instruções mais complexas) com núcleo RISC (para cuidar das instruções mais simples).
* CISC (Complex Instruction Set Computer)
São mais lentos por executarem instruções mais complexas;
Programas mais curtos e mais simples;
Poucos registradores, obrigando a realizar mais referencias à MP;
Simplificação de compiladores em troca alta número de instruções complexas e de vários formatos (micro código);
Hardware mais caro (necessidade de colocar dentro do processador o nível de micro programação) e complexo se comparado ao RISC;
Impossibilidade de se alterar uma instrução composta;
Nível da micro programação (converter instruções no formato complexo em formato mais simples);
Instruções complexas guardadas no processador, facilitando a vida dos programadores;
Não utiliza, ou faz uso moderado de pipeline.
I. múltiplos modos de endereçamento; 
II. Poucos registradores, que são especializados; 
III. tamanho e tempo de execução das instruções dependentes do modo de endereçamento utilizado.
IV - são usadas instruções de tamanho variável. 
#Armazenamento de dados – Topologias e conceitos relacionados
*DAS – Direct Attached Storage (Unidade de HD(disco) externo)
Unidades: blocos de disco
A conectividade é a principal limitação do DAS
Entre o host e o dispositivo não há elementos de rede (hub, switches).
Não atua como servidor, é um conjunto de HDs acessado apenas por uma ou várias máquinas
O principais protocolos/barramentos usados são ATA, SATA, USB, firewire, eSATA, SCSI, SAS Fibre Channel.
*NAS – Network-attached Storage (servidor completo com sistema operacional)
Unidade: Arquivos (unidade de manipulação)
Não se conectam (clientes) diretamente com os discos, se conectam com a rede e após o NAS conecta aos arquivos
Dentro do equipamento de armazenamento o SO controla todo o sistema de arquivos
Principais protocolos: SMB, NFS, CIFS
A responsabilidade de formatar, particionar e distribuir informações nos discos do storage é do próprio storage, e não do SO cliente.
Distancia é praticamente ilimitada entre os dispositivosde armazenamento de dados e os servidores, porem é restrita a latência.
*SAN (Storage Area Network) - Dispositivos de redes interconectando dispositivos de armazenamento diversos, em uma rede voltada somente para armazenamento (parecido com o DAS em vez dos dispositivos estarem ligados diretamente ao servidor, estes estarão ligados a uma rede)
Unidades: blocos de disco
Area de armazenamento visível(como um hd) para maquinas visitantes;
Rede de alta velocidade segregada;
Tem como objetivo a interligação entre vários computadores e dispositivos storage (armazenamento), numa área limitada.
Sistema de arquivos de responsabilidade da maquina requisitante.