Aula Introdução a Arquitetura e Organização de Computadores

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.

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.

Introdução
Breve História da Computação:
Ábaco Chines (2000 a.c.):

Introdução
Calculadora de Pascal ( 1600 ):

Introdução
Máquina Diferencial
de Babbage ( 1700, não
pôde ser construída na
época) :

Introdução
Tear de Jacquard (1804) ,
primeiro exemplo de uso de
memória de programa externa
ao dispositivo:

Introdução
Máquina Enigma (1939).
Exemplo de um dos primeiros
sistemas criptográficos.

Introdução
Computador Colossus
(1944).
Feito para quebrar os
códigos da máquina
Enigma

Introdução
Eniac (1946).
Primeiro
computador
eletrônico de
propósito
geral.

Introdução
A “lei” de Moore e a evolução recente:
“A cada 18 meses
o poder
computacional
dobra em relação
ao mesmo preço
anterior”.
Obs.: a lei de Moore
está em seu limite.

Introdução
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?

Introdução
Tenhamos um
computador, ou planilhas
e calculadora, a forma
de tratar informações é
semelhante, tendo onde
registrar a informação,
basta executar os passos
corretos.

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.

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

Introdução
Examinando a
nível dos circuitos,
podemos
identificar
elementos
fundamentais
como Memória,
Processador ou
CPU,
Barramentos e
Entradas e saídas.

Introdução
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.

Introdução
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.

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).

Introdução
O Processador ou CPU, aspecto :

Introdução
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.

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.

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.

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.

Introdução
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.

Introdução
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.

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.

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.

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.

Introdução
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).

Introdução
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)

Introdução
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”).

Introdução
Diagrama
simplificado de
uma CPU com
conjunto de
instruções de
dois operandos.
O chamado
“caminho de
dados” é
dependente do
tipo das
instruções.

Introdução
Cpu intel 8080 - diagrama simplificado

Introdução
Cpu intel 8080 – busca da instrução na
memória

Introdução
Cpu intel 8080 – decodificação da instrução

Introdução
Cpu intel 8080 – execução da instrução

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).

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.

Introdução
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

Introdução
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.

Introdução
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.

Introdução
Método de Entrada e Saída
Programada ou Polling:
-Fácil de programar.
-Extremamente ineficiente pois
a CPU fica totalmente ocupada
esperando o periférico ficar
pronto.

Introdução
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

Introdução
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.

Introdução
Computação - Tendências e Possibilidades
Futuras:
- Sistemas em Circuitos Integrados.
- Paralelismo com múltiplos processadores.
- Arquiteturas não convencionais (computador
quântico, redes neurais).

Introdução
Computação - Tendências Futuras:
- Sistemas em Circuitos Integrados (SOC).

Introdução
- Paralelismo.
Sistema Fermi da
Nvidia, uma matriz de
480 processadores,
otimizada para
processamento
paralelo.
Das placas de vídeo
para a computação
intensiva e científica.

Introdução
- 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

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.

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