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Aula 02 - Conceitos de Hardware e Software Por Sediane Carmem Lunardi Hernandes 1 1. Hardware Unidades funcionais 2 Memória Principal Dispositivos de E/ S Processador / UCP Unidade Lógica e Aritmética Registradores Unidade de Controle UCP (Unindade Central de Processamento) = CPU (Central Processing Unit) 1.1 Processador É o cérebro do computador e é nele que as informações são processadas Controla e executa instruções presente na memória principal, através de operações básicas como somar, subtrair, comparar e movimentar dados Composto por: ◦ Unidade de Controle (UC): Acessa sequencialmente as instruções do programa, decodificando-as, e coordena o fluxo de dados de entrada e saída da unidade lógica e aritmética, registradores, armazenamento primário e até armazenamento secundário e vários dispositivos de saída Ou seja, gerencia as atividades de todos os componentes do computador, como a gravação de dados em disco ou a busca de instruções na memória ◦ Unidade Lógica e Aritmética (ULA): Realiza cálculos matemáticos e faz comparações lógicas ◦ Registradores São áreas de armazenamento de alta velocidade utilizadas para o armazenamento temporário de instruções e dados imediatamente antes, durante e depois da execução pelo processador (CPU) 3 1.1 Processador (cont.) Registradores de destaque: ◦ Contador de instruções (Program Counter – PC) Contem endereço da próxima instrução que o processador deve buscar e executar Toda vez que o processador busca uma nova instrução, este registrador é atualizado com o endereço de memória da próxima instrução a ser executada ◦ Apontador de Pilha (Stack Pointer – SP) Contém o endereço de memória do topo da pilha (estrutura de dados onde o sistema mantém informações sobre programas que estavam sendo executados e tiveram que ser interrompidos) ◦ Registrador de Status (Program Status Word - PSW) Armazenam informações sobre a execução das instruções Estouro de pilha (Overflow) Sinal Zero 4 1.1 Processador (cont.) A execução de qualquer instrução envolve (Ciclo de fetch-decode-execute): 1) Busca da instrução 2) Decodificação da instrução 3) Execução da instrução 5 Busca instrução na memória Executa instrução no processador Decodifica instrução da memória 1.1 Processador (cont.) Completar a fase de busca, decodificação e execução da instrução Ciclo de máquina ◦ Computador executa uma instrução durante um ciclo de máquina Tempo em que ocorre ciclo de máquina Nanossegundos (1 bilionésimo de segundo) Picossegundos (1 trilionésimo de segundo) Também, pode ser medido pelo número de instruções executadas em um segundo MIPS = milhões de instruções por segundo Entretanto, CPU produz sério de pulsos eletrônicos a uma taxa predeterminada (velocidade de relógio) ◦ Afeta o tempo do ciclo de máquina 6 1.1 Processador (cont.) Pulsos eletrônicos são gerados pelo clock ◦ O clock é um dispositivo localizado na UCP que gera pulsos elétricos síncronos em um determinado intervalo de tempo (sinal de clock) ◦ A quantidade de vezes que este pulso se repete em um segundo define a frequência do clock A frequência do clock (velocidade de relógio) de um processador é muitas vezes medida em ◦ Megahertz (MHz – milhões de ciclos por segundo, ou seja, em um segundo são buscadas, decodificadas e executadas milhões de instruções) ◦ Gigahertz (GHz – bilhões de ciclos por segundo) 7 Curiosidade Intel 8080 (1982): velocidade de relógio de 2MHz Pentium 4 (2002): velocidade de relógio de 3.2 GHz 8 Quanto mais rápida a velocidade de relógio do processador, mais calor é gerado, e esse calor deve ser dissipado para evitar corromper dados e instruções que o computador está tentando processar 2006 Dell ,Apple, Toshiba, Lenovo (recall de baterias) 1.1 Processador (cont.) Exemplificando: ◦ Processador de 500 MHz – 500.000 KHz – 500.000.000 Hz Quinhentos milhões de ciclos de máquina por segundo, ou seja, 500 milhões de instruções são executadas (buscadas e decodificadas) a cada ciclo de clock (velocidade de relógio) ◦ Processador de 2.5 GHz – 2.500 MHz – 2.500.000 KHz – 2.500.000.000 Hz Dois bilhões e 500 milhões de ciclos de máquina por segundo, ou seja, dois bilhões e 500 milhões de instruções sendo buscadas, decodificadas e executadas por ciclo de clock ◦ E um processador de 2.26 GHz? 9 1.1 Processador (cont.) Qual processador apresenta maior velocidade de processamento? ◦ 900 MHz ou ◦ 1.0 GHz? Resposta: ◦ 900 MHz – 900.000 KHz – 900.000.000 Hz, ou seja, 900 milhões de instruções sendo executadas a cada ciclo de clock (velocidade de relógio) ◦ 1.0 GHz – 1.000 MHz – 1.000.000 KHz – 1.000.000.000 Hz, ou seja, 1 bilhão de instruções sendo executadas em um único clico de clock 10 1.1 Processador (cont.) Exercite ◦ Quantos ciclos de máquina por segundo apresentam os seguintes processadores? a) Processador de 2.5 GHz ______________________________ b) Processador de 3.0 GHz ______________________________ c) Processador de 3.2 GHz ______________________________ 11 1.2 Memória principal Local onde são armazenados dados e instruções Composta por células, sendo que cada célula é composta por um número determinado de bits A maioria dos computadores utiliza células de 8 bits (1 byte) Acesso ao conteúdo de uma célula (leitura ou gravação) é realizado através da especificação do endereço da célula Classifica-se em: RAM, ROM e Cache 12 célula = 8 bits e n d e re ço s 0 2 -1 16 2 1 instrução ou dado Memória com 64Kbytes 1.2 Memória principal (cont.) RAM (Random Access Memory – Memória de Acesso Aleatório) ◦ localiza-se fisicamente perto da CPU, mas não no próprio chip da CPU ◦ é a área de trabalho do computador ◦ é volátil, porque todo o seu conteúdo é perdido ao se desligar o computador ◦ Variedades: SRAM (Static Random Access Memory): usada em caches e em registradores DRAM (Dynamic Random Access Memory): utilizada em uma memória principal DDR RAM: forma aperfeiçoada de DRAM que dobra a taxa na qual os dados podem ser movidos para fora e para dentro da memória principal 13 1.2 Memória principal (cont.) ROM (Read Only Memory - Memória apenas para leitura) ◦ é menor do que a RAM e seu conteúdo já vem gravado de fábrica não pode ser alterado pelo usuário ◦ na ROM estão gravadas algumas informações básicas que são executadas sempre que o computador é ligado (instruções que dizem ao computador como iniciar quando a energia é ligada) é não-volátil, porque o seu conteúdo é preservado mesmo quando o computador for desligado 16 1.2 Memória principal (cont.) Memória Cache ◦ Memória volátil de alta velocidade com pequena capacidade de armazenamento ◦ Armazena pequena parte do conteúdo da memória principal ◦ Toda vez que processador faz referência a dado armazenado na memória é verificado primeiro se ele se encontra na cache Cache hit Processador encontra dado na cache Cache miss Processador não encontra dado na cache 17 1.3 Memória secundária Meio permanente de armazenamento de programas e dados 18 maior capacidade de armazenamento maior custo e velocidade de acesso Memória Secundária Memória Cache Memória Principal Registradores 1.4 Dispositivos de entrada e saída Utilizados para comunicação entre o hardware e o mundo externo Categorias ◦ Memória secundária Discos Fitas magnéticas ◦ Interface usuário-máquina Teclados Monitores Impressoras Plotters 19 1.5 Barramento Meio físico de comunicação entre as unidades funcionais do computador Dados, endereços e sinais de controle trafegam entre processadores, memórias e dispositivosde Entrada e Saída (E/S) Barramento possui: ◦ Linhas de controle Trafegam informações de sinalização (o tipo de operação que esta sendo realizada) ◦ Linhas de dados Trafegam informações como instruções e operandos que são transferidos entre as unidades funcionais ◦ Linhas de endereço Trafegam endereços 20 1. 6 Pipelining Técnica que permite ao processador executar múltiplas instruções paralelamente em estágio diferentes Semelhante a uma linha de montagem ◦ Enquanto uma instrução se encontra na fase de execução, uma outra instrução pode estar na fase de busca simultaneamente 23 1.6 Pipelining (cont.) Pipeline em quatro estágios 24 Unidade de busca da instrução P1 P4P3P2 Analisador da instrução Unidade de busca dos dados Unidade de execução da instrução Instr.1 Instr.2 Instr.3 Instr.4 Instr.5 Instr.6 Instr.7 Instr.1 Instr.2 Instr.3 Instr.4 Instr.5 Instr.6 Instr.1 Instr.2 Instr.3 Instr.4 Instr.5 Instr.1 Instr.2 Instr.3 Instr.4 P1 P2 P3 P4 tempo 3. Arquiteturas RISC e CISC Linguagem de máquina (0s e 1s) é a linguagem de programação que o computador realmente entende Cada processador possui o seu próprio conjunto de instruções definido pelo fabricante Programa em linguagem de máquina é executado diretamente pelo processador 37 Utiltários Circuitos Eletrônicos Microprogramação Linguagem de Máquina A rq u it e tu ra R IS C Sistema Operacional Aplicativos 3.1 Arquiteturas RISC (Reduced Instruction Set Computer) Processador com arquitetura RISC possui poucas instruções de máquina (simples e executadas diretamente pelo hardware) Instruções executadas rapidamente Exemplo de processadores ◦ SPARC(Sun) ◦ RS-6000 (IBM) ◦ PA-RISC(HP) ◦ Alpha AXP (Compaq) ◦ Rx000(MIPS) 38 3.2 Arquiteturas CISC (Complex Instruction Set Computers ) Instruções complexas interpretadas por microprogramas Número pequeno de registradores Qualquer instrução pode referenciar a memória principal Implementação do pipelining é mais difícil Exemplos de processadores ◦ VAX (DEC) ◦ Pentium (Intel) ◦ 68xxx (Motorola) 39 Curiosidade Processadores com mais de um núcleo ◦ Contam com dois ou mais núcleos distintos no mesmo circuito integrado, como se houvesse dois (ou mais) processadores dentro de um chip dispositivo pode lidar com dois processos por vez (ou mais), um para cada núcleo, melhorando o desempenho do computador como um todo ◦ Vantagem: podem realizar duas ou mais tarefas ao mesmo; um núcleo pode trabalhar com uma velocidade menor que o outro, reduzindo a emissão de calor; ambos podem compartilhar memória cache; entre outros. 40 Exercícios 1. Observe atentamente o anúncio abaixo e indique qual é o processador envolvido e qual a velocidade de relógio do ciclo busca-decodificação -execução a) Vende-se computador: Intel® Celeron® Processor 500 MHz, 128K Cache, 66 MHz FSB (velocidade do barramento que liga CPU e memória) Processador: ____ Velocidade do Ciclo: ____ a) Vende-se computador: Intel® Celeron® D Processor 2.26 GHz (256K Cache, 533 MHz FSB) Processador: ____ Velocidade do Ciclo: ____ 41 Exercícios 2. Indique qual é a capacidade do disco rígido, da memória RAM e a velocidade de processamento dos computadores abaixo: I. Notebook Sony Vaio Fit SVF15213CBW com Intel® Core™ i5-3337U, 1.8 GHz, 4GB, 750GB, Gravador de DVD, Bluetooth, LED 15.5" e Windows 8 + Headphone Sony ZX300 HD: _______ RAM: _____ Velocidade de processamento: _________ 1) Notebook Touch Sony Vaio Fit com Intel® Core™ i5, 2.7GHz, 6GB, 1TB, Gravador de DVD, Bluetooth, LED 14" e Windows 8 + Pasta para Notebook até 13“ HD: _______ RAM: _____ Velocidade de processamento: _________ 42 Exercícios 3. Escolha, a partir dos anúncios abaixo, o notebook que possui o melhor desempenho global: a) Notebook Positivo Unique S1991 3D com Intel® Dual Core™, 1.1GHz, 2GB, 250GB, Gravador de DVD, Leitor de Cartões, Webcam, LED 14" b) Notebook Positivo Unique TV S2065i/2560 com Intel® Dual Core, 1.1GHz, 4GB, 500GB, Gravador de DVD, Leitor de Cartões, HDMI, TV Digital, LED 14" 43 Bibliografia • SILBERSCHATZ, Abraham, GALVIN, Peter, GAGNE, Greg. Fundamentos de Sistemas Operacionais. 8ª. Ed. Rio de Janeiro : LTC, 2010. • MACHADO, Francis B.; MAIA, Luiz Paulo. Arquitetura de Sistemas Operacionais. 3ª ed. Rio de Janeiro : LTC, 2002. 44
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