Organização e Arquitetura de Computadores, Notas de estudo de Engenharia Informática

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Organização e Arquitetura de

Computadores I

Introdução

Ivan Saraiva Silva

Leonardo Casillo

Sumário

• Introdução
• Bibliografia Recomendada
• O que é um computador
• Organização de um Computador
• Modelo de Von Neumann
• IAS – Máquina de Von Neuman
• Memória
• Execução de instruções
  • Gargalo de Von Neumann
  • Noções de Desempenho

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

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)

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

Modelo de Von Neumann

Memória I/O

Controle

Aritmética

Controle de Execução

Execução de Operações

Instruções e Dados

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

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

IAS – Máquina de Von Neumann

Memória Principal

Unidade Lógica e Aritmética

Unidade de Controle

Hardware de Entrada e Saída

MBR

Circuitos de Lógica e Aritmética

Acumulador MQ

MAR Circuitos de Controle

IBR

IR

PC

Endereço

Dados e Instruções

Unidade Central de Processamento

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

Memória

Posição 0

N Bits

Posição 2M^ - 1

2 M^ posições Endereço

M Bits

N Bits

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

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

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-

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