Organização e Arquitetura de Computadores

1. Organização e Arquitetura de Computadores

2. Agenda - Aula 01 • Computador • Programas • Elementos básicos da máquina • Máquina multinível • Evolução dos computadores

3. Computador Digital • Máquina capaz de resolver problemas através da execução de instruções que lhe são passadas. • Os circuitos eletrônicos do computador executam um conjunto limitado de instruções simples: adição, subtração, deslocamento, OR, AND.

4. CPU Execução das instruções de um programa Memória Programas + Dados Vídeo Teclado E/S Buffers Computador Digital

5. Unid. controle Memória Programas + Dados Reg. Vídeo MAR IR PC MBR AC Teclado E/S ALU • Unid. processamento Buffers Computador Digital

6. Programa • Seqüência de instruções que mostra como executar uma determinada tarefa. Pode ser escrita em uma linguagem específica. Por exemplo: - Some dois números. - Imprima “positivo” se o resultado for > 0. - Imprima “negativo” se o resultado for < 0.

7. Problema Programa Computador Solução Programa Qual a linguagem que o computador entende?

8. Programa • Computador executa um conjunto limitado de instruções simples: adição, subtração, deslocamento, OR, AND.Os programas são convertidos nestas instruções antes de serem executados. • Cada instrução deve ser executada pela máquina na qual o programa está instalado. • Apenas algumas linguagens contém instruções que podem ser diretamente executadas.

9. Programa Tradução e Execução • Os programas cujas instruções não podem ser diretamente executadas devem ser compilados ou interpretados para a linguagem que permita a execução direta de suas instruções.

10. Compilação Execução linguagem não executável programa fonte linguagem executável programa objeto Faça isto e aquilo 01001110101101 dados entrada saída Máquina Programa

11. Compilação Interpretação Faça isto e aquilo 01001110101101 Máquina Programa • O processo de compilação traduz todo o programa fonte para um programa objeto. • A interpretação traduz comando a comando do programa fonte, que são executados à medida que são traduzidos.

12. 01001110101101 dados entrada saída Máquina Programa • O processo de execução de um programa envolve: • Executar cada instrução do programa objeto. • Obter os dados necessários para a computação. • Produzir as saídas resultantes da computação.

13. Elementos Básicos da Máquina • Memória • Unidade aritmética e lógica • Unidade de controle • Barramento • Dispositivos de entrada e saída

14. Elementos Básicos da Máquina • O sistema no qual o programa será executado deve ser capaz de: • Armazenar o programa e os dados utilizados na computação. • Localizar cada instrução e identificar a ação que deve ser realizada. • Executar a ação, possivelmente obtendo, transformando e armazenando dados. • Comunicar-se com outros dispositivos (entrada e saída).

15. Elementos Básicos da Máquina • O sistema no qual o programa será executado deve ser capaz de: • Armazenar o programa e os dados utilizados na computação. • Localizar cada instrução e identificar a ação que deve ser realizada. • Executar a ação, possivelmente obtendo, transformando e armazenando dados. • Comunicar-se com outros dispositivos (entrada e saída). Memória Aritmética e Lógica Controle Canais de Comunicação Dispositivos

16. Máquina Multinível Linguagem C Linguagem Assembly Swap (int v[], int k) {int temp: temp = v[k]; v[k] = v[k+1]; v[k+1] = temp; } swap: muli $2, $5, 4 add $2, $4, $2 lw $15, 0($2) lw $16, 4($2) sw $16, 0($2) sw $15, 4($2) jr $31 Código Executável 00000000101000010000000000011000 00000000100011100001100000100001 10001100011000100000000000000000 10001100111100100000000000000100 10101100111100100000000000000000

17. Máquina Multinível • Uma máquina pode ser vista como tendo vários níveis, cada um capaz de executar um conjunto de instruções específicas. Isto é, cada nível possui linguagens apropriadas para descrever as instruções que nele podem ser executadas. • MÁQUINA VIRTUAL • A maioria dos computadores possui dois ou mais níveis. Descreveremos a organização de uma máquina de seis níveis.

18. Nível 5: linguagem orientada a problemas Nível 4: linguagem de montagem sistema operacional Nível 3: Nível 2: máquina convencional microprogramação Nível 1: Nível 0: lógica digital dispositivos Máquina Multinível Tradução (Compilador) Tradução(Montador) Interpretação Parcial (SO) Interpretação (Microprograma) Executados Diretos pelo Hardware

19. linguagem orientada a problemas linguagem de montagem sistema operacional máquina convencional microprogramação lógica digital dispositivos Máquina Multinível • Formado pelos transistores individuais • Tensão, corrente, circuitos, etc.

20. linguagem orientada a problemas linguagem de montagem sistema operacional máquina convencional microprogramação soma lógica digital vai um dispositivos Máquina Multinível • Portas lógicas e CI. • Implementam a manipulação de sinais executando funções lógicas básicas: AND, OR, NOT, deslocamento de bits, etc.

21. linguagem orientada a problemas linguagem de montagem sistema operacional máquina convencional microprogramação lógica digital dispositivos Máquina Multinível • Microinstruções constituem de microprogramas que controlam a entrada e saída de sinais para os vários dispositivos e controlam as várias portas lógicas. • Instruções binárias.

22. linguagem orientada a problemas linguagem de montagem sistema operacional máquina convencional microprogramação lógica digital dispositivos Máquina Multinível • Comandos para executar funções específicas da máquina: formato de instruções endereçamento, interrupções, dependente da arquitetura utilizada. • MOV 0 ACC; • ADD 03FC;

23. linguagem orientada a problemas linguagem de montagem sistema operacional máquina convencional microprogramação lógica digital dispositivos Máquina Multinível • Comandos para executar funções específicas da máquina: • Gerenciamento de tarefas, • Sistema de arquivos, • Memória virtual e paginação.

24. linguagem orientada a problemas linguagem de montagem sistema operacional máquina convencional microprogramação lógica digital dispositivos Máquina Multinível Assembler Cada comando corresponde exatamente a uma instrução a ser executada. Utiliza-se mnemônicos e endereços simbólicos. MOV 0 ACC; MOV 0 R1; ... GTO A R1

25. linguagem orientada a problemas linguagem de montagem sistema operacional máquina convencional microprogramação lógica digital dispositivos Máquina Multinível C, C++, Pascal, Cobol Aux:= 0; do print(Aux); Aux:= Aux + 1; while Aux <= 10;

26. Evolução dos Computadores • GERAÇÃO ZERO - 1836 - Anos 30 • Máquinas mecânicas ou baseadas em relés • dificuldade de construção • pouca exatidão • 1 nível: • nível de lógica digital • Exemplos: • 1936 - Zuze - Z1 • Primeira máquina calculadora a relés • 1943 - Governo Britânico - Colossus • Primeiro computador eletromecânico

27. Evolução dos Computadores • PRIMEIRA GERAÇÃO - Anos 40 • Válvulas com processadores • Caras, lentas, queimavam com facilidade • ENIAC, UNIVAC • 2 níveis: • nível convencional • nível de lógica digital • Exemplos: • 1946 - Eckert/Mauchkley - Eniac 1 • A História do computador moderno começa aqui!

28. Evolução dos Computadores • SEGUNDA GERAÇÃO - Anos 50 • Transistores • menores, mais baratos, rápidos, duráveis • 3 níveis: • nível de montadores (assembly) • nível de máquina convencional • nível de lógica digital • Exemplo: • 1952 - Von Neumann - IAS • Modelo da maioria das máquinas atuais.

29. Evolução dos Computadores • TERCEIRA GERAÇÃO - Anos 60 • Circuitos Integrados (CI`s) • 4 níveis: • nível de montadores/compiladores • nível de sistema operacional • nível de máquina convencional • nível de lógica digital • Exemplos: • 1960 - DEC - PDP 11 • Primeiro minicomputador (50 unidades vendidas) • 1964 - IBM - 360 • Primeira linha de produtos projetada como uma família.

30. Evolução dos Computadores • QUARTA GERAÇÃO - Anos 70 • Microprocessadores/ Mem. semicondutora • VLSI Very Large Scale Integration • 5 níveis: • nível de montadores/compiladores • nível de sistema operacional • nível de máquina convencional • nível de microprogramação • nível de lógica digital • Exemplos: • 1974 - Intel - 8080 • Primeira CPU de uso geral em um chip.

31. Evolução dos Computadores • QUINTA GERAÇÃO - Anos 80 • Máquinas RISCs • Crise do Software • Linguagem C • 4 níveis: • nível de montadores/compiladores • nível de sistema operacional • nível de máquina convencional • nível de lógica digital • Exemplos: RISC, MIPS, Sparc.

32. Evolução dos Computadores • Crise do Software • Diminuição do preço de hardware • Aumento do preço relativo do software • Dificuldades em achar programadores • Aumento do preço absoluto do software • Aumento da complexidade dos sistemas • Impulsionou linguagens de alto nível • Gap semântico • Melhoria da tecnologia dos compiladores

33. Evolução dos Computadores • ... Anos 90 • Arquiteturas Superescalares • Arquiteturas VLIW ou EPIC (Explicit ParallelInstruction Coding, ex: Merced IA64 da Intel) • Arquiteturas Superpipeline • 3 níveis • nível de sistema operacional • nível de máquina convencional • nível de lógica digital • Exemplos: • Pentium, Alpha, Power.