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  • 1. Organização e Arquitetura de Computadores I Introdução Ivan Saraiva Silva Leonardo Casillo
  • 2. Sumário• Introdução • Gargalo de Von Neumann• Bibliografia Recomendada • Noções de Desempenho• O que é um computador• Organização de um Computador• Modelo de Von Neumann• IAS – Máquina de Von Neuman• Memória• Execução de instruções
  • 3. Introdução• Plano de aula• Avaliações – Três provas e um projeto• Uso da linguagem VHDL• Fórum de Estudantes 2004• Design Contest
  • 4. Bibliografia Recomendada• Arquitetura e Organização de Computadores - Quinta Edição - William Stallings - Prentice Hall - 2002• Organização estruturada de computadores, quarta edição, Andrew S. Tanenbaum• Computer Organization & Design: The Hardware/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
  • 5. O que é um Computador• Um computador é uma máquina eletrônica lógica• Programável – Programa • Instruções• Representável por uma hierarquia de níveis de abstração (Tanenbaum) – Microeletrônica (mais baixo) – Sistema Operacional (mais alto)
  • 6. Níveis de AbstraçãoLinguagem orientada a problemas Linguagens de alto nível Linguagem deAssembly Linguagem Montágem Gerencia de sistema e interface Sistema Operacional de usuário Máquina Convencional Conjunto de instruções Interpretador em firware MicroprogramaçãoUnidades lógicas combinacionais e Lógica Digital sequenciais Caracteristicas físicas, malha de Microeletrônica transistores
  • 7. Organização de um Computador• Modelo de Von Neumann (1945) – Concito de programa armazenado – Separação da Unidade Aritmética e de Controle – Utilização de barramentos e registradores – Hardware de entrada e saída (I/O) UCP Memória I/O
  • 8. Modelo de Von Neumann Controle de ExecuçãoControle Execução de OperaçõesAritmética Memória I/O Instruções e Dados
  • 9. Modelo de Von Neumann operaçãoBloco de controle Bloco operacional CPU endereços dados Memória instruções dados
  • 10. Modelo de Von Neumann• Memória: Conjunto de posições/locações endereçáveis• Palavras: Posição/locação da memória. Contém dados e instruções.• Palavra: Unidade básica de transferência de/para memória.• Palavras são localizadas através de um endereço• Dados, instruções e endereços são codificados em binário
  • 11. Modelo de Von Neumann• Programa é uma seqüência de instruções, colocadas numa seqüência de endereços• A execução de um programa corresponde à execução seqüencial de suas instruções• A seqüência das instruções é definida de forma dinâmica em tempo de execução – Existência de instruções de controle de fluxo
  • 12. IAS – Máquina de Von Neumann Unidade Central de Processamento Unidade Lógica e Aritmética Acumulador MQ Circuitos de Lógica e AritméticaHardware MBRde Entrada Dados e Instruções Memóriae Saída Principal IBR PC MAR IR Circuitos de Controle Endereço Unidade de Controle
  • 13. IAS – Máquina de Von Neumann Unidade Central de Processamento Unidade Lógica e Aritmética Acumulador MQ Circuitos de Lógica e AritméticaHardware MBRde Entrada Dados e Instruções Memóriae Saída Principal IBR PC MAR IR Circuitos de Controle Endereço Unidade de Controle
  • 14. Conceitos e Convenções• Registradores: Posições de memória internas a UCP. – Dedicados e de Uso Geral• Barramento: Via de comunicação – Dados e Instruções, Endereços e Controle – Comunicação Síncrona e Assincrona
  • 15. Memória• Em um computador geralmente existe uma hierarquia de memória.• Cada nível da hierarquia é dividido em palavras de N bits cada• A palavra é a unidade básica de transferência entre a UCP e a memória.• Uma memória com 2M palavras necessita de M bits de endereço
  • 16. Memória N Bits Posição 0M Bits 2M posições Endereço Posição 2M - 1 N Bits
  • 17. Execução de Instruções• busca da próxima instrução na memória – manda endereço, volta instrução• decodificação da instrução – interpreta código da instrução• se a instrução precisa de dados (na memória) – manda endereço, busca dado• execução da instrução – executa ações específicas para cada instrução
  • 18. Execução de Instruções endereço instruçãoBC MEM instruçãoMEM BC operação endereço operando 1 Bloco BlocoBC MEM Controle Operativa operando 1MEM BO endereço operando 2BC MEM operando 2 dadosMEM BO endereço ordem de execuçãoBC BO Memória executa soma instrução dadosBO endereço resultadoBC MEM resultadoBO MEM
  • 19. Gargalo de Von Neuman• Refere-se ao tráfego no barramento – vai endereço da instrução volta instrução – vão endereços dos operandos – vão e voltam operandos• Para eliminar gargalo: diminuir tráfego de informações – manter informações na CPU – diminuir tamanho em bits das informações transferidas – Inclusão de registradores
  • 20. Noções de Desempenho• Ciclo de relógio (clock): intervalos básicos de tempo nos quais são executadas as operações elementares de uma instrução – transferências de valores entre registradores – operações aritméticas na ALU• Período do relógio (T): Tempo de duração de um ciclo do relógio• Freqüência do relógio (f): Freqüência de repetição de ciclos de clock por unidade de tempo• Exemplo: Se o período do relógio é de T = 4 ns = 4x10-9 f = 1/T = 1/4x10-9 = 250 MHz
  • 21. Isto significa que? Circuito Seqüencial• Para um período de T=4ns a máquina pode executar 250 milhões de operações elementares Circuito• As operações elementares Combinatório são executadas de forma síncrona com o relógio• O desempenho da T máquina e proporcional a: nº ciclos x período = nº ciclos ÷ freqüência Relógio
  • 22. Noções de Desempenho• Tempo de UCP de execução de um programa pode se dividido em tempo do usuário e tempo do sistema – tempo de usuário – execução de instruções do programa do usuário – tempo de sistema – tarefas do S.O. necessárias para a execução do programa do usuário• Além do tempo UCP há o tempo de resposta (ou tempo relógio real) que inclui: – acessos a disco, atividades de I/O – overhead do sistema operacional

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