Organizao e Arquitetura de Computadores I

IntroduoIvan Saraiva SilvaLeonardo Casillo

Sumrio

Introduo Bibliografia Recomendada O que um computador Organizao de um

Computador Modelo de Von Neumann IAS Mquina de Von

Neuman Memria Execuo de instrues

Gargalo de Von Neumann

Noes de Desempenho

Introduo

Plano de aula Avaliaes

Trs provas e um projeto

Uso da linguagem VHDL Frum de Estudantes 2004 Design Contest

Bibliografia Recomendada

Arquitetura e Organizao de Computadores - Quinta Edio - William Stallings - Prentice Hall - 2002

Organizao estruturada de computadores, quarta edio, Andrew S. Tanenbaum

Computer Organization & Design: TheHardware/Software Interface - David A. Patterson, John L. Hennessy - Morgan Kaufmann - 1994

Analysis and Design of Digital Systems with VHDL -Allen Dewey - PWS Publishing Company - 1997

O que um Computador

Um computador uma mquina eletrnica lgica

Programvel Programa

Instrues

Representvel por uma hierarquia de nveis de abstrao (Tanenbaum) Microeletrnica (mais baixo)

Sistema Operacional (mais alto)

Nveis de Abstrao

Microeletrnica

Lgica Digital

Linguagem de Montgem

Sistema Operacional

Mquina Convencional

Linguagem orientada a problemas

Conjunto de instrues

Caracteristicas fsicas, malha detransistores

Unidades lgicas combinacionais esequenciais

MicroprogramaoInterpretador em firware

Gerencia de sistema e interfacede usurio

Linguagem Assembly

Linguagens de alto nvel

Organizao de um Computador

Modelo de Von Neumann (1945) Concito de programa armazenado

Separao da Unidade Aritmtica e de Controle

Utilizao de barramentos e registradores

Hardware de entrada e sada (I/O)

UCP Memria I/O

Modelo de Von Neumann

Memria I/O

Controle

Aritmtica

Controle de Execuo

Execuo deOperaes

Instruese Dados

Modelo de Von Neumann

Bloco de controle Bloco operacional

Memria

operao

endereos

instrues

dados

dados

CPU

Modelo de Von Neumann

Memria: Conjunto de posies/locaes endereveis

Palavras: Posio/locao da memria. Contm dados e instrues.

Palavra: Unidade bsica de transferncia de/para memria.

Palavras so localizadas atravs de um endereo

Dados, instrues e endereos so codificados em binrio

Modelo de Von Neumann

Programa uma seqncia de instrues, colocadas numa seqncia de endereos

A execuo de um programa corresponde execuo seqencial de suas instrues

A seqncia das instrues definida de forma dinmica em tempo de execuo Existncia de instrues de controle de fluxo

IAS Mquina de Von Neumann

MemriaPrincipal

Unidade Lgica e Aritmtica

Unidade de Controle

Hardwarede Entradae Sada

MBR

Circuitos de Lgica e Aritmtica

MQAcumulador

MARCircuitosde Controle

IBR

IR

PC

Endereo

Dados eInstrues

Unidade Central de Processamento

IAS Mquina de Von Neumann

MemriaPrincipal

Unidade Lgica e Aritmtica

Unidade de Controle

Hardwarede Entradae Sada

MBR

Circuitos de Lgica e Aritmtica

MQAcumulador

MARCircuitosde Controle

IBR

IR

PC

Endereo

Dados eInstrues

Unidade Central de Processamento

Conceitos e Convenes

Registradores: Posies de memria internas a UCP. Dedicados e de Uso Geral

Barramento: Via de comunicao Dados e Instrues, Endereos e Controle

Comunicao Sncrona e Assincrona

Memria

Em um computador geralmente existe uma hierarquia de memria.

Cada nvel da hierarquia dividido em palavras de N bits cada

A palavra a unidade bsica de transferncia entre a UCP e a memria.

Uma memria com 2M palavras necessita de M bits de endereo

Memria

Posio 0

N Bits

Posio 2M - 1

2M posies

Endereo

M Bits

N Bits

Execuo de Instrues

busca da prxima instruo na memria manda endereo, volta instruo

decodificao da instruo interpreta cdigo da instruo

se a instruo precisa de dados (na memria) manda endereo, busca dado

execuo da instruo executa aes especficas para cada instruo

Execuo de Instrues

BlocoControle

BlocoOperativa

operao

Memriaendereo

instruo

dados

dados

endereo instruoBC MEM

instruoMEM BC

endereo operando 1MEMBC

endereo resultadoMEMBC

operando 1MEM BO

operando 2MEM BO

executa somaBO

resultadoMEMBO

endereo operando 2BC MEM

ordem de execuoBC BO

BlocoOperativa

Gargalo de Von Neuman

Refere-se ao trfego no barramento vai endereo da instruo volta instruo

vo endereos dos operandos

vo e voltam operandos

Para eliminar gargalo: diminuir trfego de informaes manter informaes na CPU

diminuir tamanho em bits das informaes transferidas

Incluso de registradores

Noes de Desempenho

Ciclo de relgio (clock): intervalos bsicos de tempo nos quais so executadas as operaes elementares de uma instruo transferncias de valores entre registradores operaes aritmticas na ALU

Perodo do relgio (T): Tempo de durao de um ciclo do relgio

Freqncia do relgio (f): Freqncia de repetio de ciclos de clock por unidade de tempo

Exemplo: Se o perodo do relgio de T = 4 ns = 4x10-9

f = 1/T = 1/4x10-9 = 250 MHz

Isto significa que?

Para um perodo de T=4ns a mquina pode executar 250 milhes de operaes elementares

As operaes elementares so executadas de forma sncrona com o relgio

O desempenho da mquina e proporcional a:

n ciclos x perodo =n ciclos freqncia

CircuitoCombinatrio

Relgio

Circuito Seqencial

T

Noes de Desempenho

Tempo de UCP de execuo de um programa pode se dividido em tempo do usurio e tempo do sistema tempo de usurio execuo de instrues do programa

do usurio tempo de sistema tarefas do S.O. necessrias para a

execuo do programa do usurio

Alm do tempo UCP h o tempo de resposta (ou tempo relgio real) que inclui: acessos a disco, atividades de I/O overhead do sistema operacional