ARQUITETURA DE COMPUTADORES_Slide da Disciplina Resumo

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ARQUITETURA DE 
COMPUTADORES 
SISTEMAS DE INFORMAÇÃO – CEAD/UFPI 
PROFESSOR: EVERTON DIAS 
MÁQUINA MULTINÍVEL 
1 
Linguagem Orientada a 
Problemas 
Linguagem de 
Montagem (Assembly) 
Sistema Operacional 
Conjunto de Instruções 
Microarquitetura 
(Circuitos Digitais) 
Lógico Digital 
(Circuitos Eletrônicos) Nível 0 ----------------------------------- 
Nível 1 ----------------------------------- 
Nível 2 ----------------------------------- 
Nível 3 ----------------------------------- 
Nível 4 ----------------------------------- 
Nível 5 ----------------------------------- 
ESQUEMA DE NÍVEIS 
DAS ARQUITETURAS 
DE COMPUTADORES 
 
COMPUTADORES E SUA EVOLUÇÃO 
2 
A palavra “computador” vem do verbo “computar” que, por sua vez, significa “calcular”. 
VÁLVULA 
 Entre 1945 a 1955: Computadores 
compostos por circuitos a válvulas. 
 ENIAC (Electronic Numerical Integrator 
Analyzer and Computer): Mais famoso dessa 
geração, construído em 1945. 
 Aritmética decimal, ao invés de binária 
 Programação manual, por meio de chaves e 
cabos 
3 
1ª GERAÇÃO 
TRANSISTOR 
 Substituíram as válvulas com mais eficiência, 
pois eram componentes mais ágeis 
 Dissipavam menos calor 
 Gastavam menos energia 
 Utilizavam unidades lógicas e aritméticas e 
 unidades de controle mais complexas 
4 
2ª GERAÇÃO 
CIRCUITO INTEGRADO 
 Período: 1965- 1980 
 Consomem menos energia 
 Ocupam menos espaço 
 No Brasil é comum chama-los de CHIP. 
 Possibilitou o conceito de Sistemas Multitarefa 
(Multithread) 
 Foi possível graças: 
 Avanços na Microeletrônica 
 Barateamento na produção dos componentes 
5 
3ª GERAÇÃO 
CIRCUITO INTEGRADO EVOLUIDO 
 Utilização de circuitos em grande escala 
 Computadores tornaram-se mais baratos, 
potentes, compactos, confiáveis e acessíveis 
 Origem do Personal Computer (PC) 
 Utilização das linguagens de alto nível como C, 
C++, DBASE etc., 
 Conceito de processamento Pipeline 
 Conceito de internet introduzido 
6 
4ª GERAÇÃO 
DIAS ATUAIS 
 Surgimento das arquiteturas de 64 bits 
 Processadores com tecnologias RISC e CISC 
 Discos rígidos com capacidade superior a 
600GB 
 Pen-drives com mais de 1GB de memória 
 Inteligência Artificial (IA) 
 Conectividade. 
7 
5ª GERAÇÃO 
PADRÃO VON NEWMANN 
8 
Projeto modelo de um computador 
digital que utiliza uma 
unidade de processamento (CPU) e 
uma de armazenamento (Memória) 
para comportar, respectivamente, 
instruções e dados. 
EVOLUÇÃO DOS PROCESSADORES 
9 
 Intel 4004: Foi o primeiro microprocessador a ser lançado, em 
1971 
 Meados da década de 70: A arquitetura x86 foi criada. 
 As CPUs 80386 e 80486 são lançadas entre o meio e o fim da 
década de 80 
 1993: O primeiro Pentium (Intel) é lançado. 
 
EVOLUÇÃO DOS PROCESSADORES 
10 
 1995, a Intel lançava o Pentium Pro. 
 1996: A AMD lançou o AMD K5 para concorrer com o Pentium original. Dois anos depois, o 
Pentium II foi lançado, atingindo o clock de 450 MHz. 
 1997: O AMD K6 foi lançado para bater as futuras linhas Pentium. 
 Entre 1999 e 2000: Pentium III e o AMD Atlhon (K7) estavam guerreando pelo maior clock. 
Por um período de tempo, a AMD liderou a disputa, pois o Atlhon, que trabalhava com frequências 
maiores do que 1 GHz, superou o Pentium III. 
 2001: A Intel volta ao topo com o Pentium 4 (2 GHz ). 
 Havia disputa entre os processadores “B”: Celeron (Intel) X Duron (AMD). 
 
EVOLUÇÃO DOS PROCESSADORES 
11 
 Possuem dois ou mais núcleos de processamento (cores) no interior de um único chip. 
Estes dois ou mais núcleos são responsáveis por dividir as tarefas entre si. 
 O surgimento dos processadores multicore, tornou-se necessário principalmente devido a 
missão cada vez mais difícil de resfriar processadores de apenas um núcleo com clocks 
cada vez mais altos. 
 Exemplos de hardwares que utilizam a tecnologia multi-core: Athlon 64, Phenom, Turion 64 
X2, Core 2 Duo, Core i3, Core i5, Core i7, Pentium Dual-Core, etc 
 
PROCESSADORES MULTINÚCLEO ( MULTICORE) 
DISPOSITIVOS DE E/S 
12 
 Teclado 
 Mouse 
 Vídeo 
 Câmera 
 Modem 
 Scanner 
 Impressora 
DISPOSITIVOS DE ARMAZENAMENTO 
13 
 Memória semicondutora 
 Fitas magnéticas 
 Discos magnéticos 
 Discos flexíveis 
 Discos ópticos 
 Pen drive 
 Flash drive 
MEMÓRIAS 
Memória são todos os dispositivos que permitem a um computador 
guardar dados, temporária ou permanentemente. 14 
MEMÓRIA ROM 
15 
Os dados não se “perdem” quando a energia é cortada (não-volátil). 
 PROM: Possui programa gravado e não se apaga os dados. 
 EPROM: Memória somente de leitura programável e apagável. 
Gravação feita com incidência de luz ultravioleta. 
 EEPROM: Memória somente de leitura programável e apagável. 
Gravação feita eletricamente. Evoluiu para a memória flash. 
 BIOS: Um software gravado em memória rom. 
MEMÓRIA FLASH (EEPROM) 
16 
Tipo de Dispositivo de armazenamento não volátil que pode ser eletricamente apagado e 
reprogramado. 
 Pode ser gravada rapidamente (daí seu nome). 
 Permite armazenar dados por longos períodos, sem precisar de alimentação 
elétrica 
 Mídia dominante em cartões de memória, pendrives, Unidades de estado 
sólido (SSDs) 
MEMÓRIA RAM 
17 
Tipo de memória que permite leitura e escrita de dados, sendo considerada a 
memória principal ou primária de qualquer sistema computacional. 
 DRAM (RAM Dinâmica): Precisa que a informação seja atualizada o tempo todo. 
Esse tipo de RAM gasta mais energia se comparado com a SRAM. 
 SRAM (RAM Estática): Consegue manter os bytes mesmo sem atualização 
contínua, perdidos somente após a interrupção da fonte de energia. A memória 
RAM estática é mais cara, mas entrega uma melhor performance. 
MEMÓRIA CACHE 
18 
É uma memória de alto desempenho localizada dentro do processador e que serve 
para aumentar a velocidade no acesso aos dados e instruções armazenados 
na memória RAM. 
 
▰ Quando o processador tenta ler uma palavra da memória, é feita uma verificação 
para determinar se a palavra está na cache. Se estiver, ela é entregue ao 
processador. Se não, um bloco da memória principal é lido para a cache e depois a 
palavra é fornecida ao processador. 
ORGANIZAÇÃO DA MEMÓRIA RAM 
19 
 As memórias são compostas por células. 
 Uma célula é a menor unidade de endereçamento. 
 Cada célula tem um número (em binário) denominado endereço. 
 Se uma memória possui n células, seus endereços vão de 0 a n-1. 
 Todas as células possuem o mesmo número de bits. 
CAPACIDADE DE MEMÓRIA RAM 
20 
 Uma memória RAM é um conjunto de N células (endereços), 
cada uma armazenando um valor com tamanho M bits. 
 A memória tem N endereços: Sendo N = 2E, e E = Tamanho do 
Barramento de Endereços. É quantidade de bits dos números 
que representam cada um dos N endereços. 
 O total de bits que podem ser armazenados na referida 
memória é T, sendo: T = N x M 
CAPACIDADE DE MEMÓRIA RAM 
N = 8 = 23 
21 
0000 
M = 4 = 22 
N = Quantidade de endereços (células) 
M = Tamanho da célula 
T = M x N = Capacidade total da MP 
E = Tamanho do barramento de 
endereço 
N = 2E E = 3 
CAPACIDADE DE MEMÓRIA RAM 
22 
▰ Uma memória RAM tem um espaço máximo de 
endereçamento de 2K. Cada célula pode armazenar 
16 bits. Qual o valor total de bits que podem ser 
armazenados nesta memória e qual o tamanho de 
cada endereço? 
Considere o exemplo abaixo: 
CAPACIDADE DE MEMÓRIA RAM 
23 
▰ N=2k = 21 . 210 = 211 
▰ N=2E  211=2E  E=11(cada endereço possui tamanho igual a 11 bits) 
▰ M= 16 
▰ T=N . M T= T= 211.16  T=211.24  T=215 Ou T=25.210=32K 
Bits (valor total de bits que podem ser armazenados nesta memória) 
 
Solução: 
CAPACIDADE DE MEMÓRIA RAM 
24 
▰ Um microcomputador possui uma capacidade máxima de Memória Principal 
de 32K células, cada uma capaz de armazenar uma palavra de 8 bits. 
Pergunta-se: 
 
a) Qual o tamanho do Barramento de Endereços destesistema 
b) Qual é o total de bits que podem existir nesta memória? 
Considere o exemplo abaixo: 
CAPACIDADE DE MEMÓRIA RAM 
25 
▰ N=32k = 25 . 210 = 215 
▰ N=2E  215=2E  E=15(cada endereço possui tamanho igual a 15 bits) 
▰ M= 8 
▰ T=N . M T= T= 215.8  T=215.23  T=218 Ou T=28.210=256K 
Como 1 byte = 8bits, podemos afirmar que 256k /8 = 32KBytes 
Solução: 
HIERARQUIA DE MEMÓRIA 
26 
DETECÇÃO E CORREÇÃO DE ERROS 
 O Código de Hamming é um código de detecção. Permite não apenas detectar 
erro de um bit, mas também a localização do bit errado. 
A ideia é inserir bits extras no byte de informação. 
Quanto mais bits são inseridos na palavra original, maior será a chamada distância 
de Hamming. 
Quanto maior for a distância de Hamming, mais fácil será detectar que 
determinado bit foi trocado, ou melhor ainda, será possível reverter essa troca e 
assim corrigir o bit errado sem haver necessidade de retransmissão da palavra. 
 
27 
 
ALGORITMOS DE SUBSTITUIÇÃO DE PÁGINAS 
28 
 LRU (least recently used): Substitui o bloco no conjunto que 
permaneceu na cache por mais tempo sem qualquer referência a ele. 
 FIFO (First-in-first-out): Substitui o bloco no conjunto que esteve na 
cache por mais tempo. 
 LFU (Least frequently used): Substitui o bloco que tiver menos 
referências 
 Random: Escolhe um bloco aleatoriamente. Possui desempenho 
inferior às baseadas no uso. 
ESCRITAS NA MEMÓRIA CACHE 
29 
 Write-through: Todas as operações 
de escrita são feitas na MP e na 
cache, garantindo que a memória 
principal seja sempre válida. 
 Write-back: As atualizações são 
feitas apenas na cache, 
minimizando as escritas na 
memória. 
 
BARRAMENTOS 
29 
Um barramento é um conjunto de linhas de comunicação que permitem a interligação 
entre dispositivos de um sistema de computação 
 Barramentos Síncronos: Exigem que todo fluxo de dados aconteça em sincronia 
com uma base de tempo conhecida como clock do sistema. 
 Barramento Assíncrono: Não segue um relógio mestre para realizar suas 
operações. 
 Ativos ou Mestres: Dispositivos que comandam o acesso ao barramento para 
leitura ou escrita de dados 
 Passivos ou Escravos: Dispositivos que simplesmente obedecem à requisição do 
mestre. 
 
ALGUNS TIPOS DE BARRAMENTOS 
30 
 ISA: IBM PC, 8 BITS 
 MCA: No intuito de substituir o ISA, possuía frequência maior, 
mas era proprietário, não houve popularidade. 
 EISA: compatível com o Barramento ISA, utiliza para 
comunicação palavras binárias de 32 bits e frequência de 8 
MHz. 
 PCI: INTEL, 32BITS (há versão 64 bits), plug and play, 
 AGP: Exclusivo para placas de vídeo, “ajudavam” a memoria 
principal 
 PCI Express: Veio para substituir o AGP e PCI 
 
INTERFACES (BARRAMENTOS EXTERNOS) 
31 
 Interface Serial 
 Interface Paralela 
 Firewire 
 VGA 
 HDMI 
 DVI 
 Ata e Sata 
 PS/2 (mini-din) 
PROCESSADOR 
A unidade central de processamento ou CPU (Central Processing Unit), também 
conhecida como Processador, é a parte de um sistema computacional, que 
realiza as instruções de um programa de computador, para executar a aritmética 
básica, lógica, e a entrada e saída de dados. 
32 
CICLO BDE (BUSCA-DECODIFICA-EXECUTA) 
33 
ORGANIZAÇÃO DOS MICROPROCESSADORES 
34 
 ULA – Unidade Lógico-Aritmética 
 UC – Unidade de Controle 
 MAR – Memory Address Register (Endereço) 
 MBR – Memory Block Register (Dados) 
 PC – Program Counter 
 Registradores de Uso Geral 
UNIDADE DE CONTROLE (UC) 
35 
 Gerencia todas as operações realizadas pela CPU 
 Busca instruções e operandos 
 As operações possuem código de identificação único 
 O sinal de clock dá o ritmo da execução das micro operações 
 Dados e instruções são copiados para dentro da CPU nos 
registradores 
INTERRUPÇÕES 
36 
Um código enviado a CPU por algum dispositivo solicitando recursos, 
interrompendo o funcionamento sequencial do processador. 
O que a CPU faz? 
 Troca de Contexto 
DIRECT MEMORY ACCESS (DMA) 
37 
Permite que certos dispositivos (controladores de disco, placas gráficas, rede e 
som) de hardware acessem a memória do sistema para leitura e gravação 
independentemente da CPU. 
 O DMA permite a transferência de dados direto para a memória sem 
interferência da CPU. 
 A CPU inicia a transferência, mas não executa a transferência. 
 Quando a transferência acaba, o DMA envia uma interrupção para a CPU. 
 A CPU é envolvida apenas no começo e no final da transação. 
 
DIRECT MEMORY ACCESS (DMA) 
38 
ASSEMBLY (LINGUAGEM DE MONTAGEM) 
39 
 Conjunto de instruções que a máquina reconhece e executa. 
 É utilizada, em geral, para programação em baixo nível (mais próxima 
do nível de hardware) 
 As instruções podem ser classificadas em uma das categorias a seguir: 
 Leitura/Escrita em memória; 
 Operações lógicas e aritméticas sobre dados; 
 Controle da sequência de execução; 
 Entrada/Saída. 
 
ASSEMBLY (LINGUAGEM DE MONTAGEM) 
40 
 Os opcodes são representados por abreviações (mnemônicos) que 
indicam a operação 
 ADD –Adiciona 
 SUB –Subtrai 
 MUL –Multiplica 
 DIV –Divide 
 LOAD –Carrega dados da memória 
 STOR –Armazena dados na memória 
 
PILHA 
41 
Estrutura usada pelo HW para orientar o 
processador após o término de uma sub-rotina 
 Uma pilha possui duas operações básicas 
importantes: 
• PUSH: insere um novo elemento no topo da 
lista; 
• POP: remove o elemento do topo da lista. 
REALOCAÇÃO 
42 
 Códigos-fonte são submetidos a um “processo de tradução” (compilação, 
interpretação ou montagem) para linguagem de máquina. 
 
 Compilação: Código fonte transformado em executável, ou binário. 
 Interpretação: Não gera binário, cada linha é interpretada e a instrução é 
enviada de imediato para a CPU executar. 
 Montagem: Escritos originalmente em Assembly 
REALOCAÇÃO - JAVA 
43 
CISC (COMPLEX INSTRUCTION SET COMPUTER) 
43 
 Grande quantidade de instruções com múltiplos modos de 
endereçamento 
 Numero pequeno de registradores 
 Usa-se a UC da CPU para quebrar as instruções em outras menores 
 Controle das instruções por microprogramação 
 Numero de instruções alto 
 Instruções complexas durante vários ciclos 
 Muitas instruções podem acessar a memória 
 
 
RISC (REDUCED INSTRUCTION SET COMPUTER) 
44 
 Uso avançado do Pipeline 
 Controle por hardware 
 Instruções com tamanho fixo 
 Execução rápida das instruções 
 Muitos registradores 
 Uso de compiladores mais complexos 
 Uso do load/Store para acesso a memoria 
 Modo simples de endereçamento 
 
 
CISC X RISC 
45 
ARQUITETURA ARM 
46 
 Desenvolvida por Acorn Computers LTDA 
 Domina o mercado de baixa potência e sistemas de baixo custo embutido. 
 De modo geral possuem tamanho fixo de 32 bits 
Onde podemos encontrar? 
• iPod, iPhone, iPad 
• Smartphones, palmtops, PDAs 
• Nintendo game boy advance 
• Netbooks (principalmente para concorrer com o Atom da Intel) 
 
 
47 
Bons Estudos! 
Alguma dúvida? 
Prof. Everton Dias 
everton@upi.edu.br 
Esse material foi desenvolvido no intuito de ajudar os alunos com os principais conceitos envolvendo 
Arquitetura de Computadores. É um resumo do conteúdo geral da disciplina. Foi utilizado como base o 
livro ‘‘ Arquitetura de Computador’’, de Flávio Ferry de Oliveira Moreira, que está disponível no Sigaa.