Arquitetura de Computadores ECO015

1. Arquitetura de ComputadoresECO015 Engenharia de Computação

2. Aula 3 Interconexão do computador Aula 3 – Interconexão do Computador

3. Interconexão do computador • Todas as unidades devem ser conectadas • Diferentes tipos de conexão para diferentes tipos de unidades • Memória • Entrada/Saída • CPU Aula 3 – Interconexão do Computador

4. Módulos do computador Aula 3 – Interconexão do Computador

5. Conexão da Memória • Recebe e envia dados • Recebe endereços (de localizações de memória) • Recebe sinais de controle • Leitura (Read) • Escrita (Write) • Sincronia (Timing) Aula 3 – Interconexão do Computador

6. Conexão de Entrada/Saída (1) • Similar ao de memória do ponto de vista do computador • Saída • Recebe dados do computador • Envia dado ao periférico • Entrada • Recebe dados do periféricos • Envia dados ao computador Aula 3 – Interconexão do Computador

7. Conexão de Entrada/Saída (2) • Recebe sinais de controle do computador • Envia sinais de controle para periféricos • e.x. spin disk • Recebe endereços do computador • e.x. número de porta para identificar um periférico • Envia sinais de interrupção (controle) Aula 3 – Interconexão do Computador

8. Conexão da CPU • Leitura de dados e instruções • Envia dados para escrita (após processamento) • Envia sinais de controle para outras unidades • Recebe (& atua sobre) interrupções Aula 3 – Interconexão do Computador

9. Tipos de transferência (1) • Memória para processador • Processador lê uma instrução ou dado na unidade de memória • Processador para memória • Processador escreve dados na memória • E/S para processador • Processador lê dados de um dispositivo por meio de um módulo de E/S Aula 3 - Visão de alto nível da função

10. Tipos de transferência (2) • Processador para E/S • Processador envia dados para dispositivo de E/S • E/S de ou para a memória • Módulo possui permissão para trocar dados diretamente com a memória, sem passar pelo processador • DMA – Direct Memory Access • Por onde ocorrem as transferências de dados? Aula 3 - Visão de alto nível da função

11. Barramentos • Existem uma grande combinação de interconexões no sistema • Estruturas de barramento Único e Múltiplos são os mais comuns • e.x. Barramento de Controle/Endereços/Dados (PC) • e.x.Unibus (DEC-PDP) Aula 3 – Interconexão do Computador

12. O que é um barramento? • Um caminho de comunicação conectando dois ou mais dispositivos • Usualmente opera em broadcast (todos os dispositivos recebem o sinal) • Frequentemente agrupados • Vários canais em um barramento • e.x. barramento de 32 bits de dados é separado em 32 canais únicos • Existem ainda: barramentos de alimentação • Não será abordado nesse curso Aula 3 – Interconexão do Computador

13. Esquema de Interconexão por barramentos Aula 3 – Interconexão do Computador

14. Barramento de dados • Transporta dados • Neste nível, não existe uma diferenção entre “dados” e “instruções” • Largura é o fator determinando de desempenho • 8, 16, 32, 64 bits Aula 3 – Interconexão do Computador

15. Barramento de Endereços • Identifica a origem ou o destino dos dados • e.x. CPU precisa ler uma instrução (dados) de uma dada localização de memória • Largura do barramento determina a capacidade máxima de memória do sistema • e.x. 8080 possui barramento de 16 bits de endereço fornecendo 64k de espaço endereçável Aula 3 – Interconexão do Computador

16. Barramento de Controle • Informações de Controle e Sincronia • Sinais de leitura/escrita para a memória • ACK de transferência • Requisição de interrupção (interruptrequest) • Solicitação de barramento (bus request) • Concessão de barramento (bus grant) • ACK de interrupção • Sinais de clock Aula 3 – Interconexão do Computador

17. Como acontece a transferência? • Como deve ser a operação • Dois passos • Enviar dados • Receber dados 1. Obter uso do barramento 2 . Transferir dados pelo barramento 1. Obter uso do barramento 2. Transmitir uma requisição ao módulo de entrada e saída Aguardar.... Aula 3 - Visão de alto nível da função

18. Grandes e amarelos? • Como identificar um barramento? • Linhas paralelas nas placas de circuito • Slotsde conexão em placas mãe • e.x. PCI • Conjunto de fios Aula 3 – Interconexão do Computador

19. Problemas de barramento único • Grande quantidade de dispositivos compartilhando um barramento levam a: • Atrasos de propagação • Caminhos longos de dados implica que a coordenação do acesso afeta negativamente o desempenho • Maior parte do sistema utiliza múltiplos barramentos para superar tais problemas Aula 3 – Interconexão do Computador

20. Sistema de barramento tradicional (ISA)(com cache) • Cache evita o acesso direto do processador à memória • Permite que outros dispositivos acessem o barramento • Eficaz, porém: • Dispositivos começam ficar muito rápidos e.x. rede, vídeo, etc. Buffer Aula 3 – Interconexão do Computador

21. Barramentos de alto desempenho • Cache/Ponte (buffer) • Barramento de alta velocidade • Dispositivos de alta velocidade mais perto do processador • Alterações de processador não afetam o funcionamento dos outros barramentos Buffer Buffer Aula 3 – Interconexão do Computador

22. Tipos de barramentos • Dedicados • Separação entre linhas de dados & endereços • Multiplexados • Compartilhamento das linhas • Linha de controle indica quando são dados ou quando são endereços • Vantagem – menos linhas • Desvantagens • Controles mais complexos • Degradação do desempenho Aula 3 – Interconexão do Computador

23. Temporização • Coordenação dos eventos em um barramento • Síncrono • Eventos determinados por sinais de clock • Barramento de controle possui uma linha de clock • Um ciclo de barramento 1-0 • Todos os dispositivos recebem a linha de clock • Usualmente a sincronia acontece no edge de descida • Usualmente um ciclo de clock por evento Aula 3 – Interconexão do Computador

24. Diagrama de temporização síncronaCiclo de Leitura • Sinal de clock controla a operação do barramento • Ex. • 1º Ciclo: processador coloca sinais nas linhas de endereço e emite sinal de ativação do endereço • 2º Ciclo: • Leitura: memória localiza a posição • 3º Ciclo: • Leitura: Memória coloca os dados no barramento e processador efetua leitura Aula 3 – Interconexão do Computador

25. Diagrama de temporização síncronaCiclo de Escrita • Sinal de clock controla a operação do barramento • Ex. • 1º Ciclo: processador coloca sinais nas linhas de endereço e emite sinal de ativação do endereço • 2º Ciclo: • Escrita: Processador coloca os dados nas linhas de memória • 3º Ciclo: • Escrita: Copia a informação das linhas de dados para posição de memória Aula 3 – Interconexão do Computador

26. Temporização Assíncrona – Diagrama de leitura • Processador coloca todos os sinais no barramento • Pulso na linha de leitura faz com que memória localizar o endereço desejado e coloque os dados no barramento • Quando o dados for válido a memória ativa a linha de confirmação e o processador efetua a leitura Aula 3 – Interconexão do Computador

27. Temporização Assíncrona – Diagrama de escrita • Processador coloca todos os sinais no barramento • Pulso na linha de escrita faz com que memória armazene os dados na posição desejada • Memória coloca um sinal de confirmação no barramento Aula 3 – Interconexão do Computador

28. Tipos de transferências de dados • Perspectiva do processador Tempo Tempo Endereço (1ºciclo) Dados (2ºciclo) Endereço Operação de escrita (multiplexada) Dados Endereço Tempo de acesso Dados Operação de escrita ( não multiplexada) Operação de leitura (multiplexada) Endereço Leitura de dados Escrita de dados Tempo Endereço Operação de leitura-modificação-escrita Dados Endereço Escrita de dados Leitura de dados Operação de escrita (não multiplexada) Operação de leitura-após-escrita Endereço Dados Dados Dados *Multiplexado – mesmo barramento para endereço e dados Transferência de dados em bloco Aula 3 - Visão de alto nível da função

29. Aula 12 Estrutura e função do processador AUla 12 - Estrutura e função do processador

30. Organização da CPU • O projeto de uma CPU deve atender os seguintes requisitos: • Busca de instruções (fetch) • Ler uma instrução da memória (registrador, cache, principal) • Interpretação de instruções • Decodificar a instrução e determinar a ação requerida • Busca de dados • Ler os dados da memória ou de algum módulo de E/S • Processamento de dados • Efetuar uma operação aritmética ou lógica com os dados • Escrita de dados • Gravar os resultados na memória ou módulo de E/S AUla 12 - Estrutura e função do processador

31. Estrutura de barramento e organização interna CPU com barramento de sistema Estrutura Interna da CPU AUla 12 - Estrutura e função do processador

32. Registradores AUla 12 - Estrutura e função do processador

33. Organização dos Registradores • A CPU deve possuir espaço para manipulação de dados (armazenamento temporário) • Número e funções dos registradores variam de acordo com o design do processador • Maior decisão de design (quantos e qual função?) • Nível mais alto da hierarquia de memória • Dois tipos: • Registradores visíveis aos usuário • Registradores de controle e estado AUla 12 - Estrutura e função do processador

34. Registradores visíveis ao usuário • São os registradores que podem ser referenciados pelos recursos da linguagem de máquina que o processador executa. • Propósito geral • Dados • Endereços • Códigos de condição AUla 12 - Estrutura e função do processador

35. Registradores de propósito geral (1) • Pode possuir qualquer função atribuída pelo programador. Isto é, pode conter um operando para qualquer opcode. • Porém podem existir restrições para seu uso (ponto flutuante, operação de pilha, etc) • Podem ser usados para dados e endereçamento • Dados • Acumulador podem ser empregados para cálculos de endereçamentos • Endereçamento • Indireto por registrador, deslocamento • Uso geral ou endereçamento em particular AUla 12 - Estrutura e função do processador

36. Registradores de propósito geral(2) • Caso eles sejam de uso geral • Aumenta a flexibilidade e as opções do programador • Aumento o tamanho & complexidade das instruções • Caso eles sejam especializados • Instruções menores e mais rápidas • Menor flexibilidade AUla 12 - Estrutura e função do processador

37. Quantos registradores de propósito geral? • Entre 8 – 32 (Não muito bem definido)i • Quanto menos registradores mais referências são feitas na memória • Porém, mais registradores não reduz as referências na memória AUla 12 - Estrutura e função do processador

38. Qual o tamanho de um registrador? • Grande o suficiente para armazenar um endereço completo • Grande suficiente para armazenar uma palavra completa • Deve ser possível combinar dois registradores de dados: • Programação em C: longint a; AUla 12 - Estrutura e função do processador

39. Registradores de controle & status • Controlam a operação do processador e na maior parte dos sistemas não é visível ao usuário. • Diferentes máquinas possuem diferentes organizações. Porém os quatro essenciais são: • Contador de programas (PC) • Registrador da instrução (IR) • Registrador de endereço de memória (MAR) • Registrador buffer de memória (MBR) AUla 12 - Estrutura e função do processador

40. Registradores de código de condição • Conjunto de bits individuais • e.x. resultado da última operação foi zero • Pode ser lido (implicitamente) pelos programas • e.x.Jump se zero • Não pode (usualmente) ser configurado por programas AUla 12 - Estrutura e função do processador

41. Palavra de status de um programa • Muitos modelos possuem palavra de estado do programa (PSW). Bits comuns encontrados em um PSW incluem as seguintes informações: • Sinal da última operação aritmética • Zero • Carry • Equal • Overflow • Interrupção Habilitada/desabilitada AUla 12 - Estrutura e função do processador

42. Códigos condicionais AUla 12 - Estrutura e função do processador

43. Exemplos de organização de registradores AUla 12 - Estrutura e função do processador

44. Aula 3 Visão de alto nível da função Aula 3 - Visão de alto nível da função

45. Visão de alto nível • Possível descrever um sistema de computação de acordo com: • O comportamento externo de cada componente • Dados e sinais de controle que ele troca com os outros componentes • Estrutura de interconexão e controles exigidos para gerenciar a estrutura de interconexão Aula 3 - Visão de alto nível da função

46. Conceito de programa armazenado • Três conceitos principais de Von Neumann • Dados e instruções em uma única memória escrita • Memória é endereçável por local, sem considerar o tipo de dados contido • Execução ocorre de forma sequencial de uma instrução para a próxima Aula 3 - Visão de alto nível da função

47. Conceito de programa armazenado (2) • Sistemas hardwired são inflexíveis • Hardware de propósito geral? • Hardware de propósito geral podem realizar diferentes tarefas – dado os corretos sinais de controle • Ao invés de re-cabear o hardware, deve-se apenas utilizar um novo conjunto de sinais de controle Aula 3 - Visão de alto nível da função

48. Hardwired vs. HW + SW • Hardwired • Aceita dados e produz resultados • e.x. • Hardware + Software • Aceita dados e sinais de controle e produz resultado • e.x. Aula 3 - Visão de alto nível da função

49. HW + SW O que é um programa armazenado? • Sinais de controle • Determina uma sequência de passos • Para cada passo, uma operação lógica ou aritmética é realizada • Para cada operação, um conjunto diferente de sinais de controle é necessário. • Conjunto de sinais de controle → Instrução • Conjunto de instruções → Software Aula 3 - Visão de alto nível da função

50. Função da unidade de controle • Para cada operação que pode ser realizada um único código (opcode) é utilizado • e.x. ADD, MOVE • Um segmento do hardware recebe o código e fornece os sinais de controle • Dessa forma: Temos um computador!! Aula 3 - Visão de alto nível da função