Organização de Computadores 1

(1)

Organização de

Computadores 1

3

3 –

–

ARQUITETURA DE VON NEUMANN

E DESEMPENHO DE COMPUTADORES

(2)

Tipos de Arquitetura

Arquitetura

de von Neumann:

9 Conceito de

programa armazenado

;

8 Dados e instruções armazenados em uma única memória de leitura e escrita.

9

9 Endere

Endere

ç

amento

da memória

por posiç

por posi

ç

ão

e não pelo

tipo;

9

9 Execu

Execu

ç

ão seq

ü

encial

de instru

ç

ões; e

ões

9

9 Ú

Ú

nico caminho

entre mem

ó

ria e CPU.

ria e CPU

Arquitetura

de Harvard:

9 Variação da arquitura de von Neumann.

9

9 Barramentos

Barramentos

separados

para

instru

ç

ões

e dados.

e dados

9 Termo originado dos computadores Mark I a Mark IV

(3)

Outras Arquiteturas

ExemplosExemplos de de arquiteturasarquiteturas nãonão--von Neumann:von Neumann:

9

9 MMááquinasquinas paralelasparalelas::

8

8 VVááriasriasunidadesunidades de de processamentoprocessamento executando programas de forma

cooperativa

cooperativa.

8 Podem ser controladas de forma centralizada ou não.

9

9 MMááquinasquinas de de fluxofluxo de dados:de dados:

8

8 NãoNãoexecutamexecutam instruinstruççõesões de um programa.

8 Realizam operações de acordo com a disponibilidadedisponibilidade dos dadosdos dados envolvidos.

9

9 RedesRedes neuraisneurais artificiaisartificiais::

8

8 NãoNãoexecutamexecutam instruinstruççõesões de um programa.

8 Resultados são gerados a partir de respostasrespostas a a estestíímulosmulos de de entradaentrada.

9

9 ProcessadoresProcessadores sistsistóólicoslicos (VLSI):(VLSI):

8

8 Resultado dependente daResultado organizaorganizaççãoão dasdas ccéélulaslulas de processamento.

8

8 Processamento ocorre pelaProcessamento passagempassagem de dadosde dados pelopelo arranjoarranjo de células

(4)

Arquitetura de von Newmann

C

omponentes estruturais

(computadores atuais):

Mem Memóóriaria

Registradores Registradores Unidade de Controle Unidade de Controle Unidade Unidade L Lóógica egica e Aritm

Aritmééticatica

PC SistemaSistema_{de E/S}_{de E/S} Unidade de Processamento

Unidade de Processamento Central (CPU)

Central (CPU)

Sistema de Interconexão (

(5)

CPU:

9 “Cérebro” do computador.

9

9 Busca, interpreta e executa

Busca, interpreta e executa

as instruções.

9

9 Controla

Controla

os demais componentes.

Mem

ó

ria:

9

9 Armazenamento

Armazenamento

de dados e instruções.

Sistema de E/S:

9

9 Comunica

Comunica

ç

ão externa

(ambiente operacional).

Sistema de interconexão:

9

9 Comunicaç

Comunica

ção interna

ão interna

(entre os componentes).

(6)

Processadores:Processadores:

9 CPU, controladores e co-processadores.

9 Possuem conjunto de instruconjunto de instruççõesões operando sobre instruinstruçções e ões e dados

dados organizados em palavraspalavras. 8 CPU: instruções de propósito geral

8 Co-processadores: instruções especializadas

MemMemóórias:rias:

9 2 subsistemas: memmemóória internaria interna e memmemóória externaria externa.

9

9 CustoCusto está diretamente relacionado à sua capacidadecapacidade de armazenamento e à sua velocidadevelocidade de operação.

Dispositivos de E/S:Dispositivos de E/S:

9 São conversores de representaconversores de representaçção fão fíísica de dadossica de dados.

9

9 LentosLentos em relação aos processadores.

Meios de Interconexão:Meios de Interconexão:

9 Estabelecem a comunicacomunicaçção entre os componentesão entre os componentes através de barramentos

barramentos e e slots sob seu controle.slots

9

9 Problema crProblema críítico:tico: disputa pelo uso dos recursos compartilhados.disputa pelo uso

Componentes do computador

(7)

Lei de Moore (1967)

Relacionada com o

aumento

da

densidade

de

componentes

componentes em um chip.

Previsões

de Moore:

9 Nº de transistores dobra a cada ano.

8 A partir de 1970 isto ocorre a cada 18 meses.

9 Custo do chip permanecerá o mesmo.

9

9 Vantagens

Vantagens

:

8 Redução das necessidades de potência elétrica e refrigeração. 8 > densidades ⇒ caminhos elétricos menores ⇒ > desempenho.

8 Tamanho menor ⇒ aumento de flexibilidade. 8 Menos interconexões ⇒ maior confiabilidade.

(8)

Tipos de Computadores

Lei de Moore:

9 Computadores

mais

poderosos

por preços constantes

OU

9 Mesmo computador por

pre

ç

os

mais

baixos

“Mudança na ordem de grandeza de quantidade

causa uma mudança na

qualidade” (

Richard Hamming

).

(9)

Tipos de Computadores

Computadores

descart

á

veis

:

9 Chips colados em cartões

9 Chip RFID (Radio Frequence Identification):

8 Baixíssimo custo (centavos)

8 Menos de 0,5 mm de espessura

8 Radiotransponder + único número de 128 bits

8 Podem ser passivos (sem bateria) ou ativos (com baterias) 8 Funcionamento:

z Alimentação por sinal de rádio de uma antena externa;

z Retorno do número de identificação embutido.

8 Ex. Aplicação: rotulação de animais, identificação de produtos,

(10)

Tipos de Computadores

Microcontroladores

:

9 Computadores embutidos em outros equipamentos.

9 Controlam os dispositivos e suas interfaces.

9 Possuem capacidade de processamento, memória e E/S (computadores pequenos).

9 Software incorporado no chip.

9 Apresentam restrições de preço, velocidade e dimensões muito significantes no projeto de arquitetura.

8 Custo baixo (varia de acordo com a especificação: US$ 0.1 - 5) 8 Funcionam em tempo real

9 Podem ser encontrados em: 8 Eletrônicos e eletrodomésticos; 8 Brinquedos;

8 Equipamentos médicos; 8 Etc.

(11)

Tipos de Computadores

Computadores

de

Jogos

(Videogames):

9 Computadores normais com recursos gráficos (som e imagem) especiais e software específico e limitado.

9 São hardwares fechados (impossibilitam atualizações) com

otimizações específicas para sua finalidade.

9 Exemplos:

Videogame Configuração

Sony

Playstation 2

CPU proprietária 295 MHz e 128 bits (derivado MIPS IV RISC) Memória RAM de 32 MB

Chip gráfico de 160 MHz e de áudio com 48 canais

Microsoft XBox

CPU Pentium III de 733 MHz

Memória RAM de 64 MB e HD de 8 GB

Chip gráfico de 300 MHz e de áudio com 256 canais

Nintendo GameCube

CPU de 485 MHz e 32 bits (derivado IBM PowerPC RISC) Memória RAM de 24 MB

(12)

Tipos de Computadores

Computadores

Pessoais

:

9 Utilizados para execução de tarefas de propósito geral

(geralmente corriqueiras)

9 Podem ser desktops ou laptops.

9 Contém diversos dispositivos (HD, memória, monitor, e

outros periféricos) e S.O. elaborados.

9 Permitem expansões de hardware.

9 Possuem grande quantidade de softwares disponíveis.

9 Exemplo de arquiteturas existentes:

8 PC (Intel) 8 Macintosh

(13)

Tipos de Computadores

Servidores

:

9 Computadores pessoais reforçados

8 Mais memória e HD

8 Podem ter um ou vários processadores 8 Mesmo S.O. dos PCs (versões server)

8 Alto desempenho (velocidade de comunicação e/ou execução)

9 Possuem um uso diferenciado

(14)

Tipos de Computadores

Conjunto

de

esta

ç

ões

de

trabalho

:

9 Computadores conectados (clustersclusters)

9 Substituiu os supercomputadores:supercomputadores

8 Mesma capacidade de computação 8 Menor custo

9

9 CaracterCaracteríísticassticas::

8 Utilizam redes de Gigabytes/seg. 8 Executam software especialsoftware especial.

8

8 EscalonEscalonáávelvel.

9

9 ExemplosExemplos de de utilizautilizaççãoão::

8 Processamento de alto desempenho.

(15)

Tipos de Computadores

Mainframes:

9 Computadores grandes e caros (na ordem de milhões).

9 Ocupam salas especializadas.

9 Não possuem grande processamento, mas têm grande

capacidade de E/S e de armazenamento (coleções de

discos - TB).

9 Executam softwares antigos (falta de investimento em

atualizações).

9 São mantidos devido ao investimento necessário para

migração do parque de software.

9 Ganhou novo fôlego com a Internet

8 Manipulação de quantidades maciças de transações de

(16)

Projeto que visa Desempenho

Lei de Lei de Moore (1967): novas gerações de pastilhas a cada 3 anos Moore

(aumento na densidade de transistores). Técnicas para manter o fluxo de instruções:

9

9 Previsão de desvios: examina instruções futuras para predição dos desvios Previsão de desvios: e grupos de instruções com maior probabilidade de execução.

8 Busca antecipada na memória.

9

9 AnAnáálise do fluxo de dados: verifica a dependência de resultados e dados lise do fluxo de dados: de outras instruções.

8 Seqüenciamento otimizado das instruções (escalonamento).

9

9 ExecuExecuçção especulativa: utiliza as técnicas anteriores.ão especulativa: 8 Execução antecipada de instruções.

Resultado: crescimento acentuado da velocidade do processador.Resultado:

Problema: outros componentes críticos não acompanharam essa Problema:

(17)

(18)

(19)

Gargalo de von Neumann

Tráfego intenso no barramento do sistema:

9 Principal rota de informação: CPU e memória (ptopto. cr. crííticotico).

9 Constante fluxo de dados e instruções.

Gera desperdício de tempo (CPU em espera).

Agrava-se gradativamente pelo aumento do

gap

de

velocidade

(20)

Gargalo de von Neumann

Gargalo

(21)

Técnicas de Balanceamento do Desempenho

Ajuste da organização e arquitetura para

compensar

as diferenças de capacidade dos

componentes.

Gargalo de

von

Neumann (

Neumann

estratégias de solução

):

8 Aumento do número de bits recuperados em cada acesso

z Memória e barramentos mais largos.

8 Modificação da interface com a memória

z Cache

8 Redução da quantidade de acessos a memória

z Cache mais complexa e eficiente (vários níveis). 8 Aumento da largura de banda da conexão

z Barramentos de alta velocidade

(22)

Projeto de E/S

:

_:

9 Aplicações mais sofisticadas usam periféricos com grande

demanda de E/S.

9

9 Resultado: alta demanda da transferência de dados entre

Resultado:

CPU e periféricos.

9 Estratégias de solução:

8 Estrutura de cache e armazenamento temporário. 8 Barramentos de alta velocidade.

8 Estruturas de barramento mais elaboradas (vários níveis). 8 Multiprocessadores minimiza a demanda E/S.

(23)

Máquinas

RISC (Reduzed Instructions Set Computer)

RISC

COW (

Clusters Of Workstations)

Clusters

Técnicas para melhorar o desempenho:

9 9 Paralelismo:Paralelismo: 8 Pipelines 8 8 MultiprocessadoresMultiprocessadores 9

9 Hierarquia de memHierarquia de memóória:ria:

8 Memórias cachecache

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