Introdução à Arquitetura de Computadores
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Este documento fornece uma introdução à arquitetura de computadores e sistemas operacionais. Ele discute conceitos como arquitetura, organização, abstração e histórico das gerações de computadores, desde as máquinas da primeira geração baseadas em válvulas até as atuais arquiteturas x86 e ARM. O documento também apresenta os principais componentes de um computador e sua estrutura hierárquica.
Introdução à Arquitetura de Computadores
- 1. Introdução à Arquitetura de Computadores e Sistemas Operacionais Professor: Mauro Jansen Introdução Versão: 02/2018
- 2. Prof. Mauro Jansen INTRODUÇÃO Introd.Arq.Computadores e SO Sistemas de Numeração 2
- 3. Prof. Mauro Jansen Arquitetura de computadores O termo arquitetura signifca: – Arte de projetar e construir edifícios – Contextura – Forma, estrutura Na computação o termo foi adaptado para denominar a técnica (e talvez a arte também) de projetar e construir computadores
- 4. Prof. Mauro Jansen Arquitetura de computadores A Arquitetura de Computadores, como área de estudo, aborda: – Conceitos, componentes e interconexões da organização interna de um computador – Visão crítica quanto à sua estrutura e desempenho. – Arquiteturas dos processadores, memórias e dispositivos de entrada e saída – Entendimento do funcionamento da arquitetura quanto à execução de programas.
- 5. Prof. Mauro Jansen Arquitetura e organização de computadores Tanto a arquitetura e organização referem-se a elementos da concepção e construção dos computadores, porém – A arquitetura está mais visível ao usuário ou programador – A organização está mais relacionada detalhes do hardware menos comuns ao usuário ou programador
- 6. Prof. Mauro Jansen Arquitetura de computadores • Refere-se a atributos de um sistema visíveis a um programador ou que possuem um impacto direto sobre a execução lógica de um programa • Exemplos de atributos arquiteturais: – conjunto de instruções – número de bits usados para representar diversos tipos de dados (por exemplo, números, caracteres) – mecanismos de E/S e técnicas para endereçamento de memória Introd.Arq.Computadores e SO Sistemas de Numeração 6
- 7. Prof. Mauro Jansen Organização de computadores • Refere-se às unidades operacionais e suas interconexões que realizam as especifcações arquiteturais. • Exemplos de atributos organizacionais: – Detalhes do hardware ocultos ao programador, como sinais de controle, interfaces entre o computador e periféricos e a tecnologia de memória utilizada. Redes de Computadores Introdução, histórico e conceitos
- 8. Prof. Mauro Jansen Arquitetura e organização de computadores • Muitos fabricantes de computadores oferecem uma família de modelos de computador, todos com a mesma arquitetura, mas com diferenças na organização. • Os diferentes modelos na família têm diferentes características de preço e desempenho Redes de Computadores Introdução, histórico e conceitos
- 9. Prof. Mauro Jansen Abstração: entendendo o complicado •A abstração é uma operação mental que, ao estudar um objeto, nos permite concentrar- nos em detalhes mais gerais / importantes e ocultar detalhes mais específcos •Do latim “abstracione”, que signifca “separação” •Em outras palavras, abstrair é simplifcar
- 10. Prof. Mauro Jansen Exemplo de aplicação do conceito de abstração ● Para usar um carro é necessário conhecer todos os detalhes internos de construção do carro (motor, injeção eletrônica, velas, válvula, pistão, etc.) ??
- 11. Prof. Mauro Jansen Níveis de abstração de hardware Processador ULA, registradores Portas lógicas Circuitos eletrônicos Molécula, átomo Computador Dispositivos de Entrada, Saìda e E/S Proces- sador, Memòria, etc Placa mãe, chipset, barramentos Molécula, átomo x COMPLEXIDADE COMPLEXIDADE AC, X, Y - + - + NÍVEL 4 NÍVEL 3 NÍVEL 2 NÍVEL 1 NÍVEL 0 NÍVEL 4 NÍVEL 3 NÍVEL 2 NÍVEL 1 NÍVEL 0
- 12. Prof. Mauro Jansen Estrutura e função ● Um computador é um sistema complexo e hierárquico ● Sistema hierárquico: conjunto de subsistemas inter-relacionados composto de vários níveis, do mais especializado até algum nível mais baixo e elementar ● Em cada nível, temos uma estrutura e uma função
- 13. Prof. Mauro Jansen Estrutura e função ● Estrutura: o modo como os componentes são inter-relacionados ● Função: a operação (papel) individual de cada componente na estrutura Ao analisar o computador a melhor abordagem é a top-down (Weinberg, 1975) : começar de uma visão mais alta e decompor em sub-partes
- 14. Prof. Mauro Jansen Estrutura ● A estrutura interna do computador é composta por: ● Unidade Central de Processamento (UCP ou processador): controla a operação do computador e realiza suas funções de processamento de dados ● Memória principal: armazena dados ● E/S: Move dados entre o computador e o ambiente externo ● Interconexão do sistema: mecanismo que defne a comunicação entre a CPU, memória principal e E/S. Ex: barramento do sistema
- 15. Prof. Mauro Jansen Estrutura (e decomposição) Entrada / Saída (ES) Memória CPU Barramento Dosistema COMPUTADOR Unidade Aritmético Lógica (ULA) Unidade de Controle (UC) Registradores Barramento interno CPU Lógica de sequenciação Registradores e decodifcadoers Memória de controle UNIDADE DE CONTROLE Níveldeabstração Nível de complexidade adaptado de (STALLING, 2010)
- 16. Prof. Mauro Jansen Função ● Processamento de dados ● Armazenamento de dados ● Movimentação de dados ● Controle Movimentar Dados Mecanismo De controle Armazenar Dados Processar Dados Ambiente Operacional (origem e Destino de dados) A curto e longo prazo
- 17. Prof. Mauro Jansen Movimentação de dados ● Entre o computador e o mundo exterior, a partir dos dispositivos de entrada ou saída ● Tipos de movimentação de dados: ● Entrada e Saída (E/S): quando os dados são recebidos ou entregues a um dispositivo conectado diretamente ao computador (periférico) ● Comunicação de dados: quando os dados são movimentados por distâncias maiores, de ou para um dispositivo remoto
- 18. Prof. Mauro Jansen Controle ● Consiste no controle das 3 funções (processamento, armazenamento e movimentação de dados) ● É exercido por: ● Quem fornece instruções ao computador ● Pela Unidade de Controle (UC), que gerencia os recursos do computador e coordena o desempenho de suas partes funcionais em relação a essas instruções
- 20. Prof. Mauro Jansen Gerações do computador e a evolução da tecnologia eletrônica Tecnologia e Turismo 1 - Revisão de Informática Básica 20 1ª: Relé e válvula (1937-1953) 2ª: Transistor (1954-1962) 3ª: Circuito Integrado e computadore s pessoais (1963-1972) 4ª: Microprocessad or
- 21. Prof. Mauro Jansen Computadores da 1ª geração: válvulas ENIAC (Electronic Numerical And Computer) – Univ. Pensilvânia (1943-1955). Operava sobre números decimais
- 22. Prof. Mauro Jansen Conceito de programa armazenado •Consiste em adotar soluções que permitam representar e armazenar o programa na memória, junto com os dados •Ideia atribuída a von Neumann e Alan Turing •Até o ENIAC, a programação era feita através de chaves e cabos •Começou a ser adotada a partir do EDVAC (1945)
- 23. Prof. Mauro Jansen Computadores da 1ª geração: válvulas IAS – protótipo de todos os computadores de uso geral - Princeton Institute for Advanced Studies (1945 a 1952) – - Propósito geral - Programa armazenado EDVAC (Electronic Discrete Variable Computer) – 1945 – matemático John von Neumann
- 24. Prof. Mauro Jansen Computadores da 1ª geração: válvulas IBM série 700 - 701: aplicações científcas (1953) - 702: aplicações comerciais (1955) UNIVAC I (Universal Automatic Computer) – década de 1950 – parceria Eckert-Mauchly e Sperry- Rand – 1º computador comercial de sucesso - Propósito geral - Programa armazenado em fta magnética - Depois: UNIVAC II e série 1100
- 25. Prof. Mauro Jansen Estrutura do computador IAS (a máquina de von Neumann) Modelo passou a ser chamado “Arquitetura de von Neumann”
- 26. Prof. Mauro Jansen Estrutura do computador IAS (a máquina de von Neumann) •Memória principal (M): armazena dados e instruções •Unidade lógica e aritmética (ULA ou CA – Central Arithmetic): opera sobre dados binários •Unidade de controle (UC ou CC – Central Control): interpreta as instruções na memória e faz com que sejam executadas •Equipamento de entrada e saída (E/S ou I/O - Input/Output): operado pela unidade de controle
- 27. Prof. Mauro Jansen Proposta inicial de von Newmann para o computador 1)Terá que realizar as operações elementares da aritmética e deve ter uma unidade especializada para isso (CA – Central Arithmetic) 2)Deve ter um órgão de controle central para fazer a sequenciação apropriada das suas operações (CC – Central Control) 3)Precisa ter uma memória considerável (M - Memory) e um meio de gravação exterior do dispositivo (R - Recording) 4)Precisa ter unidades para transferir informações de R para suas partes específcas C e M ( I – Input) 5)Precisa ter unidades para transferir informações de suas partes específcas C e M para R ( O – Input)
- 28. Prof. Mauro Jansen Estrutura do computador IAS (nível mais detalhado)
- 29. Prof. Mauro Jansen Estrutura do computador IAS (nível mais detalhado) • Registrador de bufer de memória (MBR - Memory Bufer Register): guarda uma palavra a ser transferida entre a ULA e a memória ou E/S •Registrador de endereço de memória (MAR – Memory Address Register): especifca o endereço de memória da palavra a ser escrita ou lida no MBR •Registrador de instrução (IR – Instruction Register): opcode de 8 bits da instrução que está sendo executada •Registrador de bufer de instrução (IBR – Instruction Bufer Register): Mantém temporariamente a próxima instrução a ser executada •Contador de programa (PC – Program Counter): contém o endereço do próximo par de instruções a ser apanhado da memória
- 30. Prof. Mauro Jansen Computadores da 2ª geração: transistor •Empresas de destaque: • Bell Laboratorios (1947): invenção do transistor • IBM, NCR, RCA, DEC (Digital Equipment Corporation) •Maior processamento, quantidade de memória e tamanho menor •ULA e UC mais complexas •Uso de linguagens de programação de alto nível
- 31. Prof. Mauro Jansen Computadores da 2ª geração: transistor DEC PDP-1 (1957) - 2.700 transistores e 3.000 diodos - Primeiro jogo de computador: Spacewar (Steve Russel) - Usava leitor / escritor de fta perfurada como dispositivo de entrada e saída Fonte: http://history-computer.com Fonte: https://erealityhome.wordpress.com
- 32. Prof. Mauro Jansen Computadores da 2ª geração: transistor IBM 7094 (1962) - 32K palavras de memória - 185 opcodes
- 33. Prof. Mauro Jansen Arquiteturas RISC e CISC • CISC (Complex Instruction Set Computing): Computador com um Conjunto Complexo de Instruções. Usada em processadores Intel e AMD; suporta mais instruções no entanto, com isso, mais lenta fca a execução dela •A RISC (em inglês: Reduced Instruction Set Computing, Computador com um Conjunto Reduzido de Instruções) usada em processadores PowerPC (da Apple, Motorola e IBM) e SPARC (SUN); suporta menos instruções, e com isso executa com mais rapidez o conjunto de instruções que são combinadas.
- 34. Prof. Mauro Jansen Arquiteturas (famílias de computadores) Intel x86 e ARM •Intel x86: • Arquitetura usada para sistemas não embarcados. • Conjunto de instruções complexo (CISC) com alguns recursos RISC • Membros recentes usam princípios de projeto superescalar e multicore
- 35. Prof. Mauro Jansen Arquiteturas (famílias de computadores) Intel x86 e ARM •ARM: • Arquitetura voltada para sistemas embarcados, móveis e IoT • Conjunto reduzido de instruções (RISC) • Processador mais utilizado em telefones celulares, tablets, equipamentos de sensores remotos, etc. • Membros recentes usam princípios de projeto superescalar e multicore
- 36. Prof. Mauro Jansen Arquitetura Intel x86 ● x86 ou 80x86 é o nome genérico dado à família (arquitetura) de processadores baseados no Intel 8086 ● Recebe esse nome porque os primeiros processadores eram identifcados por números terminados com a sequência “86”: 8086, 80186, 80286, 80386, 80486
- 37. Prof. Mauro Jansen Evolução da família x86: 8080 (1974) ● 1º microprocessador de uso geral do mundo ● 8 bits ● Usado no 1º computador pessoal: o Altair Intel 8080 Fonte: novaeletronica.com.br Altair: 1º computador pessoal Fonte: mcluhangalaxy.wordpress.com
- 38. Prof. Mauro Jansen Evolução da família x86: 8086, 8088, 80286 (1978-1982) ● 8086: Primeiro aparecimento da família x86 ● 16 bits e cache de instruções ● Usado no primeiro computador pessoal da IBM, o IBM-PC ● 80286: aumenta endereçamento de memória de 1M p/ 16MB Intel 8088 Fonte: lowendmac.com IBM-PC Fone: wikipedia.org
- 39. Prof. Mauro Jansen Evolução da família x86: 80386 (1985 a 1988) ● 1º processador com 32 bits da Intel: complexidade e potência competitiva com minicomputadores mainframes ● Reformulação geral do produto ● 1º processador Intel Multitarefa (vários programas ao mesmo tempo) ● Versões: 386, 386DX, 386SX
- 40. Prof. Mauro Jansen Evolução da família x86: 80486 (1989-1991) ● Introduziu a tecnologia de uso de cache e pipeline ● Trouxe co-processador matemático embutido
- 41. Prof. Mauro Jansen Evolução da família x86: Pentium (1993-2000) ● Tecnologia MMX da Intel: processamento efciente de dados de vídeo, áudio e gráfcos ● Instruções adicionais de ponto futuante para suporte a software de gráfcos 3D ● Versões: Pentium, Pentium Pro, II, III e IV
- 42. Prof. Mauro Jansen Evolução da família x86: Core (1993-2008) ● 1º processador com dois núcleos ● Modelos: Core, Core 2, Core 2 Quad, Core i3, Core i5, Core i7
- 43. Prof. Mauro Jansen Resumo da família x86
- 44. Prof. Mauro Jansen Resumo da família x86
- 45. Prof. Mauro Jansen Sistemas embarcados •Sistema Embarcado: combinação de hardware e software de computador e talvez de partes mecânicas, dentro de um produto com funções específcas, ao contrário de um computador de uso geral como um laptop ou desktop •Exemplos: • Sistemas automotivos (injeção eletrônica, freios, etc) • Eletrônicos (TVs, brinquedos/jogos, smartphones, GPS, etc) • Automação industrial • Médico (monitor cardíaco, monitoramento em UTI, etc.)
- 46. Prof. Mauro Jansen Família ARM •ARM é uma família de microprocessadores e microcontroladores baseados em RISC projetados pela ARM Inc, Cambridge, Inglaterra •.Originado da empresa Acom Computers, que criou o primeiro processador RISC comercial: o Acom RISC Machine (ARM) • Características: • Alta velocidade • Pequeno tamanho • Baixo consumo de energia •
- 47. Prof. Mauro Jansen Evolução da família ARM Versões Observações Velocidade ARM1, ARM2, ARM3, ARM6, ARM7 RISC 32 bits, processador gráfico e de E/S, SoC integrado 12 MHz a 60 MHz ARM8, ARM9, ARM9E, ARM10E, ARM11 Pipeline de 5 estágios, instruções DSP mlhoradas, 72 a 665 MHz Cortex Pipeline superescalar de 13 estágios >= 1GHz XScale >= 1,25 GHz
- 48. Prof. Mauro Jansen Onde a família ARM está presente Raspberry pi 3 B Asus Tinker Board ODROID XU4 Smartphones Tablets