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ARQUITETURA E ORGANIZAÇÃO DE COMPUTADORES Prof. MSc. Jefferson Sena Unidade I Conceitos Básicos Introdução A arquitetura de um computador é a teoria por detrás do desenho de um computador. É a estrutura e a organização do hardware, ou seja, refere-se ao funcionamento interno do computador. Arquitetura x Organização Arquitetura x Organização Arquitetura refere-se aos atributos que são visíveis para o programador, ou seja, os atributos que tem impacto direto na execução do programa. Atributos: Conjunto de instruções Número de bits Mecanismos de E/S Arquitetura x Organização Organização diz respeito às unidades operacionais e suas interconexões que implementam as especificações de sua arquitetura, ou seja, como as características da arquitetura será implementada. Atributos: Sinais de controle Tecnologia de memória, tecnologia de transistores etc. Arquitetura x Organização Especificar se um computador deve ou não ter uma instrução de multiplicação constitui uma decisão de projeto de ... Definir se essa instrução será implementada por uma unidade específica de multiplicação ou por um mecanismo que utiliza repetidamente sua unidade de soma é uma decisão de ... Arquitetura Organização Arquitetura x Organização Exemplo Todo processador Intel da família x86 compartilham a mesma arquitetura básica. No entanto, a organização difere de uma versão para outra. Conclusão uma organização deve ser projetada para implementar uma especificação particular de arquitetura. Arquitetura X Organização Organização Tecnologia de memória Interfaces Implementação das instruções interconexões Repertório de instruções Tipos de Dados Modos de endereçamento Conjunto de registradores Arquitetura Organização Básica Unidade Lógica e Aritmétic a Unidade de Controle Memória Unidade de Entrada Unidade de Saída Unidade Central de Processamento Arquitetura de Computadores Unidade Central de Processamento (UCP) Composta de: Unidade Lógica e Aritmética (ULA) Unidade de Controle Unidade de Controle onde os códigos (instruções), que representam as operações a serem realizadas, são identificados e através da qual os dados são obtidos da memória; código de operação: identifica a operação a ser feita código de operando: dados necessários à execução da operação Software básico Linguagens de programação conjunto de convenções e regras que especificam como instruir o computador a executar determinadas tarefas serve como meio de comunicação entre o indivíduo que deseja resolver um determinado problema e o computador Gerações de linguagens 1ª geração: linguagens em nível de máquina 2ª geração: linguagens de montagem (Assembly) 3ª geração: linguagens orientadas ao usuário 4ª geração: linguagens orientadas à aplicação 5ª geração: linguagens de conhecimento Software Software aplicativo aplicações criadas para solucionar problemas específicos Exemplos contabilidade, folha de pagamento, correção de provas Software básico conjunto de softwares que permite ao usuário criar, depurar e modificar as aplicações criadas por ele sistema operacional, linguagens de programação, utilitários Sistema operacional Gerência de memória Gerência de processador Gerência de arquivos Gerência de dispositivos de E/S Entrada e Saída de Dados I/O é um sigla para Input/Output. indica entrada (inserção) de dados por meio de algum código ou programa, para algum outro programa ou hardware; bem como a sua saída (obtenção de dados) ou retorno de dados, como resultado de alguma operação de algum programa. São exemplos de unidades de entrada de um computador: disco rígido, microfone, teclado, mouse, Tela Sensível ao toque, Scanner, Leitor de código de barras, Celular, Pendrive, Máquina fotográfica digital, Webcam, joysticks e outros acessorios de jogos. São exemplos de unidades de saída de um computador: monitor, caixas de som, impressora, disco rígido. Processadores Organização geral de um computador: processador + memória principal + periféricos de E/S Organização de um Sistema de Computação Memória Principal Dispositivos de Entrada e Saída Discos Monitor Impressora Outros Periférico Controlador Dispositivos de Armazenamento Interface Via de Comunicação (Barramentos) Unidade Central de Processamento ou Processador Arquitetura de um Sistema de Computação Aplicações & Utilitários Sistema Operacional Basic Input Output System (BIOS) Hardware Unidade II Portas lógicas e circuitos Operações lógicas As operações lógicas são estudadas pela álgebra de boole (George Boole) A álgebra de Boole trabalha com apenas duas grandezas: falso ou verdadeiro. As duas grandezas são representadas por 0 (falso) e 1 (verdadeiro). Nos circuitos lógicos do computador, os sinais binários são representados por níveis de tensão. Portas lógicas As portas lógicas são os elementos mais básicos e elementares de um sistema de computação. Elas são responsáveis por realizar as operações lógicas sobre os bits. Os valores de entrada e saída são números binários. Cada porta lógica realiza uma tarefa trivial. Circuitos As portas lógicas são encontradas no mercado encapsuladas em chips de silício. Circuitos É um conjunto de portas lógicas interligadas para resolver um problema maior. Para facilitar o desenvolvimento, em primeiro lugar, deve-se montar uma expressão booleana e, em seguida, partir para a implementação do circuito propriamente dito. Como converter uma tabela verdade em um circuito lógico? Circuitos a b ci co 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 a b c i c o ???? Unidade III Processadores Processador A função de um computador é executar tarefas com a finalidade de resolver problemas. Uma tarefa pode ser executada por meio de uma seqüência ordenada de instruções de máquina. O processador é o componente responsável pelo processamento de instruções e de dados. Processador O processador é constituído por centenas de transistores. As portas lógicas são implementadas fisicamente por meio de transistores. Diferentes encapsulamento de transistores. Processador O processador é dividido em três partes: Componentes do Processador ULA (Unidade Lógica e Aritmética) É onde as operações lógicas e aritméticas são realizadas. Unidade de controle Controla a execução de qualquer instrução dentro do processador. Define o que tem que ser feito a cada momento. Decodifica a instrução e gera os sinais de controle para as unidades funcionais. Componentes do Processador Registradores Pequenas memórias dentro do processador. Armazenam dados que estão sendo executados no momento. Dois tipos: Registradores de propósito geral Registradores específicos Barramento Conjunto de condutores por meio dos quais as informações trafegam de uma parte do computador para outra Instruções Representação elementar que gera uma ação em um computador. Determina o que o computador deve fazer naquele instante.Um programa é composto por muitas instruções, que são executadas de forma ordenada pelo processador. Estrutura de uma instrução 00000010001100100100000000100000 add $t0, $s1, $s2 Tipos de instruções Matemáticas e lógicas Soma, subtração, and, or... Movimentação de dados registrador – registrador; registrador – memória; memória – registrador. Entrada/Saída Controle Instruções de salto Arquitetura de Computadores Quanto ao número de processadores monoprocessamento: apenas 1 processador, 1 memória principal, vários programas podem compartilhar o mesmo processador (ex: “time-sharing” - cada programa tem um tempo para usar o processador); multiprocessamento: mais de um processador, podem compartilhar memória ou não, podem executar vários programas ao mesmo tempo ou dividir um. Unidade IV Memória Tipos de memória RAM (Random Access Memory) É uma memória volátil de escrita e leitura. É aleatória porque permite o acesso direto ao dado que será lido ou escrito, sem a necessidade de passar por todas as outras posições de memória. Estática (SRAM): armazenada em FLIP-FLOP. Dinâmica (DRAM): armazenada em capacitor, necessitando de refresh. Tipos de memória ROM (Read Only Memory) É uma memória apenas de leitura, e não-volátil. Os dados são previamente gravados pelos fabricantes. as instruções de um processador um programa de controle de temperatura em um microcontrolador. Tipos de memória PROM (Programmable Read Only Memory) É uma memória somente leitura programável e não- volátil. Sua programação pode ser feita pelo próprio usuário por meio de um dispositivo apropriado denominado gravador. Uma vez gravado, não pode ser mais alterado nem apagado. Tipos de memória EPROM (Erasable Programmable Read Only Memory) É uma memória somente leitura programável e apagável e não-volátil. Pode ser programada pelo usuário e, com determinado tempo de exposição à luz ultravioleta em certo ponto do chip, todo seu conteúdo é apagado, podendo, portanto ser reprogramado novamente Tipos de memória EEPROM (Eletric Erasable Programmable Read Only Memory) É uma memória somente leitura programável e apagável e não-volátil. Pode ser programada pelo usuário e pode ser apagada utilizando sinais elétricos ao invés de luz ultravioleta. Tipos de memória Flash É uma evolução da memória EEPROM. Enquanto a EEPROM precisa ser totalmente apagada para ser reprogramada, a memória Flash pode ser apagada parcialmente, proporcionando, assim, maior facilidade na hora de fazer alterações em sua programação. Muito utilizada em celulares, palms, câmeras digitais, videogames etc. Tipos de memória Registradores O Registrador de uma unidade central de processamento é um tipo de memória de pequena capacidade porém muito rápida, utilizada no armazenamento temporário durante o processamento Níveis de memória Diferentes velocidades de acesso Memória Cache altíssima velocidade de acesso acelerar o processo de busca de informações na memória localizada logicamente entre o processador e a memória principal pode tanto integrar o microprocessador (cache interna), como consistir de chips adicionais instalados na placa-mãe do micro (cache externa) tamanho tipicamente pequeno Memórias Auxiliar e Auxiliar-Backup discos, CDs e fitas Cache RAM Auxiliar Auxiliar-Backup Pequeno Grande Alto(a) Baixo(a) Hierarquia de memórias Contexto de Software Programa em Linguagem de Alto Nível Programa em Linguagem Assembly Comandos de Alto Nível Instruções da Arquitetura Compilador Assembler Linker/Loader Programa Executável Instruções Programa seqüência de instruções Computador análisa e executa uma a uma Execução ocorre na ULA, sob coordenação da UC Na execução: instruções e dados estão na memória são trazidos da memória para a CPU UC análisa a instrução Exemplo A-processador (UCP- CPU) B-MemoriaRAM C-Slots de Expansão D-Cabo de força E-Drivers fixos como disquete F1-Bateria F2-BIOS G-conectores USB,impressora H-Furos para prender a placa I-chip de controle da placa (barramentos) Computadores mais recentes a Memória cache vem dentro do processador
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