Arquitetura de Sistemas Computacionais - Conceitos Básicos

Universidade Federal do Piauí Centro de Tecnologia Curso de Engenharia Elétrica Arquitetura de Sistemas Computacionais Prof Dr Everton Reis Fortaleza 2020 Conceitos básicos 2 Sumário 1 Arquiteturas de Computadores 2 CPU Barramento e Programa 3 Níveis de Abstração 4 Memórias 5 Sistema de ES 6 Noções de Desempenho 7 Bibliografia 1 Arquitecturas de Computadores 4 Arquiteturas de Computadores Arquiteturas de Computadores O conceito de Arquitetura de um Computador referese à integração entre a estrutura física e a estrutura lógica de um computador Podese dizer também que o termo referese aos atributos do sistema visíveis para o programador tendo impacto direto sobre a execução lógica de um programa De acordo com as unidades operacionais presentes num sistema computacional e a forma como elas são organizadas podese classificalas em Máquinas Von Neumann Máquinas Não Von Neumann 5 Arquiteturas de Computadores Máquinas Von Neumann Caracterizamse por Composição a partir de 3 subsistemas básicos CPU Memória Principal Sistema de Entrada e Saída ES Conceito de programa armazenado Execução sequencial de instruções Um único caminho entre a unidade de controle e a memória Memória Sistema de ES CPU Unidade de Controle Regs ULA endereço instruçõesdados 6 Arquiteturas de Computadores Ciclo de Von Neumann A execução de cada instrução numa máquina de Von Neumann obedece a um ciclo composto por 3 passos busca decodificação e execução Busca a UC copia a instrução a ser executada que está na posição de memória apontada pelo registrador PC Program Counter para o registrador IR Instruction Register Decodificação a UC decodifica a instrução armazenada em IR identificando o que deve ser executado pela CPU 7 Arquiteturas de Computadores BUSCAR EXECUTAR DECODIFICARX EXECUTAR BUSCAR DECODIFICAR Ciclo de Von Neumann Execução a UC comanda a ULA para a execução da instrução decodificada e incrementa o reg PC para a próxima instrução 8 Arquiteturas de Computadores Máquinas Harvard São um tipo particular de máquinas Von Neumann Conservam todas as características de uma máquina Von Neumann porém possuem vias separadas de acesso a dados e instruções entre a CPU e a Memória A existência de acessos separados a instruções e dados na memória permite que a CPU possa acessálos simultaneamente adiantando o ciclo de execução da instrução seguinte Em contrapartida há um aumento na complexidade do sistema e na quantidade de conexões entre a CPU e a memória Sua implementação pode ser feita através de uma memória de porta dupla dual port memory ou através de memórias distintas para programa e dados 9 Arquiteturas de Computadores Implementação através de memória de porta dupla Permite escolher a parcela da memória dedicada a programa e a parcela dedicada a dados Memórias dual port são mais complexas e mais caras Memória Sistema de ES CPU Unidade de Controle Regs ULA dados endereço endereço instruções 10 Arquiteturas de Computadores Implementação através de memórias distintas para programa e dados Permite empregar memórias de tipos diferentes para programa e dados Ex Flash e RAM O tamanho do programa e dos dados é limitado pela dimensão de suas respectivas memórias não é possível arbitrar suas parcelas entre o montante total disponível Memória de Dados Sistema de ES CPU Unidade de Controle Regs ULA dados endereço endereço instruções Memória de Programa 11 Arquiteturas de Computadores Caminho de dados de uma típica máquina de Von Neumann Registradores B A A B A B ULA AB Registrador de saída da ULA Registradores de entrada da ULA Registrador de rascunho 12 Arquiteturas de Computadores Máquinas Não Von Neumann São todos sistemas computacionais que diferem das características das máquinas Von Neumann Ex Computadores Analógicos operam sobre grandezas físicas não necessariamente discretizadas Máquinas Paralelas múltiplos processadores executando programas de forma cooperativa Redes Neuroniais Artificiais saídas geradas a partir do aprendizado da rede a estímulos externos Não há um programa sendo executado Máquinas de Fluxo de Dados Não há execução de um programa Realizam operações conforme os dados envolvidos são disponibilizados 2 CPU Barramento e Programa 14 CPU Barramento e Programa CPU UCP Central Processor Unit Unidade Central de Processamento Constitui um dos 3 subsistemas básicos de um computa dor juntamente com a memória e o sistema de ES É responsável pela execução dos programas armazena dos na memória Composto a partir de 3 partes básicas ULA Unidade Lógica e Aritmética é responsável pela execução das principais operações lógicas e aritméticas da máquina Registradores são pequenas memórias de alta velocidade internas à CPU UC Unidade de Controle responsável por buscar as instruções na memória principal decodificalas e coordenar as demais partes para executala 15 CPU Barramento e Programa Programa É um conjunto sequencial de instruções armazenadas numa sequência de endereços da memória A execução de um programa corresponde a execução sequencial de suas instruções A sequência de execução das instruções é definida dinamicamente em tempo de execução Existência de instruções de controle da sequência 00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 0A 0B 0C 0D 0E 0F Instruções Endereços PC 16 CPU Barramento e Programa Barramento É um conjunto de vias fios responsáveis pela interconexão de sistemas ou subsistemas Podem ser externos à CPU conectando memória e dispositivos de ES ou internos à ela conectando seus componentes Podem ser classificados basicamente quanto à funcionalidade e quanto à temporização Quanto a funcionalidade se classificam ainda em 3 categorias básicas Barramento de dados Barramento de endereços Barramento de sinais de controle 17 CPU Barramento e Programa Quanto à temporização se classificam em 2 categorias Síncronos Assíncronos Exemplos de barramentos USB Universal Serial Bus PCI Peripheral Component Interconnect Bluetooth ISA Industry Standard Architecture 3 Níveis de Abstração 19 Níveis de Abstração Níveis de Abstração Estabelecem o grau de detalhamento com que um dado sistema é descrito Maior o nível de abstração menor o nível de detalhamento mais abstrata descrição e compreensão mais simples Menor o nível de abstração maior o nível de detalhamento menos abstrata descrição mais complexa e compreensão mais difícil 20 Níveis de Abstração Ex Uma soma descrita em 5 níveis de abstração Nível Funcional Nível de Blocos Nível de Portas Lógicas Nível de Transistores Nível de Leiaute c a b Somador Completo de 1 bit a b c cin cout c Redução do nível de abstração 21 Níveis de Abstração Computador É uma máquina eletrônica de lógica programável representável por uma hierarquia de níveis de abstração Nível do Sistema Operacional Nível 3 Nível da Arquitetura do Conjunto de Instruções ISA Nível 2 Nível da Microarquitetura Nível 1 Nível da Lógica Digital Nível 0 Nível da Linguagem Assembly Nível 4 Tradução compilador Tradução montador Interpretação parcial Sistema Operacional Interpretação Microprograma ou execução direta Hardware Nível das Linguagens Orientadas à Solução de Problemas Nível 5 22 Níveis de Abstração Nível 0 Lógica Digital Composto por componentes lógicos elementares tais como portas lógicas flipflops registradores e barramentos Seria possível definir ainda níveis de abstração abaixo desse nível tal como o nível da malha de transistores ou o nível de leiaute entretanto isso não convém a essa abordagem Nível 1 Microarquitetura Neste nível o computador é descrito por meio de blocos funcionais formados a partir de componentes lógicos elementares tais como a ULA a unidade de controle o conjunto de registradores etc 23 Níveis de Abstração Nível 2 Arquitetura do Conjunto de Instruções ISA A partir deste nível a máquina deixa de ser representada por componentes físicos hardware e passa a ser representada por um conjunto de instruções software O conjunto de instruções que compõem o nível ISA é denominado Linguagem de Máquina que é puramente numérica Nível 3 Sistema Operacional É um nível híbrido isto é parte das instruções deste nível também pertencem ao nível ISA Além das instruções comuns ao nível ISA este nível implementa instruções mais complexas tais como aquelas necessárias à execução simultânea de múltiplos programas 24 Níveis de Abstração Nível 4 Linguagem Assembly Tratase do primeiro nível cuja linguagem é voltada para programadores de aplicação Instruções deixam de ser puramente numéricas e passam a ser representadas por palavras ou abreviações próximas à linguagem humana A execução de programas escritos nesse nível é feita através de sua tradução para os níveis 1 2 ou 3 por uma ferramenta chamada Montador Assembler Nível 5 Linguagens Orientadas à Solução de Problemas Linguagens de alto nível tais como C C Pascal Java etc Execução de programas feita geralmente através de sua tradução para os níveis 3 ou 4 por um Compilador 4 Memórias 26 Memórias Memória Conjunto de posições endereçáveis capaz de armazenar uma faixa limitada de valores em cada endereço Bit dígito binário 0 ou 1 Byte conjunto de 8 bits Palavra word conjunto de 2 ou mais bytes Memória MxN Memória organizada em M bits de endereços de N bits cada 00 01 02 2M1 N bits 2M endereços M bits de endereço Valores de N bits 27 Memórias Operação de Escrita Recebe endereço e dado Entrega nada Operação de Leitura Recebe endereço Entrega dado Qualquer circuito puramente combinacional de M entradas e N saídas pode ser substituído por uma memória MxN devidamente programada 00 01 02 2M1 endereço dado 00 01 02 2M1 endereço dado 28 Memórias Classificação das Memórias Tempo de retenção Volátil perde os dados armazenados ao ser desligada Não volátil retém os dados armazenados mesmo desligada Forma de acesso Sequencial o endereço de leituraescrita obedece sequência preestabelecida Exs FIFO LIFO pilha fitas magnéticas Aleatório a leituraescrita pode ser feita acessadose diretamente o endereço desejado Ex Memória DDR Tipo de acesso Escrita e leitura Exs Disco rígido memória RAM pendrive Somente leitura Exs CD de música original 29 Memórias Tecnologia Semicondutora Exs memória Flash pendrive RAM Magnética Exs Disco rígido fita magnética Óptica Exs CD DVD BlueRay Tipo de armazenamento Estática o dado é retido enquanto houver alimentação Dinâmica mesmo a memória permanecendo alimentada os dados armazenados se corrompem passado um certo tempo após sua escrita geralmente alguns nanossegundos Necessidade de um sistema de refresh leitura e reescrita periódica do seu conteúdo 30 Memórias Registradores São pequenas memórias de alta velocidade internas à CPU dedicadas a armazenar valores temporários de uma instrução bem como dados de controle necessários à sua execução Sua implementação mais comum é através de um conjunto de flipflops Cada registrador pode ter um número arbitrário de bits conforme sua função podendo ser divido em partes b15 b14 b13 b12 b11 b10 b8 b9 b6 b7 b4 b5 b2 b3 b0 b1 Registrador AX 16 bits Registrador AH 8 bits Registrador AL 8 bits 31 Memórias Gargalo de Von Neumann Para uma mesma tecnologia a velocidade com que a CPU pode operar é notavelmente superior à velocidade da memória principal Consequentemente o ciclo de execução de uma instrução será tanto mais rápido quanto menos acessos ela exigir à memória externa Gargalo de Von Neumann baixa limitação da taxa de transferência entre a memória principal e a CPU em relação à taxa com a qual a CPU é capaz de operar Solução reduzir o tráfego de dados CPU Memória Principal 32 Memórias Memória Cache Uma das formas de se contornar o gargalo de Von Neumann é através do uso de memórias cache Como a memória principal é lenta em relação à CPU podese aumentar o desempenho do sistema fazendo com que a CPU acesse a memória principal indireta mente através de uma memória intermediária de maior velocidade Memória Cache memória rápida e pequena interme diária entre a memória principal e os registradores Memória Principal CPU Unidade de Controle Regs ULA Cache 33 Memórias Princípio da Localidade Referências à memória em curtos intervalos de tempo tendem a usar uma pequena fração da memória total pode ser analisado em duas faces A Localidade Temporal Que diz respeito ao intervalo de tempo em que o processador faz acesso à palavra da Memória A Localidade Espacial Que diz respeito à probabilidade de que o processador ao acessar uma Palavra em seguida tentará acessar uma Palavra na memória subjacente à anteriormente acessada 34 Memórias O processador mantém na cache as informações que em função da localidade mais provavelmente necessitará em seguida O armazenamento em cache reduz o tempo médio de acesso à informação Se uma determinada palavra dado for lida k vezes o uP precisará buscar uma única vez na memória lenta memória principal e k 1 vezes na memória rápida cache O tempo médio de acesso à informação tornase Tm c m ck1k ou m ckk Quanto maior o valor de k melhor a performance global do sistema 35 Memórias Exemplo Suponha que uma CPU necessite ler um dado 10 vezes e que o tempo de acesso à memória principal é de 20us enquanto que o da cache é de apenas 1us então calcule o tempo médio de acesso à informação Da fórmula Tm c m ck1k temse Tm 3 us apenas Contra 10x20us 200us se não houvesse a cache 36 Memórias Hierarquia de Memória Num computador a memória é dividida em níveis hierárquicos Registradores Cache Memória Principal RAM Memória Secundária HD CD DVD etc mais rápida mais cara menor capacidade mais lenta mais barata maior capacidade 5 Sistema de ES 38 Sistema de ES Sistema de ES Constitui um dos 3 componentes elementares de um computador Conjunto formado pelos dispositivos responsáveis pela comunicação entre a CPU e o mundo externo 39 Sistema de ES De maneira geral os dispositivos de ES são compostos por duas partes Controladora contém os circuitos necessários à comunicação com o barramento da CPU e boa parte dos circuitos de controle do periférico Ex Placa de Vídeo Periférico controlado é dispositivo propriamente dito Ex Monitor 40 Sistema de ES Comunicação de ES Quanto ao tipo de comunicação entre a controladora e o periférico podese classificala basicamente em 2 tipos Paralela todos os bits de um simbolo byte word etc são transmitidos simultaneamente Ex ATA PCI IDE Simplicidade Elevada densidade de interconexões Dificuldade de sincronização à altas taxas Serial os bits de um simbolo são transmitidos sequencial mente Ex RS232 USB PS2 SATA FireWire Baixa densidade de interconexões Capaz de operar à altas taxas Complexidade 6 Noções de Desempenho 42 Noções de Desempenho Noções de Desempenho Desempenho da CPU MIPS Milhões de Instruções Por Segundo MFLOPS Milhões de Operações em Ponto Flutuante Por Segundo Vazão throughput é a taxa de transferência de dados ou de execução de ações por unidade de tempo Latência é o tempo que um dispositivo leva para fornecer uma resposta após uma solicitação ou estímulo Bom Desempenho Baixa latência e elevada vazão 43 Medidas de Desempenho Tempo de Acesso trata do tempo para leitura recuperação ou escrita na memória Tempo de Resposta medida de desempenho global do sistema É o período entre um pedido e a resposta do sistema 44 Bibliografia Andrew S Tanenbaum Organização Estruturada de Computadores 6a Ed Pearson 2013