Arquitetura de Computadores - Instituto de Informática - UFG

Arquitetura de Computadores
Prof. Fábio M. Costa
Instituto de Informática – UFG
1o. Semestre / 2005
Programa e Introdução

Assunto do curso
“Atributos de um sistema [de computação]
que são visíveis para o programador (...) e
que têm impacto direto sobre a execução
lógica de um programa”
Tanenbaum, 1999
Stallings, 2001

Arquitetura Vs. Organização
Arquitetura
conjunto de instruções
conjunto de
registradores
representação de
dados
mecanismos de E/S
endereçamento de
memória
Organização: Especifica
as unidades operacionais
e sua interconexão para
implementação de uma
determinada arquitetura
estrutura interna do
processador
barramentos internos
tecnologia de memórias
interface com sistema de
E/S

Roteiro do curso...
Introdução
Arquitetura vs. Organização de Computadores
Organização estruturada de computadores
Interação com outras disciplinas

Roteiro do curso...
Fundamentos
Princípios de funcionamento de computadores
Panorama das tecnologias atuais
Tendências tecnológicas
Princípios de projeto de computadores
Análise do desempenho de computadores
Perspectiva histórica

Roteiro do curso...
Representação de dados
Números inteiros sinalizados e não-sinalizados
Operações aritiméticas
Operações lógicas
Números de ponto flutuante

Roteiro do curso...
Arquitetura de conjuntos de instruções
Classificação de conjuntos de instruções
Endereçamento de memória
Tipos de operações
Tipos de dados (operandos)
Formatos de instruções
Controle de fluxo (procedimentos e sub-rotinas,
interrupções)

Roteiro do curso...
Programação em Linguagem de Montagem
Visão geral do modelo de programação
Arquiteturas representativas (ênfase no 80x86)
Exercícios de programação
Outors aspectos da programação em Assembly:
linkedição e carga de programas, macros, o
processo de montagem, relocação de código

Roteiro do curso...
Suporte ao Sistema Operacional
Conceitos básicos de sistemas
operacionais
Escalonamento de processos
Gerenciamento de memória

Roteiro do curso...
Entrada e Saída
Organização básica de entrada e saída
Métodos de transferência de dados
(polling, interrupções, DMA)
Dispositivos de E/S

Interação com outras
disciplinas
Antes:
Introdução à Computação
Sistemas Digitais
Depois:
Organização de Computadores
Sistemas Operacionais
Compiladores
Disciplina básica do currículo de Computação

Ênfase do curso
Entender o projeto de computadores
existentes
fundamentação conceitual, perspectiva
histórica e atualidades
Dar subsídios para melhor utilizar
(programar) a máquina
Aprender as técnicas básicas de projeto
de computadores

Bibliografia
STALLINGS, W.
Arquitetura e Organização
de Computadores,
Tradução da 5ª Edição,
Prentice-Hall, 2002.
Trata tanto os aspectos
de arquitetura quanto de
organização de
computadores, fazendo
uma clara distinção entre
eles
Estudos de casos com
duas arquiteturas reais:
Pentium II e PowerPC

Bibliografia...
PATTERSON, D.A.;
HENNESSY, J.L. Projeto e
Organização de
Computadores: A Interface
Hardware / Software,
Tradução da 2a Edição,
LTC, 2000.
Combina uma
abordagem fortemente
baseada em princípios
com uma visão
tecnológica
Ponto de vista
arquitetura = organização
+ ISA

Bibliografia...
TANENBAUM, A.S.
Organização Estruturada de
Computadores, Tradução da
4a Edição, LTC, 2001.
Abordagem clássica da
organização de
computadores em
camadas
Também trata dos
aspectos de arquitetura
e organização

Bibliografia...
WEBER, R.F., Fundamentos de
Arquiteturas de Computadores,
2ª Edição, Editora Sagra-
Luzzatto, 2001.
Roteiro básico para um curso
introdutório de arquitetura de
computadores
Abordagem evolutiva
baseada em simuladores
Precisa ser complementado
com textos mais avançados

Bibliografia...
HENNESSY, J.L. and
PATTERSON, D.A. Arquitetura
de Computadores: Uma
Abordagem Quantitativa,
Tradução da 3ª. Edição,
1996, Morgan Kaufmann.
Abordagem de projeto guiada
por análises de desempenho
Visão integrada de arquitetura
e organização (ênfase em
aspectos de arquitetura)
Texto mais avançado, voltado
para projetistas de
computadores

Avaliações
02 AVALIAÇÕES EM SALA DE AULA:
1ª. Avaliação (A1): 19/04/2005
2ª. Avaliação (A2): 30/06/2005
02 TRABALHOS (Grupos de 2 alunos):
T1: Estudo de arquitetura de computadores
atuais – entrega: 12/05/2005
T2: Trabalho prático de programação – entrega/
demonstração: 28/06 a 05/07/2005
Composição da nota final
Média(A1,A2) * 0,6 + Média(T1,T2) * 0,4

Arquitetura Vs. Organização
Arquitetura
conjunto de instruções
conjunto de
registradores
representação de
dados
mecanismos de E/S
endereçamento de
memória
Organização: Especifica
as unidades operacionais
e sua interconexão para
implementação de uma
determinada arquitetura
estrutura interna do
processador
barramentos internos
tecnologia de memórias
interface com sistema de
E/S
(Segundo Semestre)

Arquitetura Vs. Organização
Visões complementares
Arquitetura: independente de implementação
Organização: implementação específica
Escolhas em uma área têm influência na outra
Exemplo: Famílias de arquiteturas
IBM System 360
Intel 80x86
Questão chave: compatibilidade
Implementação (organização) pode ser diferente

Arquitetura vs. Organização
Exemplo atual: Pentium 4 vs. Celeron
Mesma arquitetura
Diferentes recursos de implementação
Cache interna, unidades de execução em paralelo, etc.
Fator custo

Organização Estruturada de
Computadores
TANENBAUM:
Um modelo de abstração para facilitar o projeto e
implementação de arquiteturas de computadores
Um computador é dividido em níveis ou camadas
Em cada nível, o computador pode ser programado
utilizando a linguagem e os recursos daquele nível
Um nível pode ser visto como uma máquina virtual
para execução de programas escritos no nível
imediatamente superior

Organização Estruturada:
Computadores multi-níveis
[Tanenbaum, 1999]

°
°
Níveis de representação
High Level Language
Program
Compiler
Assembly Language
Program
Assembler
Machine Language
Program
temp = v[k];
v[k] = v[k+1];
v[k+1] = temp;
lw $15, 0($2)
lw $16, 4($2)
sw $16, 0($2)
sw $15, 4($2)
0000 1001 1100 0110 1010 1111 0101 1000
1010 1111 0101 1000 0000 1001 1100 0110
1100 0110 1010 1111 0101 1000 0000 1001
0101 1000 0000 1001 1100 0110 1010 1111
Machine Interpretation
Control Signal
Specification
ALUOP[0:3]

O Limite Hardware / Software…
Hardware: circuitos integrados, placas de circuito
impresso, cabos, fontes de alimentação, memórias,
dispositivos de entrada e saída (I/O).
Software: algoritmos e sua representação
computacional (programas).
Equivalência entre hardware e software:
funções tipicamente implementadas por software podem
ser realizadas diretamente em hardware
funções tipicamente realizadas em hardware podem ser
implementadas (ou simuladas) por software
➔ custo, velocidade, confiabilidade, freqüência de mudanças.

O Limite Hardware / Software..
SOFTWARE

O Limite Hardware / Software
software
instruction set
hardware

Exemplos de ISAs
Digital Alpha (v1, v3) 1992-97
HP PA-RISC (v1.1, v2.0) 1986-96
Sun Sparc (v8, v9) 1987-95
SGI MIPS (MIPS I, II, III, IV, V) 1986-96
Intel (8086,80286,80386, 1978-96
80486,Pentium, MMX, ...)

ISA – Um exemplo concreto:
MIPS R3000
Categorias de instruções
Load/Store
Computacionais
Desvio
Ponto flutuante
co-processador
Gerenciamento de memória
Especiais
Registradores
R0 - R31
PC
HI
LO
3 Formatos de Instruções: todos com largura de 32 bits
OP
OP
OP
rs rt rd sa funct
rs rt immediate
jump target

Leitura Recomendada
Tanenbaum, Cap. 1
Patterson & Hennessy: Cap. 1