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Organização de Computadores

Organização de Computadores. Paulo Maciel. Memória Externa Disco Magn₫tico CD-ROM Fita Magn₫tica Dispositivos de Entrada e Saída I/O Programado Tratado por Interrup₤₧o DMA Canais SCSI. Arquitetura de Computadores. Introdu₤₧o Resumo Histórico Componentes computador

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Presentation Transcript

  1. Organização de Computadores Paulo Maciel

  2. Memória Externa Disco Magn₫tico CD-ROM Fita Magn₫tica Dispositivos de Entrada e Saída I/O Programado Tratado por Interrup₤₧o DMA Canais SCSI Arquitetura de Computadores • Introdu₤₧o • Resumo Histórico • Componentes computador • Componentes de um processador • Opera₤ões de um processador • Sistema de Interconex₧o • Estruturas Estáticas e Dinâmicas • Barramentos • Memória Interna • Memória Semicondutora • Memória Cache

  3. Unidade de Processamento Componentes Via de Dados Unidade de Controle Aritm₫tica Controle Hardwired Controle Microprogramado RISC versus CISC Arquitetura de Computadores • Suporte do Sistema Operacional • Vis₧o Geral de um Sistema Operacional • Escalonamento • Gerenciamento de Memória

  4. Arquitetura X86 • Modos de opera₤₧o • Modelo de software • Descri₤₧o funcional • Opera₤ões sobre o barramento • Pipelining • Processador Super-escalar • Previs₧o de desvio • Memória cache • Cache de instru₤₧o e de dados • Unidade de Ponto Flutuante Arquitetura de Computadores • Software • Modos de endere₤amento de dados e programa • Instru₤ões • Introdu₤₧o à programa₤₧o • Interrup₤ões • Classifica₤₧o • Processamento de Interrup₤ões • Macroassembly • Programando com Servi₤os do Sistema Operacional

  5. Arquitetura de Computadores Material Didático: • Computer Organization and Architecture Autor: William Stallings Editora : Prentice-Hall, Inc • The Pentium Microprocessosr Autor - James L. Antonakos Editora: Prentice-Hall, Inc. • Outros Livros

  6. Máquina Analítica Componentes: Armazenamento Engenho Se₤₧o de Entrada Se₤₧o de Saída Cartões Perfurados Charles Babbage (1792-1871) Ada Lovelace Computadores Mecânicos • Máquina de Pascal • Opera₤ões:Soma e Subtra₤₧o • Manivela Blaise Pascal (1623-1662)

  7. Máquinas de Aiken Rel₫s Dígitos decimais Fita de papel perfurado Computador El₫trico • Advento da Energia El₫trica • Desenvolvimento da tecnologia eletrot₫cnica • dispositivos eletromagn₫ticos • rel₫s • Automatiza₤₧o dos processos mecânicos

  8. Computador Eletrônico • Máquina Enigma • COLOSSUS (1943) • 1° computador eletrônico Alan Turing

  9. 1ª Gera₤₧o (1945-1955) • ENIAC • Tecnologia - Válvulas e rel₫s • Arquitetura: 20 registradores 10 digitos decimais • Programa₤₧o: Chaves Jonh Mauchley • UNIVAC • IBM 7090

  10. Arquitetura de von Neumann Memória Unidade de Controle ULA Acumulador Entrada Saída 1ª Gera₤₧o (1945-1955) • EDSAC - Jonh von Neumann • Tecnologia - Válvulas e rel₫s • Arquitetura: • Componentes • Memória • Unidade lógico-aritm₫tica • Unidade de controle • Equipamentos de entrada • Equipamentos de saída • Aritm₫tica binária • Programa em linguagem de baixo nível armazenado em memória

  11. Linguagens Sistemas Operacionais Máquinas Máquina Camadas de um Sistema Computacional Aplica₤ões SO

  12. 1ª Gera₤₧o (1945-1955) • Máquinas • UNIVAC • IBM 7090 Nesta ₫poca os conceitos de linguagem de programa₤₧o e de sistemas operacionias n₧o estavam claros • Linguagens • Código Absoluto • Fios e Paineis Um único grupo de pessoas projetava, construia, programava, operava e efetuava manuten₤₧o das máquinas

  13. TX-0 1° Computador transistorizado MIT PDP-1 Metade do desempenho do IBM 7090 ~5% o valor do IBM 7090 DEC IBM 1401 IBM 7094 2ª Gera₤₧o (1955 - 1965) • Advento do Transistor • redu₤₧o de dimensões • redu₤₧o do consumo de pot₨ncia • possibilita a constru₤₧o de equipamentos mais complexos

  14. Distin₤₧o clara das atividades e grupos de pessoas na execu₤₧o de tarefas 2ª Gera₤₧o (1955 - 1965) • Sistema OperacionalBatch • Fortran Monitor System • IBSYS • Linguagens de Alto Nível • FORTRAN • ALGOL

  15. IBM System/360 Família de Computadores com diferentes desempenhos, precos, mas compatíveis. DEC PDP-11 Minicomputador de 16 bits. Microprocessadores INTEL 4004,8008,8080,8085,8086 ZILOG Z80 Motorola 68000 3ª Gera₤₧o (1965 - 1980) • Circuitos Integrados • redu₤₧o de dimensões • redu₤₧o do consumo de pot₨ncia • possibilita a constru₤₧o de equipamentos mais complexos • melhoria de desempenho • Microprocessadores

  16. Simula Pascal C ML Smalltalk 3ª Gera₤₧o (1965 - 1980) • Multiprograma₤₧o • Timesharing

  17. Computadores Cray SUN - 20 IBM SP2 Processadores Intel PENTIUM ALPHA Digital PowerPC 4ª Gera₤₧o (1980 - ?) • Very Large Scale Integration • Computadores Pessoais • Workstations

  18. C++ VisualBasic (Programa₤₧o Visual) Java (Aplica₤ões para WEB) 4ª Gera₤₧o (1980 - ?) • Sistemas Operacionais para Redes • Sistemas Operacionais Distribuídos • Unix, Windows NT

  19. Seqü₨ncia de Fun₤ões Aritm₫tica e Lógicas Interpretador de Instru₤ões Fun₤ões Aritm₫tica e Lógicas de Propósito Geral Arquitetura de Computadores • Abordagens de Hardware e de Software Códigos de Instru₤ões Dados Resultados Controle Dados Resultados Programa₤₧o em Hardware Programa₤₧o em Software

  20. I/O Serial Circuitos de Interrup₤₧o I/O Paralelo Memória Circuitos de Temporiza₤₧o CPU Arquitetura de Computadores • Diagrama em Bloco

  21. Desempenho × Custo Princípio da Localidade Sistema de Memória • Hierárquia • Interna • Registradores • Cache • Memória Principal • Externa • Disco Magn₫tico • Fita Reg. Memória Principal Memória de Massa

  22. Data buffer Reg. Uso Geral Reg. Inst A Dec. Inst Flags Unidade de Controle Latch End. Processador Hipot₫tico Barramento de Dados • Desempenho • Espa₤o de endere₤amento Reg. Aux. ALU ....................... Barramento de Controle Barramento de Endere₤os

  23. Arquitetura de Computadores • Ciclo de Instrução • Ciclo de Busca • Ciclo de Decodificação • Ciclo de Leitura • Ciclo de Execução • Ciclo de Escrita

  24. Código da Instrução Dado, Endereço ou Modo de Endereçamento Arquitetura de Computadores • Formato Genérico de Uma Instrução • Exemplos: • mov al,01h • mov al,[0400] • mov al,[bx+si]

  25. Busca Inst. Escrev. Operand. Lê Operand. Cal. End. Prox. Inst. Dec. Inst. Cal. End. Operand. Cal. End. Operand. Exec. Operaç. Arquitetura de Computadores • Diagrama de Estado do Ciclo de Instrução Múltiplos Resultados Múltiplos Operandos Instrução Finalizada. Busca Nova Instrução Retorna para string ou vetor

  26. Arquitetura de Computadores • Interrupções • Internas - erro de paridade, divisão por zero • Externas - relógio, teclado • Mascarável - pode ser inibida • Não Mascarável - não pode ser inibida

  27. Arquitetura de Computadores • Interrupções na Arquitetura x86 • Hardware Internas Externas Mascarável Não-Mascarável • Software Sistema Operacional Usuário

  28. Arquitetura de Computadores Programa do Usuário Servi,co de Interrupção 1 2 i i+1 m

  29. Busca Inst. L₨ Operand. Escrev. Operand. Verif. se há interrp. Cal. End. Prox. Inst. Dec. Inst. Cal. End. Operand. Cal. End. Operand. Exec. Operaç. Interrupção Arquitetura de Computadores • Diagrama de Estado do Ciclo de Instrução com Interrupção Sem Interrup. Múltiplos Resultados Múltiplos Operandos Instrução Finalizada. Busca Nova Instrução Retorna para string ou vetor

  30. Arquitetura de Computadores Múltiplas Interrupções Programa do Usuário Serviço da Interrupção X 1 2 i i+1 j j+1 m Serviço da Interrupção Y

  31. Arquitetura de Computadores Interrupções Aninhadas Programa do Usuário Serviço da Interrupão X 1 2 i i+1 m J j+1 Serviço da Interrupção Y

  32. I/O I/O Memória CPU Arquitetura de Computadores • Desempenho • Espaço de endereçamento Barramento Dados Endereço Controle

  33. Arquitetura de Computadores • Barramento • Linhas de Controle Típicas • Escrita em memória • Leitura de memória • Escrita em I/O • Leitura de I/O • Solicitação de Barramento • Reconhecimento da Solicitação do Barramento • Solicitação de Interrupção • Reconhecimento de Interrupção • Clock • Reset

  34. Cache CPU Controlador Locoal de I/O Memória Interface de Expansão I/O Serial Network Modem SCSI Arquitetura de Computadores • Barramento Hierárquico Barr. Local Barr. do Sistema Expansão do Bus

  35. I/O Serial I/O Paralelo Memória CPU Arquitetura de Computadores • Elementos de Projeto de um Barramento • Tipo • Multiplexado • Dedicado • Vantagem • Menos linhas • Possível menor • Custo • Desvantagem • Circuitos dos • módulos é • mais complexo • Desempenho

  36. I/O Serial I/O Paralelo Memória CPU Arquitetura de Computadores • Elementos de Projeto de um Barramento • Tipo • Multiplexado • Dedicado • Vantagem • Menor contenção • Desempenho • Desvantagem • Mais linhas • Custo Barr. de I/O Adaptador Adaptador Barr. local

  37. Arquitetura de Computadores • Elementos de Projeto de um Barramento • Método de Arbitragem • Centralizado • Distribuído P1 P0 Req0 Req1 Árbitro LM0 LM1 Gnt0 Gnt1 SM I/O

  38. Arquitetura de Computadores • Elementos de Projeto de um Barramento • Método de Arbitragem • Centralizado • Distribuído I/O SM Term. Barr. Term. Barr. Busy BPO BPI BPI BPI BPO BPO P0 P1 P2 LM0 LM1 LM2

  39. Circuitos de Temporiza₤₧o Memória CPU Arquitetura de Computadores • Elementos de Projeto de um Barramento • Temporização • Síncrono • Assíncrono AD bus mrq rd clk clk mrq rd add Válido data P/ CPU Leitura de Memória

  40. Memória CPU Arquitetura de Computadores • Elementos de Projeto de um Barramento • Temporização • Síncrono • Assíncrono AD bus msyn rd msyn ssyn rd add Válido data P/ CPU ssyn Leitura de Memória

  41. Arquitetura de Computadores • Elementos de Projeto de um Barramento • Largura • Baramento de Dados : desempenho • Barramento de Endereço: espaço de endereçamento

  42. Ponte/ Controlador de Memória CPU DRAM Cache Contolador de Vídeo Áudio Ponte para Expansão Network Vídeo Dispositivos I/O SCSI Arquitetura de Computadores • PCI - Peripherical Component Interconnect Barr. Local Barramento PCI Expansão do Bus

  43. Arquitetura de Computadores • PCI - Peripherical Component Interconnect • Estrutura • Pinos de Sistema (reset e clock) • Pinos de Dados e Endereços (32 linhas multiplexadas de dados e endereços, erro de paridade) • Pinos de Controle de Interface (Coodernação e controle de transações entre dispositivos - IRDY, TRDY, IDSEL, DEVSEL) • Pinos de Arbitragem - (Req, GNT) • Pinos de Erro - (PERR,SERR) • Pinos de Interrupção - (INTA,INTB,INTC,INTD) • Pinos de Suporte à Cache - (SOB,SDONE) • Pinos de Extensão para Barr. de 64 Bits - (Linhas de endereço e dados multipliexadas, linhas de erro etc) • Pinos JTAG - ( Procedimentos de teste definidos no padrão IEEE 1149.1)

  44. Arquitetura de Computadores • PCI - Peripherical Component Interconnect • Comandos • Reconhecimento de Interrupção • Ciclo Especial - (Utilizado por um iniciador para enviar comando para mais de um destino ao memo tempo) • Leitura e Escrita de I/O • Leitura de Memória • Leitura • Leitura de Linha • Leitura Múltipla • Escrita em Memória • Escrita em Memória com Invalidação • Leitura de Configuração de Dispositivo • Escrita de Configuração de Dispositivo • Ciclo de Endereçamento Dual - (Endereçamento de 64 bits)

  45. Memória Interna Memória Externa Memória Off-line Sistema de Memória • Hierárquia • Registradores • Cache • Memória Principal • Disco Magnético • CDROM • Fita Memória de Massa

  46. Sistema de Memória Memória Principal - semicondutora - Volateídade Categoria Tipo Apagamento Escrita Volátil E/L RAM Elétrico Elétrico Só leitura ROM Ñ é Possível Máscara PROM Elétrico Ñ volátil Quase só EPROM UV de leitura EEPROM Elétrico

  47. Vcc Vcc A0 An-1 Lógica de Decod. Vcc CS D0 D1 D m-1 Estrutura Interna Sistema de Memória • Memória ROM An-1 Dm-1 n  m ROM D0 A0 CS Diagrama em Bloco

  48. Sistema de Memória • Memória PROM Vcc Fusível Vcc An-1 Dm-1 A0 An-1 Lógica de Decod. n  m PROM Vcc D0 A0 CS CS Diagrama em Bloco D0 D1 D m-1 Estrutura Interna

  49. Sistema de Memória • Memória EPROM Modo Entradas Saídas CS OE/Vpp Ler/ VL VL dados_saída Verificar Saída VL VH Alta Imp. Desabilitada Standby VH X Alta Imp. Programa VL VPP Dados_entrada An-1 Dm-1 n  m EPROM OE/ Vpp D0 A0 CS Diagrama em Bloco

  50. Sistema de Memória • Memória EEPROM Modo Entradas Saídas CS OE WE Ler VL VL VH Dados_saída Escreve VL VH VL Dados_ent. Standby VH X X Alta imp. An-1 Dm-1 A0 An-1 n  m EEPROM A0 D0 OE WE CS Diagrama em Bloco

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