Arquitetura de Computadores - 02 - Introdução e processadores

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Arquitetura de Computadores
Organização de Sistemas Computacionais
Prof. Arthur
Arquitetura de Computadores
Organização de Sistemas Computacionais
Arquitetura de Computadores
Prof. Arthur
arthur.battaglia@docente.unip.br
2019
ORGANIZAÇÃO DE SISTEMAS COMPUTACIONAIS
Introdução e processadores
Organização de Sistemas Computacionais
Arquitetura de Computadores
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Arquitetura de Computadores
Organização de Sistemas Computacionais
Introdução
Organização Estruturada de Computadores
É uma metodologia para permitir que toda a complexidade do processo de projeto de um computador possa ser superada de forma sistemática e organizada.
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Introdução
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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Introdução
Linguagem Fonte:
Instruções de alto nível.
Apropriadas para utilização pelo ser humano.
Vamos designá-la por L2.
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Introdução
Como executar um programa escrito em L2?
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Introdução
Como executar um programa escrito em L2?
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Introdução
Como executar um programa escrito em L2?
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Introdução
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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Introdução
Interpretação:
Organização de Sistemas Computacionais
�
�
�
�
�
�
Programa Fonte (L2)�
Vídeo�
Interpretador
(L1)�
Saídas�
Relatórios�
Dados�
Etc.�
��
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Introdução
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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Introdução
Compilação:
Organização de Sistemas Computacionais
�
�
�
�
�
�
�
�
Programa Fonte (L2)�
Vídeo�
Compilador
(L1)�
Saídas�
Relatórios�
Programa Objeto (L2)�
Etc.�
Biblio
tecas�
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Introdução
Na prática:
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Introdução
Na prática:
Máquina Multinível
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Processadores
Arquitetura de um computador simples
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Processadores
Arquitetura de um computador simples
Unidade de Controle (UC)
Busca a instrução na memória principal
Examina-a determinando seu tipo
Executa-a
Volta para o primeiro passo
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Processadores
Arquitetura de um computador simples
Unidade Lógico-Aritmética (ULA)
Realiza as operações lógicas (“and”, “or”, “nor”, etc.) 
Realiza as operações aritméticas
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Processadores
Arquitetura de um computador simples
Registradores
São memórias de pequena capacidade de armazenamento, porém de alta velocidade de acesso
Armazenam resultados temporários, e de controle, necessários à UC
Há dois tipos de Registradores:
Gerais
Específicos
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Arquitetura de um computador simples
Registradores
Registradores Gerais:
Funcionam como um rascunho da UC para o armazenamento de valores temporários entre uma operação e outra
Registradores Específicos:
Armazenam sempre o mesmo tipo de dado
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Processadores
Execução de Instruções
Para que uma instrução possa ser executada pelo processador ela precisa ser dividida em pequenos passos.
De maneira geral, este processo pode ser dividido em 7 passos elementares, mas para podermos entender o mecanismo envolvido, precisamos conhecer dois registradores específicos.
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Processadores
Registrador de Instruções (IR)
Contém a instrução a ser executada.
Registrador Contador de Programa (PC)
Contém endereço da próxima instrução a ser executada.
Execução de Instruções
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Processadores
Passos
Buscar a próxima instrução na memória principal e armazená-la no registrador IR.
Atualizar o conteúdo do registrador PC fazendo-o apontar para a próxima instrução a ser executada.
Determinar o tipo de instrução que está no IR.
Se a instrução precisar de uma palavra armazenada na memória, determinar onde ela está armazenada.
Execução de Instruções
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Processadores
Buscar a palavra e, se necessário, armazená-la em um registrador.
Executar a instrução.
Retornar ao 1º passoe reiniciar o processo para a próxima instrução.
Execução de Instruções
Passos
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Execução de Instruções
Passos
Organização de Sistemas Computacionais
�
�
�
�
�
�
Início�
Buscar a próxima instrução na memória�
Armazenar a instrução no IR�
Atualizar o PC�
Determinar o tipo da instrução�
Precisa?�
Verificar se precisa buscar palavra na memória �
Buscar palavra na memória �
Sim�
Precisa?�
Verificar se precisa armazenar a palavra em algum registrador�
Localizar a palavra na memória�
Armazenar a palavra�
Sim�
Executar a instrução �
Não�
Terminou?�
Fim�
Sim�
Não�
Não�
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Processadores
Arquitetura CISC e RISC
Conjunto de Instruções
É a reunião de todas as instruções disponíveis para o programador em um determinado nível. 
Varia de máquina para máquina e de nível para nível.
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Processadores
Arquitetura CISC
Complex
Instruction
Set
Computer
Instruções muito complexas para tentar diminuir o “gap semântico” (distância entre o que a máquina pode fazer e aquilo que as linguagens de programação de alto nível exigem).
São necessários vários ciclos de máquina para executar uma instrução.
Conjunto com cerca de 300 instruções. 
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Processadores
Arquitetura RISC
Reduced
Instruction
Set
Computer
Instruções muito simples, capazes de serem executadas em um ciclo de máquina.
Esta arquitetura não tinha o compromisso de manter compatibilidade com outros processadores.
Conjunto com cerca de 50 instruções. 
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Processadores
Paralelismo
Como tornar o processamento mais rápido?
Paralelismo no nível das instruções
Paralelismo no nível do processador
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Processadores
Paralelismo no Nível das Instruções
Neste caso o paralelismo é aplicado dentro das instruções individuais do processador, de modo a conseguir que a máquina execute mais instruções por segundo.
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Processadores
Paralelismo no Nível das Instruções
Exemplo: Processador Pipeline de 5 estágios
Caminho de Dados
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�
�
Unidade de busca de instrução�
Unidade de decodificação de instrução�
Unidade de busca de operando�
Unidade de execução de instrução�
Unidade de escrita�
Instrução�
Resultado
Processador Pipeline
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Processadores
Paralelismo no Nível das Instruções
Exemplo: Processador Pipeline de 5 estágios
Indicadores de desempenho:
Latência: é o tempo que uma instrução demora para ser executada.
Banda Passante: é a quantidade de MIPS (*) que o processador executa por segundo.
(*) MIPS = Milhões de Instruções Por Segundo
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Processadores
Paralelismo no Nível das Instruções
Exemplo: Arquitetura Superescalar com Pipeline (1)
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�
�
Unidade de busca de instrução�
Unidade de decodificação de instrução�
Unidade de busca de operando�
Unidade de execução de instrução�
Unidade de escrita�
Unidade de decodificação de instrução�
Instrução�
Resultado
Processador Superescalar Pipeline
Unidade de busca de operando�
Unidade de execução de instrução�
Unidade de escrita�
Resultado
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Processadores
Paralelismo no Nível das Instruções
Exemplo: Arquitetura Superescalar com Pipeline (2)
Distribui uma instrução a cada nanosegundo.
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�
�
Unidade de busca de instrução�
Unidade de decodificação de instrução�
Unidade de busca de operando�
LOAD�
Unidade de escrita�
Ponto Flutuante�
Instrução�
Resultado
Processador Superescalar Pipeline
ULA�
STORE�
ULA�
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Processadores
Paralelismo no Nível dos Processadores
Neste caso o paralelismo é obtido através da utilização de vários processadores trabalhando juntos na solução do mesmo problema.
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Processadores
Paralelismo no Nível dos Processadores
Exemplo:
Processador Matricial
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�
Unidade de Controle
(UC)�
Processador�
Memória�
Processador�
Memória�
Processador�
Memória�
Processador�
Memória�
Processador�
Memória�
Processador�
Memória�
Processador�
Memória�
Processador�
Memória�
Processador�
Memória�
Processador�
Memória�
Processador�
Memória�
Processador�
Memória�
Processador�
Memória�
Processador�
Memória�
Processador�
Memória�
Processador�
Memória�
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Processadores
Paralelismo no Nível dos Processadores
Exemplo: Multi Processadores
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�
�
�
Processador�
Processador�
Processador�
Processador�
Memória compartilhada�
Barramento
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Processadores
Paralelismo no Nível dos Processadores
Exemplo:
Multi Computadores
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�
�
�
Processador�
Processador�
Memória �
Memória �
Barramento
Barramento
Processador�
Memória �
Barramento
Máquina A
Máquina B
Máquina N
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Um determinado processamento é fortemente sequencial, isto é, um passo depende inteiramente do anterior.
Qual o melhor processador? Por que?
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