Introdução à Organização de Computadores - Rossano.pro.br

Introdução à Organização deComputadoresExecução de ProgramasProf. Rossano Pablo Pinto, Msc.rossano at gmail com2 semestre 2007

Processadores●●●CPU (Central Processing Unit) é ocoordenador de todas as “atividades” deum computador (“cerebelo”)É interligado aos outros elementos docomputador a partir de um barramento:– Barramento: coleção de fios para transmitirendereços, dados e sinais de controle.Existem barramentos internos e externosao processadorCopyleft Rossano Pablo Pinto 2

ProcessadoresBusca e decodificaçãoOperações lógicas e aritméticasArmazenamento p/ processarCopyleft Rossano Pablo Pinto 3

Processadores●●Função do processador: executarinstruções obtidas a partir da memóriaprincipalA CPU é composta por diversas partes:– Unidade de Controle (UC)– Unidade Lógica e Aritmética (ULA)– Registradores (propósito geral e propósitoespecífico)●PC (Program Counter), IR (Instruction Register)Copyleft Rossano Pablo Pinto 4

Processadores●●“Data Path”da CPU devonNeumannExemplo deadição de Ae BCopyleft Rossano Pablo Pinto 5

Processadores●“Data Path” da CPU de von Neumann– registradores (tipicamente por volta de 32)– ULA (Unidade lógica e aritmética)– vários barramentos que conectam as partesda CPU– Registradores alimentam as entradas da ALU– Saída é armazenada no registrador de saídada ALU. O resultado pode ser escritonovamente em outros registradoresCopyleft Rossano Pablo Pinto 6

Processadores●“Data Path” da CPU de von Neumann– A maioria das instruções podem ser divididasem 2 categorias:●●registrador-memóriaregistrador-registrador– O processo de operar 2 operandos pela ULA earmazena-los de volta em algum registradoré conhecido por: data path cycle (“ciclo decaminho de dados”).– Quanto mais rápido o data path cycle, maisrápida a máquina.Copyleft Rossano Pablo Pinto 7

Processadores●Execução de instruções1. Busca próxima instrução da memória earmazena no IR2. Incrementa PC para “apontar” p/ a próximainstrução3. Determina o tipo de instrução (decode)4. Se instrução faz uso de operandos vindos damemória, determina seu endereço5. Busca operandos (palavra) da memória earmazena nos registradoresCopyleft Rossano Pablo Pinto 8

Processadores●Execução de instruções6. Busca próxima instrução da memória earmazena no IR7. Executa a instrução8. Volta ao passo 1. para executar a próximainstruçãoCopyleft Rossano Pablo Pinto 9

Processadores●Exemplo de processador HipotéticoCopyleft Rossano Pablo Pinto 10

Processadores●Exemplo de processador Hipotético: ciclode busca e execuçãoCopyleft Rossano Pablo Pinto 11

Processadores●Exemplo de processador Hipotético:formato de instruçãoCopyleft Rossano Pablo Pinto 12

Qual o resultado destas operações?Copyleft Rossano Pablo Pinto 13

Qual o resultado destas operações?Copyleft Rossano Pablo Pinto 14

Qual o resultado destas operações?Copyleft Rossano Pablo Pinto 15

Qual o resultado destas operações?Copyleft Rossano Pablo Pinto 16

Qual o resultado destas operações?Copyleft Rossano Pablo Pinto 17

Qual o resultado destas operações?Copyleft Rossano Pablo Pinto 18

Qual o resultado destas operações?Copyleft Rossano Pablo Pinto 19

Processadores●Como aumentar a “velocidade” dosprocessadores?– Aumento do clock/freqüência do processador.●●Problema: o limite é a velocidade da luz. Omáximo que consegue-se no cobre ou fibra ótica é20 cm/nanosegundo.Quanto maior a freqüência, maior o calor que temque ser dissipado.– Duplicar unidades funcionais !!!Copyleft Rossano Pablo Pinto 20

Processadores●Paralelismo por meio de Instruções– Pipelining– Arquiteturas Super-escalaresCopyleft Rossano Pablo Pinto 21

Processadores– Pipeline (ex.: 5 estágios e 9 ciclos de clock)Copyleft Rossano Pablo Pinto 22

Processadores– Pipeline (ex.: 5 estágios e 9 ciclos de clock)●●Suponha um tempo de ciclo de 2 nsLeva 10 ns p/ uma instrução ser executada● Qual o MIPS desta máquina? 100 MIPS ?●Não! 500 MIPSCopyleft Rossano Pablo Pinto 23

Processadores– Pipeline●●●Latência x largura de banda de processadorLatência -> TEMPO que uma instrução leva paraser executadaLargura de banda do processador -> quantosMIPS a CPU tem● Exemplo de processador com pipeline: 486Copyleft Rossano Pablo Pinto 24

Processadores– Arquiteturas Super-EscalaresPipeline duplo de 5 estágios com uma única unidade de buscaCopyleft Rossano Pablo Pinto 25

Processadores– Arquiteturas Super-Escalares●●O exemplo anterior de 2 pipelines somente épossível se:– as 2 instruções não tiverem conflito em uso de recursos(ex.: registradores)– nenhuma delas pode depender do resultado da outraExemplo de processador com pipeline duplo:Pentium (similar ao da figura anterior)Copyleft Rossano Pablo Pinto 26

Processadores– Arquiteturas Super-Escalares●Compiladores otimizados p/ Pentium podem gerarcódigo 2 vezes mais rápido que os otimizados p/486.Copyleft Rossano Pablo Pinto 27

Processadores– Arquiteturas Super-EscalaresPentium II tem um único Pipelinemas com várias unidades funcionais,similar ao da figura:Neste caso, S3 tem que serconsideravelmente maisrápido que S4Copyleft Rossano Pablo Pinto 28

Processadores●Paralelismo por meio de ProcessadoresComputadores emArray: Conjuntode processadors idênticosque executam a mesmainstrução em paralelo emdados distintosCopyleft Rossano Pablo Pinto 29

Processadores●Paralelismo por meio de ProcessadoresMulti-processadores:vários processadorescompartilhando mesmamemória. a) SMPb) NUMACopyleft Rossano Pablo Pinto 30

Processadores●Paralelismo por meio de ProcessadoresMulti-Computadores:vários computadoresinterligados por rede.Copyleft Rossano Pablo Pinto 31