ORGANIZAÇÃO E ARQUITETURA DE COMPUTADORES (36)

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Arquitetura de Um Computador
José Costa
Introdução à Arquitetura de Computadores
Departamento de Engenharia Informática (DEI)
Instituto Superior Técnico
2013-09-20
José Costa (DEI/IST) Arquitetura de Um Computador 1
Sumário
Perspetiva Histórica
Tipos de Computadores
Tipos de Processadores
Organização Interna de Um Computador
Estrutura Interna de Um Processador
Interação com o Exterior
Níveis de Abstração de Um Computador
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Arquitetura de Um Computador (1/2)
Computador
Sistema digital programável através de uma sequência de instruções
guardadas em memória.
Elemento crucial num computador é a sua unidade central de
processamento, ou processador.
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Arquitetura de Um Computador (2/2)
Processador
Sistema digital constituído por um circuito de dados e um circuito de
controlo.
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Charles Babbage (1791-1871)
Charles Babbage projetou o primeiro computador
mecânico capaz de desempenhar automaticamente
sequências de operações
Computador conhecido como o difference engine
usava apenas elementos mecânicos
podia ser programado para construir
tabelas matemáticas
Ainda foram feitos planos para construir
o analytical engine
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Sistemas Eletro-Mecânicos
Primeiro computador completamente automático foi construído
em 1944
Harvard Mark I
18 por 2,5 metros
5 toneladas, 760.000 partes e centenas de kilometros de cabos
9 bytes de memória
3 segundos para fazer adição ou subtração
1º bug da história
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Computadores Eletrónicos Digitais
ENIAC (1946)
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Computadores de Primeira Geração
(1942 - 1955)
Estes computadores a válvulas ficaram conhecidos
como computadores de primeira geração
O uso de válvulas impunha limites
problemas de fiabilidade
problemas de tamanho
Ocupavam tipicamente uma sala de
grandes dimensões
Podiam funcionar continuamente apenas
durante poucas horas
válvulas falhavam com muita
frequência
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Computadores de Segunda Geração
(1955 - 1964)
Baseados em transistores
Discos magnéticos para guardar informação
Memórias baseadas em ferrites
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Computadores de Terceira Geração
(1964 - 1975)
Baseada em circuitos integrados
Permitiu redução no tamanho dos
computadores
E consequente aumento do número de portas
lógicas possível de empacotar num dado
volume
Um dos computadores com mais sucesso foi o
IBM/360
Separação entre o conjunto de instruções e a
implementação física
Permitiu criar uma série de famílias que
executavam o mesmo conjunto de instruções
Maior reutilização do esforço do programador
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Computadores de Quarta Geração
(1975 -)
Baseados em circuitos integrados com grande escala
de integração (VLSI - Very Large Scale Integration)
Processador contido num só circuito integrado
Fez baixar o preço e permitir o uso pessoal
Primeiro processador: 4004 da Intel
Primeiro computador: baseado no 8080 da Intel
IBM definiu o modelo padrão para o computador
pessoal
baseado no processador 8088
arquitetura ainda hoje é a mais usada em PCs
80286, 80386, 80486, Pentium, Pentium II,José Costa (DEI/IST) Arquitetura de Um Computador 11
Computadores de Quinta Geração
Baseados em Inteligência Artificial
Podem entender linguagem falada
Podem imitar o raciocinio humano
Podem responder ao que o rodeia
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Tipos de Computadores
Computadores pessoais
Servidores
Sistemas embebidos
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Computadores Pessoais
Tipicamente quando falamos de computadores estamos a falar deste
tipo
Otimizado para processamento de
Texto, Som, Imagens, Vídeo, Jogos
Dispositivos de entrada e saída
Teclado, Rato, Monitor, Impressora e muitos outros
Fator mais importante: Custo
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Servidores (1/2)
Processam grande quantidade de dados
Têm tipicamente um teclado e um monitor para permitir
configuração local do servidor
Centro de Dados
Grandes salas com muitos servidores
Controlo rigoroso de temperatura, humidade
Controlos de segurança física
Sistemas redundantes de geração de energia
Fator mais importante: desempenho para as aplicações a que se
destina
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Servidores (2/2)
Supercomputadores
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Sistemas Embebidos
São computadores embebidos noutros sistemas, que controlam e
monitorizam.
Estima-se que 95% dos computadores existentes sejam deste tipo
Têm dispositivos de entrada e saída de dados específicos da
aplicação a que se destinam
Fatores mais importantes: custo, consumo de energia e tamanho
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Tipos de Processadores (1/2)
Na classe dos computadores pessoais o dominio é dos processadores
da Intel
Arquitetura padrão do 8088 usado pela IBM
Na classe dos servidores
Elevada capacidade para explorar paralelismo
Maior largura da palavra de dados utilizada
Itanium da Intel, UltraSPARC da Sun, MIPS64 da MIPS
Na classe dos sistemas embebidos
Grande variedade com características muito diferentes entre si
Intel, FreeScale, Microchip, Transmeta
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Tipos de Processadores (2/2)
Microcontroladores
Computador num único circuito integrado
Inclui processador, memória e meios de comunicação com o
exterior
8051 da Intel
Processadores de sinal
Extremamente eficientes em aplicações de processamento de
sinal
Usados em telefones e televisões
Freescale, Texas Instruments
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Organização Interna de Um Computador
Computador é programável através de uma sequência de instruções
guardadas em memória
As instruções especificam qual a sequência de operações de
manipulação de dados que deve ser executada
Cada instrução especifica, de forma única, qual a operação que deve
ser executada e quais os operandos aos quais a mesma deve ser
aplicada
Exemplo
conteúdo da posição 10FAh da memória deve ser somado ao
conteúdo do registo R3, devendo o resultado ser guardado na mesma
posição de memória, 10FAh
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Unidade Central de Processamento
Capacidade para executar um conjunto de instruções
Tem um certo número características comuns de processador
para processador
Contém
circuitos combinatórios que permitem efetuar operações lógicas
e aritméticas
registos que permitem guardar os dados e resultados das
operações
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Instruções
São guardadas sequencialmente em memória
Em geral são executadas pela ordem em que se encontram
Existem instruções que alteram essa ordem
Instruções de salto
Instrução poderá especificar que a próxima instrução a executada é a
instrução na posição de memória AAF0h.
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Memória
UNIDADE
CENTRAL DE
PROCESSAMENTO
MEMÓRIA
DADOS
ENDEREÇOS
E CONTROLO
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Fases de Execução de Uma Instrução
1 UCP envia endereço da próxima instrução para a memória e
recebe palavra com a instrução a executar
2 UCP descodifica instrução identificando quais os operandos e
qual o tipo de operação
3UCP carrega os operandos - podem estar na memória ou nos
registos
4 UCP executa a operação
5 UCP escreve resultado - em memória ou nos registos
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Alternativas
Processadores modernos são extremamente complexos e usam
diferentes técnicas para acelerar a velocidade de processamento
Algumas diferenças
Podem ser necessários vários acessos à memória para obter ou
guardar os operandos
Instruções podem ser executadas em paralelo
Uso de arquitetura de Harvard
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von Neumann vs Harvard
Arquitetura de von Neumann
Uma só memória guarda dados e programa
Arquitetura de Harvard
Duas memórias separadas para os dados e para o código
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Estrutura Interna de Um Processador
Banco
de
Registos
PC
IR
ULA
Barramento
de Endereços
Barramento
de Dados
Unidade de Processamento
Un
id
ad
e 
de
 C
on
tro
lo
Palavra de
Controlo
Bits de
Estado
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Registos Especiais
Contador de Programa (PC)
Indica qual a instrução que está a ser executada a cada momento
É um endereço de memória
Registo de Instrução (IR)
Contém a instrução que está a ser executada
Determina a sequência de operações que serão executadas
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Interação com o Exterior
Para comunicar com os utilizadores, o computador usa diversos
dispositivos periféricos
teclados, ratos, monitores, impressoras
discos, fitas magnéticas, interfaces de rede
Dispositivos encontram-se ligados a portos de entrada/saída
Os portos de entrada/saída controlam estes periféricos usando um
protocolo que varia de periférico para periférico
Protocolo
Conjunto de regras que permitem a transferência correta de
informação entre diferentes entidades
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Acesso aos Dispositivos
UNIDADE
CENTRAL DE
PROCESSAMENTO
MEMÒRIA
D
A
D
O
S
EN
D
ER
EÇ
O
S 
E 
CO
N
TR
O
LO
PORTO SÉRIE
PORTO PARALELO
PLACA GRÁFICA
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Tratamento de Dados
Diferentes periféricos tratam os dados diferentemente
Porto série, os dados são enviados em série que depois serão
interpretados pelo periférico
Placa gráfica interpreta os dados como comandos para desenhar
pontos no monitor
Controlador de disco escreve os dados recebidos em localizações
específicas do disco magnético
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Níveis de Abstração de Um Computador
NÍVEL 0
NÍVEL 1
NÍVEL 2
NÍVEL 3
NÍVEL 4
NÍVEL 5 APLICAÇÃO
PROGRAMA EM
LINGUAGEM DE ALTO NÍVEL
PROGRAMA EM
LINGUAGEM ASSEMBLY
PROGRAMA EM 
LINGUAGEM MÁQUINA
PROGRAMADOR
COMPILADOR
ASSEMBLER
PROJECTISTAS DO
PROCESSADOR
MICRO−PROGRAMA EM LINGUAGEM
DE TRANSFERÊNCIA DE REGISTOS PROJECTISTAS DE
SISTEMAS DIGITAIS
SISTEMA DIGITAL
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Sumário
Perspetiva Histórica
Tipos de Computadores
Tipos de Processadores
Organização Interna de Um Computador
Estrutura Interna de Um Processador
Interação com o Exterior
Níveis de Abstração de Um Computador
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Referências
Arquitectura de Computadores: dos Sistemas Digitais aos
Microprocessadores,
G. Arroz, J. Monteiro, A. Oliveira,
Secções 9.1 a 9.7
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Próxima Aula
Representação Digital da Informação
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	Perspetiva Histórica
	Tipos de Computadores
	Tipos de Processadores
	Organização Interna de Um Computador
	Estrutura Interna de Um Processador
	Interação com o Exterior
	Níveis de Abstração de Um Computador