Introdução a Arquitetura Computadores

Introdução
• Organização de Computadores: Memórias, Unidades Centrais de
Processamento, Entrada e Saída.
• Linguagens de Montagem.
• Modos de Endereçamento, Conjunto de Instruções.
• Mecanismos de Interrupção e de Exceção.
• Barramento, Comunicações, Interfaces e Periféricos. Organização de
Memória.
• Memória Auxiliar.
• Arquiteturas RISC e CISC. Pipeline. Paralelismo de Baixa Granularidade.
• Processadores Superescalares e Superpipeline.
• Multiprocessadores.
• Multicomputadores.
• Arquiteturas Paralelas e não Convencionais.
• Linguagens de máquina e linguagem Assembly.
• Computadores Tolerante à falhas.

Introdução
• MONTEIRO, Mario A. Introdução à
organização de computadores. 4. ed. Rio de
Janeiro: LTC, 2001.
• Organização e Projeto de Computadores -
David A. Patterson

Introdução
• Avaliação
– Projeto de Pesquisa
• Projeto
• Relatório final
Ou
– Aulas expositivas, atividades e provas

Introdução
• Análise do processador
– Unidade Central de Processamento – UCP
– Responsável pela atividade fim do sistema
• Computar, calcular, processar
– Único invólucro (pastilha-chip)
• XBox One
– 5.000.000.000
• Xeo
– 7.200.000.000

Processador
Organização funcional do processador
• O processador não somente realiza o processamento como
também controla todo o funcionamento do sistema
• Primitivas (capacidade de realizar):
– Somar, subtrair, multiplicar ou dividir números (operações
aritméticas)
– Mover um dado de um local de armazenamento para outro
(operação de movimento de dados)
– Transferir um valor (dado) para um dispositivo de saída
(operação de entra ou saída)
• Instrução de máquina (dados e operações)
– A sequência de 0s e 1s formaliza uma determinada operação

Processador
• Linguagem Humana
a) Soma de valores inteiros
135 + 272
b) Soma de valores fracionários
135,77 + 272,89
c) Notação científica
0,135*10³ + 0,0272*10³
• Operações totalmente diferentes
– Valores (dados) nos registradores do processador ou memória
• Um programa executável é constituído de um conjunto de
instruções de máquina sequencialmente organizados

Processador
• Para a execução do programa é necessário
– Instruções na memória principal
– Endereço da primeira instrução
• Função do processador (CPU)
– Buscar instrução na memória
– Interpretar que operação a instrução está explicitando
– Buscar os dados onde estiverem armazenados
– Executar efetivamente a operação com os dados
– Guardar o resultado
– Reiniciar o processo

Processador
• Funções realizadas pelos processadores
– Função Processamento
– Função Controle
• Barramento interno do processador
– Conjunto de fios por onde fluem sinais de dados,
endereços e de controle

Processador

Processador
• Função processamento
– Se encarrega de realizar
as atividades
relacionadas com a
efetiva execução de
uma operação, ou seja,
processar, realizar um
cálculo aritmético ou
lógico

Processador
• Função controle
– Exercida pelos
componentes do
processador que se
encarregam das
atividades de busca,
interpretação e controle
da execução das
instruções, bem como
do controle de ação dos
demais componentes do
sistema de computação
(entrada e saída)
– Analogia ao corpo
humano

Processador
Função Processamento
• Manipular um ou mais valores (dados) em
uma certa sequência de ações de modo a
produzir um resultado útil
– Operações aritméticas
– Operações lógicas
– Movimentação de dados (memória – UCP)
– Desvio
– Operações de entrada e saída

Processador
• Componentes principais
– UAL
• Unidade Aritmética e Lógica
– Registradores de dados
• Dados e resultados
– Registrador especial
• Conjunto de bits, cada um deles com funções específicas,
decorrentes das operações aritméticas realizadas
– Barramento interno (data path)
• Interligação entre estes componentes

Processador
Função Processamento - UAL
• Efetivamente executa as operações
matemáticas com os dados
– Soma
– Multiplicação
– Operação lógica AND
– Operação lógica XOR
– Deslocamento à direita
– Incremente de 1 a um
valor
– Subtração
– Divisão
– Operação lógica OR
– Operação complemento
– Deslocamento à esquerda
– Decremento de 1 a um
valor

Processador
Função Processamento - UAL
• ACC
– Accumulator
• UAL
– Aglomerado de
circuitos lógicos
– Unidade de Ponto
Flutuante

Processador
Função Processamento – Registradores de dados
• Para que um dado possa ser transferido a UAL, é necessário que ele
permaneça, mesmo que por um breve instante, armazenado em
um registrador
• O resultado de uma operação aritmética ou lógica realizada na UAL
deve ser armazenado temporariamente, de modo a ser reutilizado
ou transferido para memória
• Registradores e a memória cache
• Largura do registrador
– 16, 32, 64 bits
• Registradores de controle

Processador
Função Processamento – Registradores Especiais
• Auxiliam e completam a realização das operações
matemática pela UAL
– PSW – Programa Status Word
• Cada bit tem um significado diferente
– Sinal
– Overflow
– Zero
– Vai 1
– Paridade

Processador
• Influência do Tamanho da Palavra
– A capacidade de um processador é
em grande parte determinada pelas
facilidades embutidas no hardware da
UAL
• Tamanho da palavra do processador
• Calcular
– A=3A25 e b=172C
– Big-endian e litle-endian
• UCP de 8bit e outra de 16bits

Processador
• Influência do Tamanho da Palavra
– Maior ou menor tempo na execução de instrução
– Tamanho escolhido para o barramento interno e
externo
• Igual ao tamanho da palavra
– Implementação física do acesso à memória
• Organização da memória física (L1, L2 e RAM)

Processador
Função Controle
• É a parte funcional que realiza as atividades de (uma
etapa de cada vez em sistemas de execução sequencial,
ou várias etapas simultaneamente, em sistemas de
execução pipelining)
• Ciclo de busca de instrução
– Busca instrução que será executada
• Armazena em registrador especial projetado para isso
– Interpretação das ações a serem desencadeadas
• Ciclo de execução de instrução
– Geração dos sinais de controle apropriados para execução

Processador
Função Controle
• Dispositivos básicos
– Unidade de controle – UC
– Relógio ou clock
– Registrador de instrução – RI ou IR
– Contador de instrução – CI ou PC
– Decodificar de instrução
– Registrador de dados da memória (RDM)
– Registrador de endereço da memória (REM)
• A organização dos componentes e o funcionamento
básico da área de controle constituem a
microarquitetura dos processadores

Processador
Função Controle
• Unidade de Controle
– Dispositivo mais complexo do computador
– Lógica necessária ara realizar a movimentação de
dados e de instruções de e para o processador
• Sinais de controle que emite em instantes de tempo
determinados conforme programação prévia
– Relógio – duração fixa e igual
– Dois princípios de organização de processadores para
iniciar os microeventos
• Por microprogramação
• Por programação prévia diretamente no hardware

Processador
Função Controle
• Unidade de Controle
– Outra característica da UC é o modo pelo qual o
sistema conduz a execução das instruções
• Sequencial ou serial (SISD)
• Modo concorrente pipeline
• Processamento paralelo
• Processamento vetorial

Processador
Função Controle
• O relógio
– Necessidade de sincronização
• Processadores são constituídos por circuitos digitais
que mudam de estado milhões de vezes por segundo
Dispositivo gerador de pulsos cuja duração é
chamada de ciclo
– Se alternam do valor de intensidade (alta e baixa)
• Sincronizar e cadenciar

Processador
Função Controle
• O relógio
– Ciclo
– Período
– Lado de subida
– Tempo de subida
– Lado de decida
– Tempo de descida
– Frequência
• Hertz
• Quantos clocks por segundo – velocidade do processador

Processador
Função Controle
• Registrador de Instrução
– Tem a função específica de armazenar a instrução a
ser executada pelo processador
• Contador de Instrução
– Registrador cuja função específica é armazenar o
endereço da próxima instrução a ser executada
– Fundamental para o processo de controle
– Possibilidade de alteração do conteúdo do CI
• Através do incremento automático do ciclo de instrução
• Sempre que o sistema reinicializar
• Instruções de desvio ou mudança do programa em execução

Processador
Função Controle
• Decodificador de instrução
– É um dispositivo para identificar qual operação
será realizada

Processador
Função Controle
• Registrador de Dados de Memória e
Registrador de Endereços de Memória
– Comunicação entre processador e memória
principal
– RDM - Tamanho igual do barramento de dados
• Múltiplos da palavra do processador
– REM tamanho igual ao dos endereços de memória
• 2^32 = 4gb

Processador
Instruções de Máquina
• Formalização de uma operação básica, simples
que hardware é capaz de realizar diretamente
– Operações matemáticas
– Movimentação de dados
– Entrada e saída
– Controle
– C.Op = n Bits = 2^n
– Operando: 1, 2, 3 ou 1,2 ou ACC

Processador
Considerações
• Tecnologia de Fabricação dos Processadores
– Corrida pelo clock do núcleo
• 1,8 – 2,5 – 4GB
– Aumento da produtividade
• Aumento do consumo de energia e temperatura
• Resfriamento alternativo
– Consumo de energia – redução
• Espessura da camada na qual os elementos
semicondutores são feitos (transistores e resistores)

Processador
Considerações
– Wafer de silício
• Pureza de 99,9999%
• Wafer 30cm - $ 20 mil

Processador
Considerações
– Wafer em seu estado original
– Gases, altas temperaturas Litografia óptica
– HDV – VHDL ou Verilog

Processador
Considerações

Processador
Considerações
• Tecnologia de Fabricação dos
Processadores
– Intel 4004 10 micra – 1/10 de
milímetro de espessura

Processador
Considerações
• Tamanho da palavra
• Conjunto de Instruções
• Registradores de Dados
– FPU – unidades de ponto flutuante

Processador
Funcionamento do
Processador

Processador
Funcionamento do Processador
executar 000110110100

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