Organização de um computador. O que é um computador Organização de um computador Arquitectura de von Neumann

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1 Organização de um computador O que é um computador Organização de um computador Arquitectura de von Neumann

2 Execução de um programa Como um computador executa um programa? O que é um computador? E um programa? computador entrada de dados input bits programa bits saída de dados output Arquitectura de Computadores (2008/2009): Organização de um computador 34

3 Alan Turing Matemático Inglês, considerado por alguns o pai da Ciência da Computação Contribuiu nos domínios da lógica, criptografia, inteligência artificial, formalização da algoritmia e da computação Máquina de Turing Define formalmente a máquina universal Trabalhou no projecto Colossus Arquitectura de Computadores (2008/2009): Organização de um computador 35

4 Computador Equipamento com uma ou mais unidades (de processamento e periféricas) que é capaz de computar (incluindo operações aritméticas e lógicas) controlado por programas internos, sem intervenção humana. São Turing-complete, ou seja, máquinas de computação universais Arquitectura de Computadores (2008/2009): Organização de um computador 36

5 Programas Conjunto de instruções escritas numa linguagem que alguma "máquina" é capaz de reconhecer e executar Instruções: Mais próximas do domínio de aplicação mais complexas e específicas Mais próximas da arquitectura do computador mais simples e genéricas Múltiplos níveis de linguagens Noção de interface Noção de transparência (ou opacidade) Arquitectura de Computadores (2008/2009): Organização de um computador 37

6 Níveis nos sistemas informáticos Num sistema de computação: Arquitectura de Computadores (2008/2009): Organização de um computador 38

7 Níveis nos sistemas informáticos Aplicações Abstracções do domínio da aplicação ( ) Linguagens de programação Abstracções das linguagens e suas bibliotecas (streams, estruturas de dados, classes, ) Nível Assembly Mnemónicas para diminuir o fosso entre as linguagens de alto nível e as instruções máquina Sistemas de operação Abstracções do sistema (processo, ficheiros, canais, ) Arquitectura do computador Instruções da máquina, seus componentes e suas interacções Circuitos digitais, electrónica, Arquitectura de Computadores (2008/2009): Organização de um computador 39

8 Níveis nos sistemas informáticos Quanto mais alto está um nível mais perto das abstracções do utilizador e mais longe da máquina está Cada nível faz uso das abstracções e funcionalidades oferecidas pelos níveis inferiores Suporta as camadas superiores Arquitectura de Computadores (2008/2009): Organização de um computador 40

9 Interface Cada nível oferece Oferece um conjunto de "instruções" Este define a "linguagem" e abstracções suportadas Opacidade Esconde do nível superior a implementação das suas instruções/abstracções Oferece uma nova máquina (virtual) Arquitectura de Computadores (2008/2009): Organização de um computador 41

10 Execução de programas por tradução Programa nível N tradutor Programa nível N-1 Arquitectura de Computadores (2008/2009): Organização de um computador 42

11 Execução de programas por interpretação Programa nível N interpretador das instruções de nível N-1 O hardware do computador é sempre o "interpretador" final Arquitectura de Computadores (2008/2009): Organização de um computador 43

12 Exemplo de execução em Java Ficheiro com o código fonte Compilador Ficheiro com o código Máquina (bytecode) Bibliotecas com o código das classes Java Execução Chamar a JVM Interpretador Java Virtual Machine (JVM) Programa (executável) que implementa a JVM Arquitectura de Computadores (2008/2009): Organização de um computador 44

13 Exemplo de execução em C Ficheiro com o código fonte Compilador Ficheiro com o código executável Execução Carregador do sistema Programa carregado para memória operativo Compilador Ligador Ficheiro Ficheiro Bibliotecas com o com o com o código código assembly Assembler código máquina das funções da linguagem Arquitectura de Computadores (2008/2009): Organização de um computador 45

14 Organização de um computador O computador executa um programa Quais os seus componentes? Como estes se organizam e interactuam? computador programa entrada de dados input bits processador, memória, periféricos, etc. bits saída de dados output Arquitectura de Computadores (2008/2009): Organização de um computador 46

15 Primórdios dos computadores O computador era programado por: "reconfiguração" da máquina ligando interruptores e fios que ligam os componentes para efectuar as operações pretendidas programa lido do exterior, como no exemplo abaixo outros regs. acumulador Consola e/ou Periféricos entrada saída Circuitos aritméticos e lógicos circuito controlo programa Unidade central Arquitectura de Computadores (2008/2009): Organização de um computador 47

16 John von Neumann Matemático Húngaro (naturalizado Americano), considerado por alguns o pai da arquitectura dos computadores binários modernos Contribuiu nos domínios da física quântica, economia, estatística, computação Autómato celular Máquina de von Neumann EDVAC (Electronic Discrete Variable Automatic Computer) Arquitectura de Computadores (2008/2009): Organização de um computador 48

17 Computadores com memória interna Von Neumann (e outros) propõe que o programa seja codificado numa memória interna tal como os dados Tecnologia diferente da usada na unidade central tornam possível dispor de muitos registos (a memória) A unidade central necessita de um novo componente responsável por aceder e interpretar esses programas Arquitectura de Computadores (2008/2009): Organização de um computador 49

18 Memória interna Cada célula de memória é numerada: endereço É necessário ir buscar cada instrução à memória para a executar Program Counter indica o endereço da próxima instrução A memória pode conter também os dados Memória Consola e/ou Periféricos outros regs. entrada saída acumulador Circuitos aritméticos e lógicos prog. counter instrução circuito descodificador e controlo programa Unidade central Arquitectura de Computadores (2008/2009): Organização de um computador 50

19 Arquitectura de Von Neumann (década 1940) Versão original instruction register unidade de controlo Memória acumulador unidade lógica e aritmética Ciclo de funcionamento: fetch (obter instrução da memória) decode (descodifica) execute (executa) Unidade Processadora Central (CPU) periférico de entrada periférico de saída Arquitectura de Computadores (2008/2009): Organização de um computador 51

20 Processador - CPU Controlo global das operações do computador e responsável pela interpretação das instruções Contém: Unidade de controlo: obtém, descodifica e interpreta as instruções (uma de cada vez) Unidade aritmética e lógica: ALU Arithmetic and Logic Unit Conjunto de registadores (ou registos): células de memória locais ao CPU, para dados a usar pelas instruções e para valores intermédios Arquitectura de Computadores (2008/2009): Organização de um computador 52

21 Memória central Guarda instruções e dados, sob a mesma representação simbólica, em células que contêm agrupamentos de bits: 1 bit, byte (8 bits), ou palavra (normalmente da dimensão, ou (sub)múltiplo, do bus de dados) É acedida como um vector: Mem[0] Mem[n-1] (capacidade = n bytes) O endereço da célula corresponde ao índice i em Mem[i] O endereço é representado em binário, como um número inteiro sem sinal O valor de Mem[i] é o do conteúdo da célula O acesso é directo: dá-se i para aceder a Mem[i] (RAM: Random Access Memory) Arquitectura de Computadores (2008/2009): Organização de um computador 53

22 Unidades periféricas Comunicação com o exterior: Portas de comunicação série, paralela, USB, firewire, RJ45, etc. para teclado, ecrã, rato para ligação a rede de computadores etc. Armazenamento de informação: discos (suporte de memória secundária) outros dispositivos externos de armazenamento CDs, DVDs, flash drives (pens), etc. Arquitectura de Computadores (2008/2009): Organização de um computador 54

23 Ligações entre componentes Como os componentes comunicam? Componentes internos do CPU Componentes externos e CPU Tantas ligações quantos os bits a transportar de cada vez Cada componente ligado a todos os outros? Complexo e dispendioso Os componentes partilham um meio único: o BUS (ou Barramento) Seguem um protocolo para partilhar o BUS Arquitectura de Computadores (2008/2009): Organização de um computador 55

24 Arquitectura de Von Neumann (2) Actual (com BUS de sistema) CPU Memória registos Bus de sistema Bus Interface Bus Interface Bus interno Bus Interface periférico de entrada/saída Bus Interface periférico de entrada/saída Unidade de Controlo (CU) Unidade Aritmética e Lógica (ALU) Arquitectura de Computadores (2008/2009): Organização de um computador 56

25 Bus de sistema Conjunto de linhas paralelas, cada uma codificando um bit Bus de endereços: Conjunto de linhas que codificam o interlocutor Serve para identificar a célula de memória ou a unidade periférica Bus de dados: Codificam os dados a transferir Bus de controlo: Para coordenar as transferências e as interacções entre unidades, sinais de controlo ou enviando comandos (por exemplo: ler/escrever) Arquitectura de Computadores (2008/2009): Organização de um computador 57

26 Bus de sistema CPU Bus Interface Memória Bus Interface Bus de sistema Bus Interface Data BUS Address BUS Control BUS periférico de entrada/saída Arquitectura de Computadores (2008/2009): Organização de um computador 58

27 Hierarquia de buses O bus pode estar organizado de uma forma hierárquica: Bus processador-memória: bus normalmente dependente dos componentes, pequeno e com taxas de transmissão altas. Bus de I/O: bus independente dos componentes, maior e mais lento: Partilhados por vários dispositivos de diferentes tipos e com diferentes larguras de banda. Têm de ser compatíveis com diferentes arquitecturas Podem ser externos, por exemplo um bus SCSI externo Arquitectura de Computadores (2008/2009): Organização de um computador 59

28 Hierarquia de buses CPU Registos PC ALU Bus de sistema Bus de memória Bus interface I/O bridge Memoria Memória Central Controlador USB Placa gráfica Bus de I/O Controlador de disco Slots de expansão Rato Teclado Monitor Disco rígido Arquitectura de Computadores (2008/2009): Organização de um computador 60

29 Arquitectura do computador Nível da macro-arquitectura (ISA Instruction Set Architecture): Componentes: Processador, Memória, Unidades de Entrada/Saída Linguagem máquina: representação binária de instruções e de dados (especificada sob a forma de mnemónicas, por conveniência: assembly ) Nível da micro-arquitectura : Componentes: portas lógicas, flip-flops, alguns registos, buses, multiplexers, demultiplexers, codificadores, descodificadores, contadores, unidades aritméticas e lógicas, memória Realiza os componentes e as instruções da macroarquitectura Arquitectura de Computadores (2008/2009): Organização de um computador 61

30 Micro-acções Bus de sistema endereço dados controlo MAR MDR IR Ler mem IP registos gerais Bus interno IR A B C unidade aritmética e lógica (ALU) O CPU tem mais do que é visível ao nível do código da máquina (Instruction Set Architecture - ISA) Mais registos e Micro Acções internas Exemplo: fetch: IR = mem[ip] MAR IP controlo lêr memória IR MDR Arquitectura de Computadores (2008/2009): Organização de um computador 62

31 Organização de um computador O computador executa um programa Como é que estes são executados? computador programa entrada de dados input bits processador, memória, periféricos, etc. bits saída de dados output Arquitectura de Computadores (2008/2009): Organização de um computador 63

32 Executar um programa O processador lê e interpreta instruções armazenadas na memória Para executar o programa hello é preciso carregálo para memória Interagindo com uma interface do Sistema Operativo De texto (linha de comando): prompt>./hello hello, world prompt> Gráfica (interface gráfica): hello Arquitectura de Computadores (2008/2009): Organização de um computador 64

33 O utilizador escreve o nome do programa CPU Registos PC ALU Bus de sistema Bus de memória Bus interface I/O bridge Memoria Memória Central "hello Controlador USB Placa gráfica Bus de I/O Controlador de disco Slots de expansão Rato Teclado Monitor Disco rígido Arquitectura de Computadores (2008/2009): Organização de um computador 65

34 O computador carrega o programa CPU Registos PC ALU Bus interface Bus de sistema Bus de memória I/O bridge Memoria Memória Central Código do programa hello que contém a string "hello, world\n Controlador USB Placa gráfica Bus de I/O Controlador de disco Slots de expansão Rato Teclado Monitor Disco rígido Arquitectura de Computadores (2008/2009): Organização de um computador 66

35 Um programa em execução Instruções máquina executadas directamente pelo CPU (interpretadas pela máquina) programa em memória (bibliotecas) Hardware (Processador, Memória, Discos,...) "Instruções" interpretadas pelo Sistema de Operação (por exemplo, escrita no ecrã, leitura do disco...) Sistema de Operação (sempre carregado em Memória) plataforma Arquitectura de Computadores (2008/2009): Organização de um computador 67

36 Escrita do resultado CPU Registos PC ALU Bus interface Bus de sistema Bus de memória I/O bridge Memoria Memória Central Código do programa hello que contém a string "hello, world\n Controlador USB Placa gráfica Bus de I/O Controlador de disco Slots de expansão Rato Teclado Monitor "hello, world\n Disco rígido Arquitectura de Computadores (2008/2009): Organização de um computador 68

37 Execução dentro do CPU A Unidade de controlo do CPU: 1. Obtém a próxima instrução de memória (usa um índice para o programa PC ou IP) fetch 2. Incrementa o PC 3. Descodifica a instrução decode 4. Emite os sinais de controlo, na micro-arquitectura, correspondentes ao encadeamento de acções necessárias para executar a instrução corrente e as transferências de informação necessárias execute Arquitectura de Computadores (2008/2009): Organização de um computador 69

38 Execução (2) A execução de uma instrução pode envolver: Operações aritméticas e lógicas (pela ALU) A ALU opera sobre números binários Transferências CPU Memória Transferências CPU Periféricos Controlo da sequência de execução de instruções (alterar o endereço em PC) Arquitectura de Computadores (2008/2009): Organização de um computador 70

39 Exemplos de operações AND ADD NOT carry Arquitectura de Computadores (2008/2009): Organização de um computador 71

40 Exemplos de instruções registo acumulador código máquina (em binário) mnemónicas assembly 00 noop 01 AND 10 ADD 11 NOT AND ADD NOT controlo carry Descodificador Arquitectura de Computadores (2008/2009): Organização de um computador 72