introdução à computação: arquitetura von...

Introdução à

Computação:

Arquitetura von

Neumann

Beatriz F. M. Souza

([email protected])

http://inf.ufes.br/~bfmartins/

Computer Science Department

Federal University of Espírito Santo

(Ufes),

Vitória, ES – Brazil

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http://nemo.inf.ufes.br/


Máquinas Multiníveis – Revisão

Aula Passada

• Máquinas Multiníveis – Parte 3:

– Nível 3;

– Nível 4;

– Nível 5;

– Compiladores, Assemblers, Linkers e Loaders;

– Execução de um Programa.

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;Soma 2 números - ASM

MOV EAX,39 ;39 = 57

ADD EAX,0FA ;0FA = 250

;Resultado: EAX = 133

;133 = 307

Arquitetura von Neumann – Introdução

• John von Neumann:

– Construiu em 1952 o computador IAS (Institute for Advanced Study – Princeton, USA);

– Programa Armazenado:

• Programas e dados representados de forma digital em memória (esse mesmo projeto foi usado no EDSAC);

– Mais flexibilidade e rapidez (ao invés de chaves e cabos);

• Processamento baseado em aritmética binária, ao invés de decimal;

• Formalizou o projeto lógico de um computador.

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Arquitetura von Neumann – Máquina

• Máquina de von Neumann:

– Base de praticamente todas as máquinas atuais;

– Componentes:

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• Memória;

• Unidade de Controle (UC);

• Unidade Lógica e Aritmética (ULA) – Aritimetic and Logic Unit (ALU);

• Dispositivos de entrada/saída (E/S) – input/output (I/O).


• Máquina de von Neumann – Componentes:

– Unidade de Controle de Programa: • Ou somente Unidade de Controle (UC);

• Determina a sequência das instruções a serem executadas;

• Gera os sinais de controle para as outras unidades;

– Memória: • 4096 palavras de 40 bits (2 instruções de 20 bits ou um inteiro);

• Instrução: 8 bits para indicar o tipo, 12 bits para endereçar a memória;

– Unidade Lógica e Aritmética (ULA): • Execução das instruções (operações lógicas e aritméticas);

• Acumulador: registrador especial de 40 bits utilizado para armazenar um operando e/ou um resultado fornecido pela ULA;

– Dispositivos de Entrada e Saída: • Comunicação externa.

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• Máquina de von Neumann – Ciclo de execução:

– Busca Decodificação Execução.

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• Máquina de von Neumann – Ciclo de execução:

– Busca:

• A instrução é lida da memória;

– Decodificação:

• Determina-se a instrução a ser executada, geralmente usa-se lógica combinacional para esta tarefa;

– Execução:

• Para cada tipo de instrução é realizada sua execução, conforme o necessário.

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Arquitetura von Neumann – Conceitos

• Máquina de von Neumann – Conceitos Importantes:

– Registradores:

• Estruturas de memória interna da CPU, especializadas para funções específicas;

• Podem armazenar endereços de memória com função específica ou dados temporários;

– OP Code:

• Conjunto de instruções com formatação e funções específicas, de acordo com a arquitetura da máquina.

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– Relógio (Clock):

• Referência de tempo necessária à CPU;

• Um circuito eletrônico oscilador gera uma onda quadrada, essencial para o sequenciamento das operações realizadas pela CPU;

• Está relacionado com a frequência (taxa) de operação do processador;

– Interrupções:

• Sinais de controle externos, usados para reconhecimento de ações externas, por parte da CPU;

• Geralmente são disparados por dispositivos de E/S (teclado, impressora, etc.).

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– Endereçamento: • As informações na memória são localizadas por meio de sua

posição;

• Cada posição da memória possui um endereço de localização;

– Instruções e dados: • Armazenados em memória, cada qual em seu espaço de

endereçamento específico;

• Instruções executadas sequencialmente, exceto em casos especiais (saltos ou sub-rotinas);

– Barramento (Bus): • Estrutura para transporte das informações (dados, instruções

ou sinais de controle). 10

Arquitetura von Neumann – Gargalo

• Gargalo de von Neumann:

– Tráfego intenso no barramento do sistema:

• Principal rota de informação: entre CPU e memória (ponto crítico);

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• Constante fluxo de dados e instruções;

• Gera desperdício de tempo (CPU em espera);

• Agrava-se gradativamente pelo aumento do gap de velocidade entre a memória principal e a CPU.

Arquitetura de Harvard – Introdução

• Arquitetura de Harvard:

– É uma variação da arquitetura de von Neumann;

– Barramentos são separados para instruções e dados;

– Memórias separadas para dados e instruções

– O termo Harvard foi originado dos computadores Mark I a Mark IV devido à Universidade de Harvard onde foram desenvolvidos.

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Arquitetura de Harvard – Introdução

• Arquitetura de Harvard:

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Arquitetura – von Neumann versus Harvard

von Neumann X Harvard

• von Neumann:

– Processa uma informação por vez;

– Dados e instruções trafegam no mesmo barramento;

– Mais simples, porém mais lenta;

• Harvard:

– Dados e instruções trafegam em barramentos separados;

– Componentes internos dispostos em locais distintos;

– Mais rápida, porém mais complexa.

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Arquitetura não-von Neumann – Introdução

• Máquinas não-von Neumann – outras arquiteturas:

– É qualquer máquina que não se enquadra nas características definidas por von Neumann;

• Máquinas paralelas:

– Máquinas com várias unidades de processamento (CPUs) executando programas de forma cooperativa, com controle centralizado ou não;

• Máquinas de fluxo de dados:

– Máquinas que não executam instruções de um programa, mas realizam operações de acordo com a disponibilidade dos dados envolvidos;

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Arquitetura não-von Neumann – Introdução

• Máquinas não-von Neumann – outras arquiteturas:

• Redes neurais artificiais:

– Também não executam instruções de um programa, trabalhando com um modelo onde os resultados são gerados a partir de respostas a estímulos de entrada;

• Processadores sistólicos (VLSI):

– O processamento ocorre pela passagem de dados por arranjo de células de processamento executando operações básicas, organizadas de forma a gerar o resultado desejado;

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Lei de Moore (19/04/1965)

• Gordon E. Moore, publicou em 19 de abril de 1965 pela Eletronic Magazine, a Lei de Moore:

– Exatamente a 50 anos.

O número de transistores dobra, em média,

a cada 18 meses, mantendo o mesmo

(ou menor) custo e o mesmo espaço.

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http://www.monolithic3d.com/uploads/6/0/5/5/6055488/gordon_moore_1965_article.pdf





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• Análise:

– A aplicação do excerto dessa lei vai muito além do número de transistores:

• O processamento de informações pelos chips também aumenta em 100%;

• Isso significa dizer que a tecnologia fica duplamente mais eficiente a cada “geração”.

• Importância:

– Porque explica a velocidade da evolução tecnológica e as grandes mudanças na maneira em que vivemos.

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• Reflexos:

– Rápido crescimento da capacidade de processamento dos computadores, miniaturização e redução de custos;

Flop/s: operações em ponto flutuante por segundo (Floating point operations per second).

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• Reflexos:

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Arquitetura von Neumann – Próxima Aula

• Arquitetura von Neumann:

– Para a próxima aula:

• Componentes.

Continuaremos na próxima aula!

Até breve.

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