arquitetura_aula1

Prof. Dr. Abel Guilhermino da Silva FilhoArquitetura de Computadores, PPGEC/DSC/EPP/UPE

Arquitetura de Arquitetura de

ComputadoresComputadores

ProfessorProfessor

Abel Abel GuilherminoGuilhermino, , DoutorDoutor


Tópicos abordados na disciplina01/03

• Visão geral de um sistema de computação– Máquina de Von-Neumman & IAS– Estrutura e organização de memória

• Tipos de dados e de operações• Tipos e formatos de instruções• Parâmetros das instruções de máquina• Suporte à recursão• Modos de endereçamento



• Tecnologias digitais• Paralelismo

– Pipeline– Superpipeline– Superescalares

– VLIW– Cluster

• Assembly de IBM/PC



• Linguagens de descrição de Hardware– FPGAs

• Linguagens de descrição de arquitetura• Microcontroladores


Bibliografia adotada

1- Arquitetura e Organização de Computadores – Quinta Edição

William Stallings – Prentice Hall

2- Organização e projeto de computadores :

A interface HARDWARE/SOFTWARED. A. Patterson, J. L. Hennessy - Editora LTC

3- Organização Estruturada de ComputadoresAndrew S. Tanenbaum – Editora LTC


Bibliografia adotada

1. Microcontrolador 8051 – Detalhado 6ª. EdiçãoNICOLOSI, D. E. C.– Editora Érica

2. Aplicações Práticas do Microcontrolador 8051- 12ª. EdiçãoVIDAL, P.S.J.– Editora Érica

3. VHDL: Descrição e Síntese de Circuitos Digitais. D’AMORE, R. – Editora LTC

4. Concepção de Circuitos integrados – 2ª. EdiçãoREIS, Ricardo A. L.– Editora Sagra Luzzatto.


Programa

Feriado (Semana Santa)21/mar

1 Exercício escolar15/abr

Revisão para prova11/abr

Assembly (Instruções básicas)08/abr



RISC x CISC, superpipeline, superescalares, VLIW, Clusters28/mar

Organização de registradores / Pipeline25/mar

Modos de endereçamento / formatos de instrução18/mar

Características de instruções, tipos de operandos e operações14/mar

Tecnologias de hardware11/mar

Máquina de Von Neumann, IAS e memória7/mar

Visão geral sobre organização e arquitetura/ Apresentação4/mar


Programa

FPGA29/abr

2 Exercício escolar30/mai

Revisão para prova27/mai

Microcontroladores23/mai



Linguagens de descrição de arquitetura13/mai

Linguagens de descrição de arquitetura09/mai

FPGA06/mai

Recesso Escolar02/mai

Linguagens de descrição de hardware25/abr




PROJETO

Projetos20/jun

Projetos17/jun

Projetos13/jun

Acompanhamento de projeto10/jun



2MIDI player (8051)

2Driver PS2 (FPGA)

2Calculadora c/ cálculos em ponto flutuante (Assembly) (GUI em VGA)

2Pong com saída para VGA (FPGA)

2Genius com microcontrolador 8051

2Transmissão serial de dados entre um 8051 e um PC (Assembly)


Por que COMPUTAÇÃO ????

• Indústria responsável por 5 a 10% do PIB dos EUA

• Apoio a ciência

– Viabilização de ferramentas para exploração de novas fronteiras do conhecimento: biologia, física, química, astronomia, medicina....

• Diminuição dos custos– Aumento das oportunidades pela viabilização de aplicações :

caixas eletrônicos, computadores em automóveis, laptops, projeto genoma, internet (www)....

• Aplicações futuras– dinheiro virtual, rodovias inteligentes, realidade virtual...


∑−

−=

1

.n

mi

ii kb

Revisão � “BASICÃO”(Já tem que saber!!!)

• Sistemas núméricos– Binário– Decimal– Hexadecimal– Octal

• Conversão entre sistemas numéricos• Noções sobre sistemas digitais

– Sinais digitais x Sinais analógicos– Representação por faixas de tensão– Notação binária – Circuitos combinacionais (Portas lógicas)– Circuitos sequenciais (Flip Flops: SR, JK, JK ME, Máq. estados)


Arquitetura Organização

� Tecnologia de

memória

� Interfaces

� Implementação

das instruções

� Interconexões

(barramentos)

� Repertório de

instruções

� Tipos de Dados

� Modos de

endereçamento

� Conjunto de

registradores

X

O que é arquitetura e o que éorganização de computadores?


Arquitetura x Organização

• Arquitetura é constituída pelos os atributosvisíveis ao programador– Família Intel x86 tem a mesma arquitetura– Exemplo: Vai ter instrução de multiplicação?

• Organização descreve como estes atributos vãoser implementados– As máquinas pertencentes à família Intel x86 têm

organização diferente.– Exemplo: Existe uma unidade de hardware para

multiplicação ou a multiplicação é resolvida como um sucessão de somas?


Programas Aplicativos

Linguagens de Alto Nível

Linguagem de Montagem (Assembly)

Controle Microprogramado

Unidades Funcionais (ALU, memória..)

Portas Lógicas

Transistores, dispositivos passivos e fios

Alto Nível

Baixo Nível

Níveis de máquina (abstração)


Projeto de máquinas

(monstro em hardware)

Desenvolvimento de sw básico

Concepção de sistemas simples de computação

Aquisição de computadores (indivíduo quase comum)

Desenvolvimento de aplicações de

alto desempenho

Onde vamos nos meter ???

FOCO!!FOCO!!

NossoNosso estudoestudo

PodePode ajudarajudar!!!!!!


PastasFichário

O COMPUTADOR funciona do mesmo jeito....Depois vamos discutir os detalhes!!!

Como trabalhar organizadamente? SUGESTÕES?????????

• Informações que não tem uso no momento ficam no fichário.

• A pasta sobre a mesa contém cópias das informações que precisaremos naquele dia.

• Na mesa mantemos os papéis que estamos usando naquele momento

• Completada uma tarefa, pomos os papéis alterados de volta no fichário.

• Após o expediente, a faxineira joga no lixo tudo que está na mesa


Mesa

Pastas

3timing & sizeInformation

2timing & sizeInformation

1

Disco Memória Unidade de Controle (CPU)

� O fichário = disco rígido (alta capacidade de armazenamento)� A pasta sobre a mesa = memória (acesso rápido e fácil)� Mesa e usuário = CPU

�OBS: Memória é volátil e disco não (faxineira)


Computador

Periféricos

Linhas decomunicação

Memóriaprincipal

Interfacesp/ dispositivos

de E/S

Sistemas deInterconecção

Unidade deProcessamento

central

Computador

Macroestrutura de um computador


Computador

CPU

E/S

Memória

SistemaBarram.

UnidadeLógica e aritmética

UnidadeDe controle

Interconexões

Registradores

CPU

CPU � Unidade Central de processamento


Visão funcional de um computador

Aparato de movimentação

de dados

MecanismoDe controle

Armazenamentode dados

Processamentode dados


Evolução dos computadoresGERAÇÃO ZERO - 1836 - Anos 30

• Máquinas mecânicas ou baseadas em relés– dificuldade de construção– pouca exatidão

• 1 nível: nível de hardware• Exemplos:

– 1936 - Zuze - Z1 - Primeira máquina calculadora a relés

– 1943 - Governo Britânico –Colossus - Primeiro computador eletromecânico

Colossus


Evolução dos computadoresPRIMEIRA GERAÇÃO - Anos 40

• Válvulas– Caras, lentas, queimavam com

facilidade

• Exemplos:– 1946 - Eckert/Mauchkley - Eniac 1

• 30 toneladas, 93 m2

• 18.000 válvulas e 1500 relés• Muito mais rápido do que o

eletromecânico = 5.000 adições ou 357 multiplicações por segundo

• Usado para determinar se a bomba H poderia ser construída

• Funcionou até 1955• Alimentado com cartão!!!!


Evolução dos computadoresSEGUNDA GERAÇÃO - Anos 50

• Transistores– menores, mais baratos, rápidos, duráveis

• 3 níveis:– nível de montadores (assembly)– nível de máquina convencional (binário)– nível de hardware

• O problema do cartão acabou ☺– Von Neumann � IAS

• Idéia: 1946• Concluído:1952


Programa ArmazenadoPrograma ArmazenadoPrograma ArmazenadoPrograma ArmazenadoDe onde veio esta idéia?!

• Projeto de um novo computador eletrônico de programa armazenado– Conceito de Programa Armazenado: O programa e

os dados são armazenados na memória do computador antes de serem processados. Isto possibilitou o desenvolvimento de compiladores e sistemas operacionais.

• Desenvolvido no Instituto avançado de Princeton

• Concluído 1952• Constitui o protótipo de todos os computadores

de propósito geral subseqüentes


Prerrogativas! (IAS)

• Uma memória principal que armazena dados e instruções• Uma unidade lógica e aritmética (ULA), capaz de realizar operações

com dados binários• Uma unidade de controle, que interpreta e executa instruções

armazenadas na memória• Dispositivos de entrada e saída, operados pela unidade de controle

Unidade de Memória

Unidade de Entrada

Unidade de Saída

Unidade de Controle

Unidade Aritmética e

Lógica

Linhas de Controle

Linhas de dados

CPU – Unidade Central de Processamento

• IAS com 4 unidades principais: memória, ALU, Unidade Controle e E/S


Dados e instruções (IAS)

• Memória do IAS � 1000 posições de 40 bits• Dados e instruções armazenados juntos na memória• Dados � 1 bit de sinal e valor com 39 bits• Instrução � uma palavra contém duas instruções de 20 bits

– 8 bits para o Opcode– 12 bits para o endereço (0 a 999)

sinal valor

Dado

Opcode

Instrução da esquerda

Instrução Opcode

Instrução da direita

Endereço Endereço

0 8 20 28


Estrutura IAS

• MBR (registrador temporário de dados)– Contém uma palavra com dados a ser armazenada

na memória ou é utilizado para receber uma palavra da memória

• MAR (registrador temporário de endereço)– Especifica o endereço, na memória, da palavra a ser

escrita ou lida no MBR

• IR (registrador de instruções)– Contém o código de operação de 8 bits que está

sendo executado


• IBR (registrador de armazenamento temporário de instruções)– É utilizado para armazenar temporariamente a

instrução contida na porção à direita de uma palavra de memória

• PC (Contador de programa)– Contém o endereço de memória do próximo para de

instruções a ser buscado da memória

Estrutura IAS


• AC (Acumulador) e MQ (Coeficiente de multiplicação)– São utilizados para armazenar

temporariamente os operandos e o resultado de operações efetuadas na ULA

– O resultado de uma multiplicação de dois números de 40 bits, é um número de 80 bits � 40 bits mais significativos ficam no AC e os 40 bits menos significativos ficam no MQ

Estrutura IAS


Estrutura Detalhada da IAS

AC MQ

Unidade Lógica e Aritmética

Circuitos Lógicos e Aritméticos

MBR

IBR

IR

PC

MAR

Circuitos de Controle

Equipamentos de entrada

e saída

MemóriaPrincipal

endereços

Instruções e dados

Unidade de Controle de Programa

Sinais de controle


Busca a próximainstrução

Busca a próximainstrução

Executa a instrução

Executa a instrução

Início

Término

Busca instruçãoBusca instrução

Executa instruçãoExecuta instrução

Busca operandoBusca operando

Decodifica instruçãoDecodifica instrução

Armazena resultadoArmazena resultado

Incrementa PCIncrementa PC

Execução de Código!!!


0 15

sinal

�Dado

�Instrução

magnitude

0 153

Opcode Endereço

4

0001 AC <- Mem.

0010 Mem. <- AC

0101 AC <- AC + Mem.

OpCode Instrução

EXEMPLO: Executando um programaEXEMPLO: Executando um programaEXEMPLO: Executando um programaEXEMPLO: Executando um programa



1 9 4 0

5 9 4 1

2 9 4 1

0 0 0 3

0 0 0 2

3 0 0

1 9 4 0

3 0 0

9 4 1

9 4 0

3 0 2

3 0 1

PC (endereço)

AC (operando)

IR (Instrução)

Registradores da CPU

Memória

...

0 0 01 A C < - M em .

0 0 10 M em . < - A C

0 1 01 A C < - A C + M em .


1 9 4 0

5 9 4 1

2 9 4 1

0 0 0 3

0 0 0 2

3 0 0

1 9 4 0

3 0 0

9 4 1

9 4 0

3 0 2

3 0 1PC

AC

IR...

0 0 0 3

0 0 01 A C < - M em .

0 0 10 M em . < - A C

0 1 01 A C < - A C + M em .



1 9 4 0

5 9 4 1

2 9 4 1

0 0 0 3

0 0 0 2

3 0 1

5 9 4 1

3 0 0

9 4 1

9 4 0

3 0 2

3 0 1PC

AC

IR...

0 0 0 3


0 0 01 A C < - M em .

0 0 10 M em . < - A C

0 1 01 A C < - A C + M em .


1 9 4 0

5 9 4 1

2 9 4 1

0 0 0 3

0 0 0 2

3 0 1

5 9 4 1

3 0 0

9 4 1

9 4 0

3 0 2

3 0 1PC

AC

IR...

0 0 0 5

161616 523 =+


0 0 01 A C < - M em .

0 0 10 M em . < - A C

0 1 01 A C < - A C + M em .


1 9 4 0

5 9 4 1

2 9 4 1

0 0 0 3

0 0 0 5

3 0 2

2 9 4 1

3 0 0

9 4 1

9 4 0

3 0 2

3 0 1PC

AC

IR...

0 0 0 5


0 0 01 A C < - M em .

0 0 10 M em . < - A C

0 1 01 A C < - A C + M em .


Lei de MOORE Lei de MOORE Lei de MOORE Lei de MOORE Lei de MOORE Lei de MOORE Lei de MOORE Lei de MOORE -------- Processadores ao Processadores ao Processadores ao Processadores ao Processadores ao Processadores ao Processadores ao Processadores ao longo dos longo dos longo dos longo dos longo dos longo dos longo dos longo dos úúúúúúúúltimos anosltimos anosltimos anosltimos anosltimos anosltimos anosltimos anosltimos anos

Tra

ns

isto

res

po

rc

hip

Década de 60 – Número de transistores dobrava a cada anoApartir da década de 70 – Número de transistores dobrava a cada 18 meses


Evolução dos computadoresTERCEIRA GERAÇÃO - Anos 60

• Circuitos Integrados (Uso do CI)• 4 níveis:

– nível de montadores/compiladores– nível de sistema operacional– nível de máquina convencional (binário)– nível de hardware

• Exemplos:– 1960 - DEC - PDP 11, Primeiro minicomputador (50

unidades vendidas)– 1964 - IBM – 360, Primeira família

CI MicroProcessador 4044


CPU (ALU, Registradores e

ControleMemória

Entrada e Saída (E/S)

Barramento de Dados

Barramento de Endereço

Barramento de Controle

Barramento de Energia

Barramento de dados: Transporta a informação sendo transmitidaBarramento de Endereços: Identifica para onde a informação está sendo enviada Barramento de Controle: Coordena o acesso aos barramentos de dados e de endereço

Modelo de Barramento do Sistema

Barramento Universal �� PDP-8 da DEC (1964)


• Microprocessadores/ Mem. semicondutora– VLSI, Very Large Scale Integration

• 5 níveis:– Nível de linguagem de programação

– nível de montadores/compiladores

– nível de sistema operacional– nível de máquina convencional (binário)

– nível de hardware mais complexo

• Exemplos:– 1974 - Intel – 8080, Primeira CPU de uso geral

em um chip

– 1975 – Altair 8800 (interpretador BASIC desenvolvido por Bill Gates e Paul Allen)

Evolução dos computadoresQUARTA GERAÇÃO - Anos 70

Vista de dentro

Placa de CPU 8080



� 1975 Bill Gates e Paul Allen desenvolveram o BASIC para microcomputadores;

� 1976 Steve Jobs e Stephen Wozniak criam a Apple na garagem de uma casa. As máquinas tinham gabinete de madeira.

� 1976 Bill Gates e Paul Allen fundam a Microsoft.

� 1977 Lançamento do Apple 2, Atari 500, Commodore 64 e TRS-80 da Tandy Corporation.

Steven Jobs, John Sculley e Stephen Wozniak Paul Allen e Bill Gates



TRS-80 possuía clock de 1,77MHz, teclado, ocupava pouco espaço, monitor e um preço de US$ 599,00. No primeiro mês vendeu 10.000 unidades; no primeiro ano 50.000 e ao ser descontinuado em 1981 havia vendido 250.000 microcomputadores.


• História do computador

• Surgimento da Microsoft

• O Computador parte-I

• O Computador parte-II

• O Computador parte-III

Vídeos relativos a evolução da computação

Vídeos (Evolução)


Evolução dos computadoresQUINTA GERAÇÃO - Anos 80

• Máquinas RISCs– Crise do Software

• Diminuição do Preço do hardware, aumento relativo do software• Dificuldade de achar programadores• Aumento da Complexidade dos sistemas

– Linguagem C

• 4 níveis:– nível de montadores/compiladores – nível de sistema operacional

– nível de máquina convencional (binário)

– nível de hardware mais simples

• Exemplos: RISC, MIPS, Sparc....


• ... Anos 90– Arquiteturas Superescalares– Arquiteturas VLIW

– Arquiteturas Superpipeline– 3 níveis

• nível de sistema operacional• nível de máquina convencional• nível de hardware

– Exemplos: Pentium, Alpha, Power

Evolução dos computadoresQUINTA GERAÇÃO - Anos 80


4GBytes

3,1M

32 bits

60Mhz-166Mhz

22/03/1993

µP Pentium®

1MBytes

29.000 (3)

8 bits

5Mhz, 8Mhz

01/06/1979

µP8088

64GBytes4GBytesMemória endereçável

7,5M( ?)275.000Nº de Transistores

64 bits32 bitsLargura do barramento

200Mhz-300Mhz16Mhz-33MhzVelocidade do Clock

07/05/199717/10/1985Data de Lançamento

µP PentiumIIµP 386TM DX

Processadores ao longo dos Processadores ao longo dos Processadores ao longo dos Processadores ao longo dos Processadores ao longo dos Processadores ao longo dos Processadores ao longo dos Processadores ao longo dos úúúúúúúúltimos anosltimos anosltimos anosltimos anosltimos anosltimos anosltimos anosltimos anos


swap(int v[], int k){int temp:

temp = v[k];v[k] = v[k+1];v[k+1] = temp;

}

Linguagem C

swap:MOV AX,byte ptr[SI]MOV BX,byte ptr[SI+1]MOV byte ptr[SI],BXMOV AX,byte ptr[SI],AX

Linguagem Assembly

00000000101000010000000000011000000000001000111000011000001000011000110001100010000000000000000010001100111100100000000000000100101011001111001000000000000000001010110001100010000000000000010000000011111000000000000000001000

Código executável

Abstração na linguagem


Qual a melhor forma de falar com esse Qual a melhor forma de falar com esse Qual a melhor forma de falar com esse Qual a melhor forma de falar com esse Qual a melhor forma de falar com esse Qual a melhor forma de falar com esse Qual a melhor forma de falar com esse Qual a melhor forma de falar com esse tal de computador?tal de computador?tal de computador?tal de computador?tal de computador?tal de computador?tal de computador?tal de computador?

Linguagem Alto nível

• Raciocínio de forma mais natural ( palavras em inglês...)

• Aumento da produtividade• Programa independe do computador usado para o seu

desenvolvimento

Linguagem Baixo nível

• Temos que saber o que realmente está acontecendo• Melhor performance pode ser alcançada!!!!


Passado recente versus Presente!

• Passado recente– Desempenho = Função(memória.quantidade)

• Presente– Desempenho = Função(memória.estrutura &&

processamento.paralelo)• Cache x Memória principal• Muitos níveis de cache?

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