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ARQUITETURA DE COMPUTADORES - AULA 7.pptx
- 1. Aula 07: Modelode Von Neumann
- 2. Organização e Arquiteturade Computadores ULA 07: Modelo de Von Neumann Características Dados e instruções armazenados em uma única memória utilizada tanto para leitura quanto para escrita Os dados armazenados na memória podem ser acessados através de endereços A execução de um programa ocorre sequencialmente, por ordem de endereços, exceto se for feita algum desvio explicito no programa
- 3. Organização e Arquiteturade Computadores ULA 07: Modelo de Von Neumann Representação MEMÓRIA ENTRADA e SAÍDA PROCESSADOR John Von Neumann, matemático húngaro (1903-1957), contribuiu para a matemática e a física. Foi professor da Universidade de Princeton e um dos construtores do ENIAC
- 4. Organização e Arquiteturade Computadores ULA 07: Modelo de Von Neumann Representação MEMÓRIA PROCESSADOR ENTRADA e SAÍDA RDM / MBR REM / MAR CONTROLE
- 5. Organização e Arquiteturade Computadores ULA 07: Modelo de Von Neumann Barramento de dados MEMÓRIA PROCESSADOR ENTRADA e SAÍDA RDM / MBR REM / MAR CONTROLE DADOS Registrador de Dados da Memória
- 6. Organização e Arquiteturade Computadores ULA 07: Modelo de Von Neumann MEMÓRIA PROCESSADOR ENTRADA e SAÍDA RDM / MBR REM / MAR CONTROLE Barramento de dados ENDEREÇO Registrador de Endereços da Memória
- 7. Organização e Arquiteturade Computadores ULA 07: Modelo de Von Neumann Representação MEMÓRIA PROCESSADOR ENTRADA e SAÍDA RDM / MBR REM / MAR CONTROLE OPERAÇÃO (READ/WRITE) Unidade de Controle
- 8. Organização e Arquiteturade Computadores ULA 07: Modelo de Von Neumann Tamanho da célula Determina RDM Célula de 32 bits RDM com 32 bits Tamanho da memória em células Determina REM Memória com 256 células REM com 8 bits Registradores
- 9. Organização e Arquiteturade Computadores ULA 07: Modelo de Von Neumann Unidade Central de Processamento (UCP) MEMÓRIA ENTRADA e SAÍDA Unidade de Controle Unidade Aritmética e Lógica REGISTRADOR Unidade Central de Processamento (UCP)
- 10. Organização e Arquiteturade Computadores ULA 07: Modelo de Von Neumann Componentes da UCP Unidade de Controle Unidade Aritmética e Lógica REGISTRADOR Gerenciamento do fluxo interno dos dados Execução de operações lógicas e aritméticas, efetuando transformações sobre os dados Células de memória (temporárias) dentro do processador
- 11. Organização e Arquiteturade Computadores ULA 07: Modelo de Von Neumann Registrador de Instruções (IR - Instruction Register) Armazena a instrução que está sendo executada Registrador de estado (PSW - Program Status Word) Armazena condições de estado geradas pela unidade aritmética e lógica gerando informações para a unidade de controle Contador do programa (PC - Program Counter) Armazena o endereço da próxima instrução que será executada UCP: Registradores especiais
- 12. Organização e Arquiteturade Computadores ULA 07: Modelo de Von Neumann MEMÓRIA ENTRADA e SAÍDA Unidade de Controle Unidade Aritmética e Lógica REGISTRADOR Dispositivos de E/S Armazenamento -HD (Disco Rígido) -CD-ROM -DVD -Pendrive (flash) Monitor de vídeo Teclado Mouse Placa de som Webcam Placa de rede Multifuncional
- 13. Organização e Arquiteturade Computadores ULA 07: Modelo de Von Neumann Componentes da UCP
- 14. Organização e Arquiteturade Computadores ULA 07: Modelo de Von Neumann Componentes da UCP
- 15. Organização e Arquiteturade Computadores ULA 07: Modelo de Von Neumann UCP: Registradores especiais Os registradores são posições de memória tão importantes que são identificados por nomes, não por endereços (números). Basicamente registradores são o conjunto de posições de memória internas às quais a UAL tem acesso direto podendo ler e escrever dados Toda UCP tem dois registradores especiais, cujos nomes são Registrador de Instruções (RI) e Ponteiro de Instruções (PI)
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- 17. Organização e Arquiteturade Computadores ULA 07: Modelo de Von Neumann Conceito São as ordens que o computador entende Cada família de processadores tem o seu próprio conjunto de instruções, chamado (instruction set) Quem usa essas instruções? O programador Assembly, os compiladores Ninguém programa utilizando as instruções do processador! Programas são desenvolvidos em linguagens de alto nível. Instruções podem ter formatos diferentes, dependendo do número de operandos
- 18. Organização e Arquiteturade Computadores ULA 07: Modelo de Von Neumann Tipos de instruções Instruções Aritméticas e Lógicas Instruções de Movimentação de Dados Instruções de Transferências de Controle Realizam operações aritméticas (ADD, SUB ...) e lógicas (AND, OR) Transferem dados entre registradores ou entre registrador e memória principal (MOV) Executam o desvio do fluxo sequencial do código (JMP)
- 19. Organização e Arquiteturade Computadores ULA 07: Modelo de Von Neumann Formato de uma instrução CÓDIGO DA OPERAÇÃO OPERANDO(S) Indica que operação será executada. A quantidade de bits desse código determina o número máximo de instruções Indica o(s) dado(s) que será(ão) manipulado(s): números, caracteres, endereços
- 20. Organização e Arquiteturade Computadores ULA 07: Modelo de Von Neumann Exemplos de instruções ADD OP1 OP2 OP3 MOV OP1 OP2 ADD R OP1 ADD op1,op2,op3 MOV op1,op2 ADD R, op1
- 21. Organização e Arquiteturade Computadores ULA 07: Modelo de Von Neumann Modos de endereçamento IMEDIATO Utiliza um valor como operando e não um endereço na memória ADD #A,R1 DIRETO Indica o endereço de memória onde está o operando ADD (A), R1 INDIRETO Indica um ponteiro para o operando ADD (R1),R2
- 22. Organização e Arquiteturade Computadores ULA 07: Modelo de Von Neumann REGISTRADOR DESLOCAMENTO O endereço se refere a um registrador ADD R,OP1 Obtido pela soma do operando com o conteúdo de um registrador base ADD (A)R1, R2 Modos de endereçamento
- 23. Organização e Arquiteturade Computadores ULA 07: Modelo de Von Neumann Modos de endereçamento IMEDIATO: sem referência à memória limitado e pouco flexível DIRETO: simples espaço de endereçamento limitado INDIRETO: espaço de endereçamento grande múltiplas referências à memória
- 24. Organização e Arquiteturade Computadores ULA 07: Modelo de Von Neumann Modos de endereçamento REGISTRADOR: sem referência à memória espaço de endereçamento limitado DESLOCAMENTO: Flexibilidade complexidade
- 25. Processador e seuscomponentes
- 26. Organização e Arquiteturade Computadores ULA 07: Modelo de Von Neumann Conceito Energia Registradores inicializados BIOS POST SETUP Carga do S.O.
- 27. Organização e Arquiteturade Computadores ULA 07: Modelo de Von Neumann Processador e as instruções Buscar uma instrução na memória 1. Decodificar operação 2. Buscar os operandos 3. Executar a operação 4. Guardar o resultado (se for o caso) 5. Reiniciar o ciclo 6. Início Busca da próxima instrução Parada Executa instrução Ciclo de busca Ciclo de execução
- 28. Organização e Arquiteturade Computadores ULA 07: Modelo de Von Neumann Processador e as instruções CONTROLE Busca, interpretação e controle de execução das instruções • Unidade de controle • Registrador de instruções (IR) • Decodificador de instruções • Contador de instruções (PC) • Reg. End. Memória (REM) • Reg. Dados Memória (RDM) PROCESSAMENTO Operações aritméticas, operações lógicas, movimento de dados, desvios e operações de entrada ou saída • UAL (ALU) • Acumulador (ACC) • Registradores de dados • Registrador de estado (PSW)
- 29. Organização e Arquiteturade Computadores ULA 07: Modelo de Von Neumann Interrupções
- 30. Organização e Arquiteturade Computadores ULA 07: Modelo de Von Neumann Pipeline Imagine que após tirar as roupas da máquina de lavar e colocá-las na secadora você já colocasse novas roupas sujas para lavar. Ou seja, no mesmo instante de tempo você terá a máquina de lavar e a secadora funcionando.
- 31. Organização e Arquiteturade Computadores ULA 07: Modelo de Von Neumann Pipeline
- 32. Organização e Arquiteturade Computadores ULA 07: Modelo de Von Neumann Pipeline Pipeline é uma técnica de implementação de sistemas computacionais onde o processador consegue paralelizar a execução de instruções de modo a maximizar a vazão de instruções processadas. Essa técnica adiciona complexidade na criação desse tipo de processador mas garante processadores mais eficientes.
- 33. Organização e Arquiteturade Computadores ULA 07: Modelo de Von Neumann Pipeline
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- 35. Organização e Arquiteturade Computadores ULA 07: Modelo de Von Neumann Hierarquia das memórias REGIS TRADOR ES MEMÓRIA CACHE MEMÓRIA PRINCIPAL (RAM) MEMÓRIA SECUNDÁRIA (E/S) VELOCIDADE CUSTO CAPACIDADE DE ARMAZENAMENTO
- 36. Organização e Arquiteturade Computadores ULA 07: Modelo de Von Neumann Componentes da memória principal
- 37. Organização e Arquiteturade Computadores ULA 07: Modelo de Von Neumann BARRAMENTO DE DADOS Interliga a RDM à memória principal para transferência de informações É bidirecional REGISTRADOR DE DADOS Registrador que armazena temporariamente a informação que está sendo transferida de/para a memória BARRAMENTO DE ENDEREÇOS Interliga a REM à memória principal É unidirecional Elementos
- 38. Organização e Arquiteturade Computadores ULA 07: Modelo de Von Neumann REGISTRADOR DE ENDEREÇOS DA MEMÓRIA Registrador que armazena temporariamente o endereço de acesso BARRAMENTO DE CONTROLE Interliga a unidade de controle do processador à memória principal para envio de sinais durante as operações de leitura e escrita CONTROLADOR DA MEMÓRIA Responsável por gerar os sinais necessários para controle do processo de leitura e escrita, além de interligar a memória aos demais componentes do sistema Elementos
- 39. Organização e Arquiteturade Computadores ULA 07: Modelo de Von Neumann Operação de leitura 1. REM endereço em outro registrador 2. O endereço é colocado no barramento de endereço 3. Sinal de leitura no barramento de controle 4. Decodificação de endereço e localização da célula 5. RDM MP pelo barramento de dados 6. Outro registrador RDM
- 40. Organização e Arquiteturade Computadores ULA 07: Modelo de Von Neumann Operação de escrita 1. REM endereço em outro registrador 2. O endereço é colocado no barramento de endereço 3. RDM Outro registrador 4. Sinal de escrita no barramento de controle 5. Decodificação de endereço e localização da célula 6. MP (REM) RDM
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- 42. Organização e Arquiteturade Computadores ULA 07: Modelo de Von Neumann Tipos A RAM (Random Access Memory) é construída com tecnologia que lhes garante atualmente tempos de acesso na faixa dos nanossegundos e igual para qualquer uma das células TIPOS DE RAM Leitura e escrita Exemplos: SRAM e DRAM Somente Leitura Exemplos: ROM, PROM, EPROM, EEPROM
- 43. Organização e Arquiteturade Computadores ULA 07: Modelo de Von Neumann Conceitos relacionados Organização da memória principal células Palavra conjunto de células com significado Unidade de transferência quantidade de bits transferidos de/para a memória Capacidade de memória quantidade de informações armazenadas N = número de células * tamanho da célula
- 44. Organização e Arquiteturade Computadores ULA 07: Modelo de Von Neumann Entendendo melhor Exercício: Considere um sistema cuja célula de memória é composta por 16 bits e o registrador de endereços possui 32 bits. Qual o tamanho máximo da memória principal neste sistema? Para calcular o tamanho máximo da memória principal em um sistema, precisamos saber o número de bits que compõem cada endereço de memória (E) e o número de bits que compõem cada célula de memória (M). No caso do sistema dado, temos que E = 32 e M = 16. Usando a fórmula MP = 2^E x M, podemos obter o tamanho máximo da memória principal como: MP = 2^32 x 16 MP = 4.294.967.296 x 16 MP = 68.719.476.736 bits / 8 = 8.589.934.592 bytes / 1.048.576 = 8.192 megabytes / 1000 = 8 gigabytes.
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- 46. Organização e Arquiteturade Computadores ULA 07: Modelo de Von Neumann Conceitos O acesso a cache é transparente para a aplicação e para o sistema operacional, uma vez que todo o gerenciamento da memória cache é feito por hardware O processador inicia a operação de leitura para o endereço desejado da Memória Principal O sistema de controle da cache intercepta o endereço e conclui se o dado solicitado está ou não armazenado na cache. Um acerto é denominado cache hit e a falta é denominada cache miss Se ocorrer um cache miss o controlador da memória principal é acionado para localizar o dado na memória, transferindo-o para a cache. Um novo acesso é feito a memória cache
- 47. Organização e Arquiteturade Computadores ULA 07: Modelo de Von Neumann Funcionamento PRINCÍPIO DA LOCALIDADE TEMPORAL Se um item é referenciado, tende a ser referenciado novamente. Exemplo: loops (instruções e dados) ESPACIAL Se um item é referenciado, itens cujos endereços são próximos tendem a ser referenciados em seguida. Exemplo: acesso a dados de um array
- 48. Organização e Arquiteturade Computadores ULA 07: Modelo de Von Neumann Organização A memória cache é organizada em um conjunto de L linhas, sendo cada linha constituída de X bytes As linhas têm endereço de 0 a L-1 Cada linha possui um campo indicador do endereço do bloco que está naquele instante armazenado nela. Este campo é denominado tag ou rótulo
- 49. Organização e Arquiteturade Computadores ULA 07: Modelo de Von Neumann Mapeamento DIRETO: Cada bloco da MP tem uma linha de cache previamente definida. Como o tamanho da memória é muito maior que o tamanho da cache, é necessário se obter o tag do bloco e verificar se é o mesmo tag que está na linha indicada, indicando um hit. É um método simples, porém de pouca flexibilidade ASSOCIATIVO: Não há local fixo na cache para um bloco da MP, no entanto será necessário comparar o tag com o tag de cada linha ASSOCIATIVO POR CONJUNTO: Utiliza conceitos das técnicas anteriores, utilizando mapeamento direto para identificar um bloco e mapeamento associativo para localizar o dado dentro do bloco
- 50. Dispositivos de Entradae Saída (E/S)
- 51. Organização e Arquiteturade Computadores ULA 07: Modelo de Von Neumann Conceitos Entrada e Saída (E/S): Atividade de troca de informações entre o computador e o meio externo Um Sistema de E/S deve ser capaz receber e enviar informações ao meio externo e converter as informações de forma que ser tornem legíveis para o computador ou para o usuário A Arquitetura de E/S deve especificar um método para identificação do dispositivo, o endereço do dado a ser transportado, a quantidade de dados a serem transportados e um método que identifique o término da operação de E/S Conceitos
- 52. Organização e Arquiteturade Computadores ULA 07: Modelo de Von Neumann Conceitos Cada dispositivo apresenta características bem particulares, tornando o estudo de cada tipo de dispositivo único. Dispositivos periféricos: São equipamentos acoplados à CPU por um barramento através de uma placa controladora. Exemplos: teclado, monitor, mouse. Memória secundária: Embora não se enquadrem completamente nas características de dispositivos de E/S, tem um principio de funcionamento semelhante. Conceitos
- 53. Organização e Arquiteturade Computadores ULA 07: Modelo de Von Neumann Conceitos E/S programada: Operações de E/S controladas inteiramente pela CPU podem ser implementadas com poucas instruções? IN e OUT Acesso direto a memória (DMA): Hardware mais complexo, porém a CPU só é interrompida quando o dado já está disponível na memória Interrupções: Eventos que geram sinais de hardware que provocam a interrupção da tarefa que está sendo executada Conceitos
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