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Infra-estrutura de Hardware Capítulo 1


Infra-Estrutura de Hardware

Edna Barros

GRECO - Grupo de Engenharia da ComputaçãoCentro de Informática - UFPE


Roteiro da Aula

• Os computadores no nosso dia a dia• Conhecendo os componentes de um

computador– CPU– Memória– Disco

• Evolução dos computadores


Roteiro da Aula

• Computador: Hardware e Software• Como funciona o computador• Executando um programa• Programa do curso• Opcional:

– Evolução Histórica dos computadores


Conceitos Básicos de Arquitetura e Organização de

Computadores


Motivação• Porque é importante saber conceitos de

arquitetura/organização de computadores?• Revolução da Informação:

– Primeiro computador comercial no final anos 1940– .... Multiprocessadores (SP2, Clusters,....)– Número e complexidade crescente de aplicações:

• Caixas Eletrônicos• Computadores em automóveis• Laptops• Projeto Genoma• World Wide Web

• Os computadores estão cada vez mais presentes no nosso dia a dia....


Computadores no dia a dia...

Computadores estãopresentes nos mais diversos

equipamentos



No nosso dia a dia ....



E todos estes computadores/equipamentos podemestar conectados em rede ....

Voz e Dados

GPS/AVL

Chamada

Terminais de Dados

Rede CDPD/GPRS

Centro de Dispatch


Armazenamento e Processamento de Informações....em um escritório

• Na mesa mantemos os papéis que estamos usando naquele momento

• Completada uma tarefa, pomos os papéis alterados de volta no fichário.

• Após o expediente, a faxineira joga no lixo tudo que está na mesa.

Como se dá o processamento das informações?• Informações que não tem uso

no momento ficam no fichário.• A pasta sobre a mesa contém

cópias das informações que precisaremos naquele dia.


Fichário

Mesa

Pastas

3timing & sizeInformation

2timing & sizeInformation

1

Disco MemóriaUnidade de Controle (CPU)

Componentes de um Computador

O fichário representa o disco rígido, com alta capacidade de armazenamento.

A pasta sobre a mesa representa a memória, de acesso rápido e fácil Mesa e usuário são a CPU OBS: Memória é volátil e disco não (faxineira)


Abrindo o computador....


Entrada/Saída Manual

• Teclado• Mouse• Monitor de Vídeo• Joystick

• Característica comum: baixa velocidade


Entrada: Mouse


Saída: Monitor de Vídeo

• Tubo de raios catódicos

• Aumento da energia dos elétrons

• Aceleração• Colisão numa

tela de fósforo• Emissão de luz• Ponto luminoso


Saída: Vídeo

• Controle– Densidade do fluxo

controlada por circuitos adicionais

– Direção do feixe controlada por campo magnético


Saída: Vídeo

• Resolução– Linhas: 1024– Pontos por linha: 1280– Resolução: 1.310.720

– 75 figuras/seg : 98.304.000 Bits/seg 100 MHz de largura de Banda

– Intensidade– 8 bits/cor 24 bits/pixel 3.932.160 bits (Memória de

Vídeo)


Saída: Vídeo

• Display de cristal líquido

• Matrix de pixels• Controle

Complexo• Tecnologia

VLSI


Unidade de Processamento

• Placa Mãe• CPU• Memória• Disco rígido• Disco

Flexível


Placa Mãe


O Processador


Processador: PowerPC 750


8051 186.531 transistores8 mm2


Processador Memória


Memória Vs. Armazenamento

• O fichário representa o disco rígido, com alta capacidade de armazenamento.

• A pasta sobre a mesa representa a memória, de acesso rápido e fácil

• Mesa e usuário são a CPU

• OBS: Memória é volátil e disco não.

Fluxo de Dados

Pasta

Fichário


Processador vs. memória

µProc60%/ano..

DRAM7%/ano..

1

10

100

1000

1980

1981

1983

1984

1985

1986

1987

1988

1989

1990

1991

1992

1993

1994

1995

1996

1997

1998

1999

2000

DRAM

CPU

1982

Desemp. Proc-Mem:(cresce 50% / ano)

Des

emp

enh

o


Memória Principal Vs. Cache

• O fichário representa o disco rígido.

• A pasta sobre a mesa representa a memória principal.

• No quadro de avisos se encontram informações que podem ser acessadas de forma muito rápida. O quadro representa a cache.

• Mesa e usuário são a CPU

Pasta

Quadro

Fichário


Níveis de memória

Nível 1 2 3 4Nome Registrador Cache Memória

PrincipalSecundária

Tamanho < 1K < 4 M < 4 G > 1 GTecnologia BICMOS SRAM DRAM DiscoTempo de

acesso (ns)2-5 3-10 80-400 5.000.000

Largura debanda(MB/s)

4000-32.000 800-5000 400-2000 4-32

Gerência Compilador Hardware S.O S.O /usuário

Copia em Cache MemóriaPrincipal

Disco Fita


ProcessadorMemória

Discos


Discos

• 36 Gbytes, 3 1/2”


Platter

Track

Platters

Sectors

Tracks

Discos magnéticos

• # discos: 1-15 (2 lados)

• rotação: 3600 - 7200 rpm

• diâmetro: 1-8 inch• # trilhas: 1000-5000• # setores: 64-200• setor: 512 bytes


Discos / História

1973:1. 7 Mbit/pol2140 MBytes

1979:7. 7 Mbit/pol22,300 MBytes

source: New York Times, 2/23/98, page C3, “Makers of disk drives crowd even more data into even smaller spaces”


1

10

100

1000

10000

1970 1980 1990 2000

Year

Are

al D

ensi

ty

Discos: história

1989:63 Mbit/pol260,000 MBytes

1997:1450 Mbit/pol22300 Mbytes (2.5” diâmetro)source: N.Y. Times, 2/23/98, page C3

1997:3090 Mbit/p2.8100 Mbytes(3.5” diâmetro)

2000:10,100 Mb/p225,000 MBytes

2000:11,000 Mb/p273,400 MBytes


Discos: Limites

• Capacidade crescente (60%/ano) and Taxa de transf. crescente (40%/ano)

• Redução lenta do tempo de acesso (8%/ano)• Tempo para leitura completa:

Ano Sequencial Randômica

1990 4 minutos 6 horas

2000 12 minutos 1 semana

Tendências e Desafios no Desenvolvimento de

Computadores

Processadores, Memória e Discos



Year

Transistors

1000

10000

100000

1000000

10000000

100000000

1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000

i80386

i4004

i8080

Pentium

i80486

i80286

i8086

Tecnologia: Capacidade de Integração

2X transistores/ChipA cada 1.5 anos

“Moore’s Law”:

Alpha 21264: 15 millionPentium Pro: 5.5 millionPowerPC 620: 6.9 millionAlpha 21164: 9.3 millionSparc Ultra: 5.2 million

Moore’s Law


Tecnologia: Capacidade de Integração

Date Event Comments

1947 1st transistor Bell Labs

1958 1st IC Jack Kilby (MSEE ’50) @TIWinner of 2000 Nobel prize

1971 1st microprocessor Intel

1974 Intel 4004 2300 transistors

1978 Intel 8086 29K transistors

1989 Intel 80486 1.M transistors, pipelined

1995 Intel Pentium Pro 5.5M transistors

2005 Intel Montecito 1B transistors


Tecnologia: Desempenho do Processador

0100200300400500600700800900

87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97

DEC Alpha 21264/600

DEC Alpha 5/500

DEC Alpha 5/300

DEC Alpha 4/266IBM POWER 100

DEC AXP/500

HP 9000/750

Sun-4/260

IBMRS/6000

MIPS M/120

MIPS M

2000

1.54X/yr


Tecnologia: Desempenho do Processador


Avanços na Tecnologia

• Processador– 2X velocidade a cada 1.5 ano; 1000X desempenho nos

últimos 15 anos• Memória

– DRAM capacidade: 2x / 1.5 anos; 1000X tamanho nos últimos 15 anos

– Custo por bit: melhora 25% por ano• Disco

– capacidade: > 2X em tamanho a cada 1.5 ano– Custo por bit: melhora em média 60% por ano– 120X tamanho na última decada


Evolução dos Computadores


Avanços na tecnologia

• O que estes intervalos de tempo tem em comum?– 1776-1999 (224 anos)– 2000-2001 (2 anos)

Resposta:Progresso similar no desempenho dos processadores!

Crescimento exponencial (Lei de Moore)

Projetistas trabalham para melhorar velocidade de reduzir consumo de potência dos processadores.


Avanços na tecnologia


Esforços em Arquitetura de Computadores

Arquiteturasde

Computador

Tecnologia Linguagens deProgramação

SistemasOperacionais

História

Aplicações


CPU Mem.

E/S

ComputadorPeriféricos

Interconexão

Componentes de um Computador: Hardware


Computador: Hardware + Software


SistemasDigitais


Repertório de Instruções Arquitetura

Hardware

Software

I/O systemProcessor

Aplicação

Memory

Sistema Operacional

Compilador

Montador

Datapath & Control

Digital DesignCircuit Design

transistors


Programa

• Módulo 1:Conceitos Básicos de Arquitetura de Computadores – Introdução– Conceitos Básicos de Arquitetura – Usando o simulador MIPS– Implementação Mono-ciclo e Multi-ciclo

• Avaliação: projeto e prova


Programa

• Módulo 2: Implementação em Pipeline e Superescalar– Implementação Pipeline – Resolução de Conflito de Dados e Controle– Implementação Superescalar– Aulas de laboratório e listas de exercício

• Avaliação: prova


Programa

• Módulo 3: Hierarquia de Memória– Memória Cache

• Tipos de Cache• Melhorando o desempenho de uma cache

– Memória RAM– Memória Virtual– Aulas de Laboratório e listas


Programa

• Módulo 4: Entrada/Saída e Multiprocessadores– Entrada/Saída

• Tipos de E/S • Componentes de um sistema de E/S

– Multiprocessadores– Aulas de laboratório e listas

• Avaliação: prova


Monitoria

• Monitores– Bruno Barros– E equipe


Bibliografia

• Organização e Projeto de Computadores – A Interface Hardware Software– David Patterson e John Hennessy


CPU Mem.

E/S

ComputadorPeriféricos

Interconexão

Componentes de um Computador: Hardware



• Coordenação de muitos níveis de abstração

I/O systemProcessor

Aplicação

Repertório de Instruções ArquiteturaMemoryHardware

Software

Sistema OperacionalWindows

Compilador

Montador

Datapath & Control


transistors


SistemasDigitais



Hardware

Software

I/O systemProcessor

Aplicação

Memory

Sistema Operacional

Compilador

Montador

Datapath & Control


transistors


Representação da Informação

Programa em Linguagem de alto

nível (e.g., C)

Programa em linguagem assembly (e.g.,MIPS)

Programa em linguagem de

Máquina (MIPS)

Hardware

Compilador

Montador

Interpretação

temp = v[k];

v[k] = v[k+1];

v[k+1] = temp;

lw $to, 0($2)lw $t1, 4($2)sw$t1, 0($2)sw$t0, 4($2)

0000 1001 1100 0110 1010 1111 0101 10001010 1111 0101 1000 0000 1001 1100 0110 1100 0110 1010 1111 0101 1000 0000 1001 0101 1000 0000 1001 1100 0110 1010 1111

°°


swap(int v[], int k){int temp; temp = v[k]; v[k] = v[k+1]; v[k+1] = temp;}

swap: muli $2, $5,4 add $2, $4,$2 lw $15, 0($2) lw $16, 4($2) sw $16, 0($2) sw $15, 4($2) jr $31

00000000101000010000000000011000000000001000111000011000001000011000110001100010000000000000000010001100111100100000000000000100101011001111001000000000000000001010110001100010000000000000010000000011111000000000000000001000

Binary machinelanguageprogram(for MIPS)

C compiler

Assembler

Assemblylanguageprogram(for MIPS)

High-levellanguageprogram(in C)

Representação

da Informação


Compilação

Programa objeto L0

Programa fonte Ln

Compilador


Interpretação

Instrução Ln

InterpretadorInstrução

Ln-1


Interpretação & Compilação

InterpretadorInstrução de máq.

L0Programa objeto Lint

Programa fonte Ln

Compilador


Computador: Hardware e Software

Hardware

Sy

stems software

Applications software


Computador: Hardware e Software

Software

Aplicação Sistema

Editores Compiladores Sistemas operacionais

Montadores

Memória virtual

Sistema de arquivo

I/O device drivers

gcc as

...

... ...


Interface entre hw e sw: Repertório de Instruções:

Repertório de Instruções

software

hardware


Como funciona um computador??

Vídeo

Teclado

CPU

Execução dasinstruções de um

programa

CPU

Execução dasinstruções de um

programa

Memória

Programas+

Dados

E/S

Buffers


Como funciona um computador??

Vídeo

Teclado

Memória

Programas+

Dados

E/S

Buffers

Reg.

ALU

EndereçoInstrução

Unid. processamento

Unid. controle

Operandotemp

AC


Memória

15 0

sinal

Dado

Instrução

magnitude

15 012

Opcode Endereço

11

0001 AC <- Mem.0010 Mem. <- AC0101 AC <- AC + Mem.


Como funciona um computador?

Busca a próximainstrução

Busca a próximainstrução

Executa a instrução

Executa a instrução

Início

Término


Executando um programa

1 9 4 0

5 9 4 12 9 4 1

0 0 0 3

0 0 0 2

3 0 0 3 0 0

9 4 1

9 4 0

3 0 2

3 0 1PC (endereço)

AC (operando)

IR (Instrução)

Registradores da CPUMemória

...




1 9 4 0

5 9 4 12 9 4 1

0 0 0 3

0 0 0 2

3 0 0

1 9 4 0

3 0 0

9 4 1

9 4 0

3 0 2

3 0 1PC (endereço)

AC (operando)

IR (Instrução)


...




1 9 4 0

5 9 4 12 9 4 1

0 0 0 3

0 0 0 2

3 0 0

1 9 4 0

3 0 0

9 4 1

9 4 0

3 0 2

3 0 1

PC

AC

IR


...

0 0 0 3




1 9 4 0

5 9 4 12 9 4 1

0 0 0 3

0 0 0 2

3 0 1 3 0 0

9 4 1

9 4 0

3 0 2

3 0 1

PC

AC

IR


...

0 0 0 3




1 9 4 0

5 9 4 12 9 4 1

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0 0 0 2

3 0 1

5 9 4 1

3 0 0

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9 4 0

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PC

AC

IR


...

0 0 0 3




1 9 4 0

5 9 4 12 9 4 1

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3 0 1

5 9 4 1

3 0 0

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PC

AC

IR


...

0 0 0 5

161616 523




1 9 4 0

5 9 4 12 9 4 1

0 0 0 3

0 0 0 2

3 0 2 3 0 0

9 4 1

9 4 0

3 0 2

3 0 1

PC

AC

IR


...

0 0 0 5




1 9 4 0

5 9 4 12 9 4 1

0 0 0 3

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2 9 4 1

3 0 0

9 4 1

9 4 0

3 0 2

3 0 1

PC

AC

IR


...

0 0 0 5




1 9 4 0

5 9 4 12 9 4 1

0 0 0 3

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3 0 2

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3 0 0

9 4 1

9 4 0

3 0 2

3 0 1

PC

AC

IR


...

0 0 0 5




Busca instruçãoBusca instrução

Executa instruçãoExecuta instrução

Busca operandoBusca operando

Decodifica instruçãoDecodifica instrução

Armazena resultadoArmazena resultado

Incrementa PCIncrementa PC


Escopo do curso.....

• Conjunto de registradores

• Tipos de Dados • Acesso à memória• Formato e

Repertório de instruções

• Conjunto de registradores

• Tipos de Dados • Acesso à memória• Formato e

Repertório de instruções

• Arquitetura

• Tecnologia de memória

• Interfaces• Implementação

das instruções• interconexões

• Tecnologia de memória

• Interfaces• Implementação

das instruções• interconexões

• Organização


SistemasDigitais



Hardware

Software

I/O systemProcessor

Aplicação (word)

Memory

Sistema OperacionalWindows

Compilador

Montador

Datapath & Control


transistors



• GERAÇÃO ZERO - 1836 - Anos 30

– Máquinas mecânicas ou baseadas em relés• dificuldade de construção• pouca exatidão

– Exemplos:• 1936 - Zuze - Z1

– Primeira máquina calculadora a relés

• 1943 - Governo Britânico - Colossus– Primeiro computador eletromecânico



• PRIMEIRA GERAÇÃO - Anos 40

– Válvulas com processadores• Caras, lentas, queimavam com facilidade

– ENIAC, UNIVAC

– Programação:• nível binário: 010110110..00

– Exemplos:• 1946 - Eckert/Mauchkley - Eniac 1

– A História do computador moderno começa aqui


Sistema de Computação

I/O systemProcessor

Repertório de Instruções:

001001001001Válvulas

Hardware

Software



• SEGUNDA GERAÇÃO - Anos 50

– Transistores• menores, mais baratos, rápidos, duráveis

– Programação:• simbólica: add, sub, load, store• programa armazenado em memória

– Exemplo:• 1952 - Von Neumann - IAS

– Modelo da maioria das máquinas atuais


Programa Armazenado

CPU MemóriaPrincipal

Barramentode memória



I/O systemProcessor

Repertório de Instruções Arquitetura:

transistors

MemoryHardware

Software Montador

add, sub, load, store


• TERCEIRA GERAÇÃO - Anos 60

– Circuitos Integrados (CI`s)– Programação:

• compiladores (if-then-else, +, go to)• Memória Virtual (Sistema Operacional)

– Exemplos:• 1960 - DEC - PDP 11

– Primeiro minicomputador (50 unidades vendidas)• 1964 - IBM - 360

– Primeira linha de produtos projetada como uma família



Memória Virtual

CPU MemóriaPrincipal

MemóriaSecundária

Barramentode memória

Barramento de E/S



I/O systemProcessor

CompiladorSistema

Operacional

Aplicação

Circuit Design


transistors

MemoryHardware

Software Montador



• QUARTA GERAÇÃO - Anos 70

– Microprocessadores/ Mem. semicondutora• VLSI Very Large Scale Integration

– Programação:• Linguagens Estruturadas• Estruturas de Dados Dinâmicas

– Exemplos:• 1974 - Intel - 8080

– Primeira CPU de uso geral em um chip



I/O systemProcessor

CompiladorSistema

Operacional

Aplicação



Datapath & Control

transistors

MemoryHardware

Software Montador

Mais instruçõesMuitos tipos de dados



• QUINTA GERAÇÃO - Anos 80– Máquinas RISCs

• Simplificar para melhorar desempenho• Uso efetivo do pipeline

– Programação:• Crise do Software• C: Pseudo linguagem de Máquina

– Exemplos: RISC, MIPS, Sparc



I/O systemProcessor

CompiladorSistema

Operacional

Aplicação



Datapath & Control

transistors

MemoryHardware

Software Montador

Poucas instruçõesPoucos tipos de dados

Hardware mais simplesMelhor desempenho


• ... Anos 90– Arquiteturas Superescalares– Arquiteturas VLIW– Arquiteturas Superpipeline– 3 níveis

• nível de sistema operacional• nível de máquina convencional• nível de hardware

– Exemplos:• Pentium, Alpha, Power



• ... Anos 2000– Arquiteturas Multi-core– Paralelismo de threads– Clusters– .....


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