Aula Introdução a Arquitetura e Organização de Computadores
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Arquitetura e Organização de Computadores - Introdução
Professor: Gilvan Luiz Latreille
Tópicos da Aula:
- Arquitetura e Organização de Computadores – Conceitos.- Breve história dos computadores.- Organização básica da Memória e da CPU.- Barramentos.- Memória Interna e Externa- Sistemas de Entrada e Saída.- Tendências e Possibilidades Futuras.
Arquitetura e Organização de Computadores - Introdução
Conceitos:Arquitetura de Computadores é a área de conhecimento que trata da organização lógica dos sistemas computacionais e seu comportamento funcional, em relação ao programador.
Exemplo: tamanhos de dados, tipos de instruções.
Organização de Computadores é a área que lida com aspectos não diretamente relacionados ao programador, como tipos de
dispositivos, tecnologia de memória, tecnologia física de construção dos circuitos, estrutura e implementação das
portas lógicas e barramentos, etc.
Arquitetura e Organização de Computadores - Introdução
Breve História da Computação:
Ábaco Chines (2000 a.c.):
Arquitetura e Organização de Computadores - Introdução
Breve História da Computação:
Calculadora de Pascal ( 1600 ):
Arquitetura e Organização de Computadores - Introdução
Breve História da Computação:
Máquina Diferencial de Babbage ( 1700, não pôde ser construída na época) :
Arquitetura e Organização de Computadores - Introdução
Breve História da Computação:
Tear de Jacquard (1804) , primeiro exemplo de uso de memória de programa externa ao dispositivo:
Arquitetura e Organização de Computadores - Introdução
Breve História da Computação:
Máquina Enigma (1939).Exemplo de um dos primeiros sistemas criptográficos.
Arquitetura e Organização de Computadores - Introdução
Breve História da Computação:
Computador Colossus (1944).Feito para quebrar os códigos da máquina Enigma
Arquitetura e Organização de Computadores - Introdução
Breve História da Computação:
Eniac (1946).Primeiro computador eletrônico de propósitogeral.
Arquitetura e Organização de Computadores - Introdução
A “lei” de Moore e a evolução recente:
“A cada 18 meses o poder computacional dobra em relaçãoao mesmo preço anterior”.
Obs.: a lei de Moore está em seu limite.
Arquitetura e Organização de Computadores - Introdução
Breve História da Computação:
Como os computadores chegaram aos padrões atuais?
Os métodos básicos para solucionar problemas e organizar tarefas não mudaram muito desde a antiguidade.
Que ferramentas usamos desde a antiguidade para trabalhar informações?
Arquitetura e Organização de Computadores - Introdução
Breve História da Computação:
Tenhamos um computador, ou planilhas e calculadora, a forma de tratar informações é semelhante, tendo onde registrar a informação, basta executar os passos corretos.
Arquitetura e Organização de Computadores - Introdução
Elementos básicos de um Computador Moderno:
-Memória: armazena o programa (instruções a executar) e os dados (valores processados).
-Processador: executa os passos do programa e os cálculos.
-Entradas e saídas: recebem as informações para processamento e devolvem os resultados.
-Barramento: conjunto de meios de interligação e comunicação entre os elementos do computador.
Arquitetura e Organização de Computadores - Introdução
Organização Básica da CPU e da Memória:
Tecnicamente falando, as partes mais visíveis de um computador de mesa não correspondem exatamente aos seus componentes fundamentais
Arquitetura e Organização de Computadores - Introdução
Organização Básica da CPU e da Memória:
Examinando a nível dos circuitos, podemos identificar elementos fundamentais como Memória, Processador ou CPU, Barramentos eEntradas e saídas.
Arquitetura e Organização de Computadores - Introdução
Organização Básica da CPU e da Memória:
Modelo de Von Neumann.
É o atual paradigma para organização de sistemas computacionais. Seus itens essenciais são: Memória, Processador ou CPU, barramentos, e Entradas e Saídas.
Arquitetura e Organização de Computadores - Introdução
Organização Básica da CPU e da Memória:
Modelo de Von Neumann.
Memória: armazena dados e instruções dos programas. O modelo de Von Neumann introduziu o computador com programa armazenado, capaz de múltiplas aplicações.
Arquitetura e Organização de Computadores - Introdução
O Processador ou CPU, e sua origem:
A Máquina de Turing:Idealizada por Alan Turing, é uma máquina hipotética capaz de resolver qualquer problema descrito por uma sequência definida de instruções (algoritmo).Todos os processadores modernos são Máquinas de Turing e também chamados de CPU (central processing unit).
Arquitetura e Organização de Computadores - Introdução
O Processador ou CPU, aspecto :
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O Barramento ou Bus :
Barramento é um conjunto de vias de comunicação cuja função é integrar os elementos do computador.Em um moderno computador há diversos barramentos, no mínimo o de endereços, o de dados e o de controle.
Arquitetura e Organização de Computadores - Introdução
Entradas e Saídas :
Para comunicar-se com o mundo exterior e converter as informações de, e para formatos diversos, há sistemas especiais de Entrada e de Saída.
Seus componentes mais conhecidos são teclado, vídeo, interfaces de rede, drives de disco e armazenamento externo.
Os subsistemas de entrada e saída englobam também os diversos circuitos de suporte, dentro do computador.
Arquitetura e Organização de Computadores - Introdução
MEMÓRIA - ORGANIZAÇÃO :
A Memória se divide basicamente em memória principal ou interna (RAM) e memória secundária ou externa.
A memória principal é a única acessível de modo direto pela CPU.
Arquitetura e Organização de Computadores - Introdução
MEMÓRIA - Hierarquia:
A Memória é subdividida em unidades de tipos diferentes, hierarquizada com base em seu custo e performance.Mais perto da CPU – mais cara, rápida e de menor tamanho.Longe da CPU – mais barata, lenta e de maior tamanho.
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MEMÓRIA – Conexão :Em um típico computador moderno, a memória cache fica dentro do chip do processador, a memória RAM é a memória principal, os discos rígidos são a memória secundária.
Obs.: A cpu não “enxerga” o cache.
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MEMÓRIA PRINCIPAL – RAM :
A memória RAM é a memória principal, a CPU acessa diretamente a memória principal, através dos barramentos de dados, endereços e controle. A memória Ram é organizada como uma matriz, sendo de B bits versus P posições. Um bit é um dígito binário, o Byte é a unidade principal tendo 8 bits.
Arquitetura e Organização de Computadores - Introdução
MEMÓRIA PRINCIPAL – RAM :
Existem diversos tipos de memória RAM, as principais são Sram, muito rápida e cara, e a Dram, mais lenta e barata.
Há dois modos principais de endereçamento, o tradicional e o 2.5d.
Arquitetura e Organização de Computadores - Introdução
MEMÓRIA SECUNDÁRIA - ARMAZENAMENTO
A Memória Secundária ou externa são os discos rígidos, cartões de memória externa, pendrives, drives de CD, Dvd, e Blu-Ray.É assim denominada porque a CPU não consegue acessar a mesma diretamente.
Arquitetura e Organização de Computadores - Introdução
MEMÓRIA SECUNDÁRIA - ARMAZENAMENTO
A Memória Secundária qualquer que seja é sempre organizada em blocos de bytes (com 512 a 2048 bytes).Para acessar seus dados, a CPU precisa ler de um até N blocos para a memória principal, e trabalhar a partir daí.
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Central Processing Unit – O Processador
Uma CPU ou Unidade Central de Processamento, é formada essencialmente de Banco de Registradores, Unidade Lógico-Aritmética ou ALU, e Unidade de Controle. Em processadores mais modernos é incorporada uma unidade de cache (Sram).
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A CPU e o Ciclo de Busca e Execução
Todo programa de computador é subdividido em etapas elementares, as INSTRUÇÕES, que são os passos mais simples de um algoritmo.Toda CPU executa uma sequência de ações para processar uma única instrução – o CICLO DE BUSCA E EXECUÇÃO.
- BUSCAR A PRÓXIMA INSTRUÇÃO- DECODIFICAR A INSTRUÇÃO
- BUSCAR OS OPERANDOS (se houverem)- EXECUTAR A INSTRUÇÃO
- ARMAZENAR OS RESULTADOS (se houverem)( Repete o ciclo)
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A CPU e a Arquitetura do Conjunto de Instruções
Toda CPU executa um conjunto finito e bem determinado de Instruções. É o conjunto de instruções que define a CPU, inclusive quanto ao tipo de circuitos e suas conexões. Para projetar um processador, se começa do projeto do conjunto de instruções, a chamada ARQUITETURA DO CONJUNTO DE INSTRUÇÕES, ou “Instruction Set Architecture” - ISA na sigla em inglês.As instruções são codificadas em linguagem especial (assembly), e cada instrução recebe um nome que lembre ao programador a ação a executar. Ex.: LOAD (“carregar”), STORE (“armazenar”), ADD (“somar”), SUB(“subtrair”), GOTO (“ir para”), BNE (“desvie se resultado não for igual a”).
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A CPU e a Arquitetura do Conjunto de Instruções
Diagrama simplificado de uma CPU com conjunto de instruções de dois operandos.O chamado “caminho de dados” é dependente do tipo das instruções.
Arquitetura e Organização de Computadores - Introdução
A CPU e a Arquitetura do Conjunto de Instruções
Cpu intel 8080 - diagrama simplificado
Arquitetura e Organização de Computadores - Introdução
A CPU e a Arquitetura do Conjunto de InstruçõesCpu intel 8080 – busca da instrução na memória
Arquitetura e Organização de Computadores - Introdução
A CPU e a Arquitetura do Conjunto de InstruçõesCpu intel 8080 – busca da instrução na memória
Arquitetura e Organização de Computadores - Introdução
A CPU e a Arquitetura do Conjunto de InstruçõesCpu intel 8080 – busca da instrução na memória
Arquitetura e Organização de Computadores - Introdução
A CPU e a Arquitetura do Conjunto de InstruçõesCpu intel 8080 – busca da instrução na memória
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A CPU e a Arquitetura do Conjunto de InstruçõesCpu intel 8080 – busca da instrução na memória
Arquitetura e Organização de Computadores - Introdução
A CPU e a Arquitetura do Conjunto de Instruções
Cpu intel 8080 – decodificação da instrução
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A CPU e a Arquitetura do Conjunto de Instruções
Cpu intel 8080 – execução da instrução
Arquitetura e Organização de Computadores - Introdução
CPU's - CLASSIFICAÇÃO
Uma CPU ou Processador, é classificada quanto a diversos fatores:
- Tamanho dos registradores e barramentos internos, em bits (8 bits, 16 bits, 32 bits, 64 bits, etc).- Tipo do Conjunto de Instruções (quanto ao número de instruções): CISC ou RISC.-Características da Unidade de Controle (convencional ou microprogramada).- Organização e operação dos registradores (pilha, register set).
Arquitetura e Organização de Computadores - Introdução
O Barramento ou Bus - Particularidades :O Barramento mais simples, conforme o modelo de Von Neumann, é um conjunto de conexões ou fios, cada um comunica um bit de informação, e o conjunto opera em modo paralelo. Existem no mínimo três barramentos (ou um barramento triplo), com comunicações para DADOS, ENDEREÇOS e sinais de CONTROLE, além do fornecimento de energia.
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O Barramento ou Bus - Particularidades :O Barramento de um computador desktop é bem mais elaborado. Existem diversos tipos de barramentos (pci, isa, etc) e circuitos especializados em rotear e ordenar a comunicação entre os diversos elementos do computador, as chamadas PONTES.
Exemplo: Arquitetura Intel® Pentium® Dual Processor
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Sistemas de Entradas e Saidas - Particularidades :
Os elementos de um sistema de Entradas e Saídas englobam todos os periféricos de um sistema, os quais se comunicam com o usuário e com o mundo exterior. São bem conhecidos os periféricos como: teclado, video, interfaces de rede, interfaces seriais, impressora, mouse. Integrados ao sistema de entradas e saídas são também os circuitos especializados para o suporte a todos os periféricos, os quais se encontram dentro do computador.Os circuitos especializados são responsáveis pela conversão do formato de dados do computador para o meio externo e ainda pelo sistema de comunicação via INTERRUPÇÃO e DMA.
Arquitetura e Organização de Computadores - Introdução
Sistemas de Entradas e Saidas - Particularidades :Há três modos de comunicação da CPU com os periféricos: por POLLING, INTERRUPÇÃO, e por Interrupção com ACESSO DIRETO A MEMÓRIA (DMA).POLLING ou PROGRAMADA – A CPU testa a todo instante se existem dados para ler ou se o periférico está pronto a receber dados.INTERRUPÇÃO – Os periféricos informam a CPU que há dados ou que requerem atenção, o processamento é desviado para um programa especial que atende ao pedido, e retomado em sua conclusão.ACESSO DIRETO A MEMÓRIA – um circuito especializado executa a escrita ou leitura da memória para o periférico sem que a Cpu tenha que fazer o processamento. Normalmente o método DMA opera integrado com Interrupções.
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Sistemas de Entradas e Saidas - Particularidades :
Método de Entrada e Saída Programada ou Polling:
-Fácil de programar.-Extremamente ineficiente pois a CPU fica totalmente ocupada esperando o periférico ficar pronto.
Arquitetura e Organização de Computadores - Introdução
Sistemas de Entradas e Saidas - Particularidades :
Método de Entrada e Saída por Interrupção :
- Requer suporte em hardware na CPU e no controlador do periférico.- Difícil de programar.- Muito eficiente, libera a CPU na maior parte do tempo
Arquitetura e Organização de Computadores - Introdução
Sistemas de Entradas e Saidas - Particularidades :
Método de Entrada e Saída por Interrupção e DMA :
- Requer suporte em hardware na CPU e no controlador do periférico, e requer um circuito especial, o Controlador de DMA.- Difícil de programar.- O mais eficiente, libera a CPU na maior parte do tempo e inclusive do trabalho de mover os dados.
Arquitetura e Organização de Computadores - Introdução
Computação - Tendências e Possibilidades Futuras:
- Sistemas em Circuitos Integrados.
- Paralelismo com múltiplos processadores.
- Arquiteturas não convencionais (computador quântico, redes neurais).
Arquitetura e Organização de Computadores - Introdução
Computação - Tendências Futuras:
- Sistemas em Circuitos Integrados (SOC).
Arquitetura e Organização de Computadores - Introdução
Computação - Tendências Futuras:
- Paralelismo.
Sistema Fermi da Nvidia, uma matriz de 480 processadores, otimizada para processamento paralelo. Das placas de vídeo para a computação intensiva e científica.
Arquitetura e Organização de Computadores - Introdução
Computação - Tendências Futuras:
- Redes Neurais.
Paradigma baseado no funcionamento dos neurônios de um organismo animal. Possui já ampla aplicação em reconhecimento de padrões e é uma tecnologia promissora
Arquitetura e Organização de Computadores - Introdução
Computação - Possibilidades:
- Computadores Quânticos
Conceito comprovado em teoria, baseia-se na superposição de estados de qualquer partícula física elementar.Sua construção ainda é um desafio e uma incógnita quanto a real possibilidade.
OBRIGADOOBRIGADO