Arquitetura de Computadores - Aula 2 - Estrutura e Tempo de Processamento

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Prof. Maurício Caldora Costa
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 Estrutura representa o modo como os componentes 
são inter-relacionados.
 Função é a operação individual de cada componente 
como parte da estrutura.
◦ Processamento de dados.
◦ Armazenamento de dados.
◦ Movimentação de dados.
◦ Controle.
 Existem quatro componentes estruturais principais:
❑Unidade central de processamento (CPU)
❑Memória principal
❑Entrada /Saída (E/S)
❑Interconexão do sistema (barramento)
 Além dos componentes principais, o computador
interage de alguma forma com seu ambiente externo
◦ Em geral, todas essas ligações com o ambiente externo podem ser
classificadas como dispositivos periféricos ou linhas de comunicação.
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✓ Unidade de controle: Controla a operação da CPU e, portanto do 
computador;
✓ Unidade lógica e aritmética: (ULA ou ALU, do inglês arithmetic and logic
unit) realiza as funções de processamento de dados do computador;
✓ Registradores: oferece armazenamento interno à CPU;
✓ Interconexão da CPU: mecanismo que oferece comunicação entre unidade 
de controle, ULA e registradores;
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Computador
Memória
principal
E/S
Interconexão
do sistema
Periféricos
Linhas de
comunicação
CPU
Computador
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Computador
ALU
Unidade
de
controle
Interconexão
interna da CPU
Registradores
CPU
E/S
Memória
Barramento
do
sistema
CPU
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CPU
Memória
de
controle
Registradores e
decodificadores da
unidade de 
controle
Lógica de
sequenciação
Unidade
de
controle
ALU
Registr.
Barramento
interno
Unidade de controle
▪ Um processador é um circuito integrado, composto por portas
lógicas e organizados de tal forma que permitem a realização de
operações digitais, lógicas e aritméticas.
▪ Sua operação é baseada na decodificação de instruções, que são
sincronizadas por um sinal periódico de clock e armazenadas em
uma memória programável.
▪ Ele utiliza uma memória programada (ROM) para ler as instruções a
serem executadas e se utiliza da memória de dados (RAM) para
armazenar temporariamente informações de uso próprio das
instruções.
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▪ Os processadores e os CI’s podem ser fabricados em pacotes quadrados
com pinos nos quatro lados ou na parte de baixo como os PGAs (Pin
Grid Arrays) ou LGAs (Land Grid Arrays).
PGA LGA
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Estrutura proposta por John von Neumann
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 A unidade de controle opera o IAS buscando instruções da memória e
executando-as uma de cada vez, para isso a unidade de controle e a ULA
(unidade lógica e aritmética) contém locais de armazenamento, chamados
registradores, definidos como segue:
 Registrador de buffer de memória (MBR, do inglês memory buffer
register): contém uma palavra a ser armazenada na memória ou enviada à
unidade de E/S, ou é usada para receber uma palavra da memória ou uma
unidade de E/S;
 Registrador de endereço da memória (MAR, do inglês memory address
register): especifica o endereço de uma posição na memória;
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 Registrador de instrução (IR, do inglês instruction register): contém o
opcode (código de operação) de 8 bits da instrução que está sendo executada;
 Registrador de buffer de instrução (IBR, do inglês instruction buffer
register): empregado para manter temporariamente a próxima instrução a ser
executada;
✓ Contador do programa (PC, do inglês program counter): contém o endereço
da instrução a ser buscada na memória;
✓ Acumulador (AC) e quociente multiplicador (MQ), do inglês multiplier
quotient): empregados para manter temporariamente operandos e resultados de
operações da ULA;
 Em contrapartida à arquitetura de von Neumann que utiliza o mesmo
barramento interno para dados e instruções, a arquitetura Harvard, que
teve seu início no projeto Mark da Universidade de Harvard, utiliza
barramentos para dados e instruções separadamente.
 Na arquitetura von Neumann a busca de dados e instruções não pode
ser executada simultaneamente, o que pode ocasionar um gargalo,
sendo corrigida com a implementação de busca antecipada (pipeline).
 Já na arquitetura Harvard os dados e instruções podem ser acessados
simultaneamente, tornando essa arquitetura mais ágil e a mais utilizada
em sistemas microcontrolados.
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➢ As ações no processador exigem que os sinais sejam enviados de um
elemento do processador para outro;
➢ Quando um sinal é colocado em uma linha dentro do processador é
necessário alguma quantidade finita de tempo para os níveis de
voltagem se estabilizarem, de modo que um valor preciso (0 ou 1)
esteja disponível;
➢ Além disso, dependendo do layout físico dos circuitos do processador,
alguns sinais podem mudar mais rapidamente do que outros;
➢ Assim, as operações precisam ser sincronizadas e ritmadas de modo
que valores de sinal elétrico (voltagem) apropriados estejam
disponíveis para cada operação;
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➢ Normalmente, os sinais de clock são gerados por um cristal de quartzo,
que gera uma onda de sinal constante enquanto a alimentação é
aplicada;
➢ Essa onda é convertida em um stream de pulsos de voltagem digital,
que é fornecido em um fluxo constante aos circuitos do processador;
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➢ Algumas definições:
➢ Um processador de 1GHz (1x109Hz) recebe 1 bilhão de pulsos por
segundo;
➢ A taxa de pulsos é conhecida como taxa de clock ou velocidade de
clock;
➢ Um incremento (pulso) do clock é conhecido como um ciclo de clock
ou clock tick;
➢ O tempo entre os pulsos é o tempo de ciclo;
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➢ Todas as operações realizadas por um processador como a busca e
decodificação de uma instrução, assim como a realização de uma
operação aritmética são controladas por um clock do sistema;
➢ Normalmente, todas as operações começam com um pulso de clock, de
modo que no nível mais fundamental, a velocidade de um processador
é ditada pela frequência de pulso produzida pelo clock, medida em
ciclos por segundo ou Hertz;
➢ A taxa de execução de instrução em um processador é controlado pelo
clock com uma frequência constante f, onde um tempo de ciclo
constante de um clock τ é descrito como:
f
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=
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➢ O tempo que um processador T utiliza para executar um determinado
programa é expresso por:
➢ Ic é a contagem de instruções em um programa, executadas em uma
máquina até o final da rotina ou por algum intervalo de tempo definido.
➢ CPI (cycles per instruction) é outro parâmetro importante, que define a
média de ciclos por instrução.
**CPIIT c=
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➢ Outro cálculo útil se refere à taxa e que as instruções são executadas,
expressa como milhões de instruções por segundo (MIPS – millions of
instructions per second), expressa da seguinte forma:
66
c
10*CPI
f
10*T
I
MIPS ==
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