Estrutura Interna Computador. Modelo simples de um processador

Overview Conceitos Informáticos

Sistemas Informáticos

SLIDES 2 (c) Paulo Marques

Estrutura Interna Computador

Input

Devices CPU DevicesOutput Memória

Primária

Memória Secundária

Arquitectura de von Neumann

O computador executa uma sequência de

instruções que actuam sobre dados.

Tanto as instruções como os dados encontram-se

em memória

ALU (Unidade Aritmética e Lógica) Unidade de Controlo Dispositivos de Entrada/Saída Memória Comandos de Controlo Comandos de Controlo Dados Dados Dados CPU

Fetch-Decode-Execute

Toda a arquitectura de von Neumann é baseada no ciclo

“fetch-decode-execute”

Em cada ciclo de relógio:

Vai-se buscar uma instrução à memória, de acordo com o valor do Program Counter (PC), colocando-se a mesma no Instruction Register (IR)

Descodifica-se a instrução, verificando-se o que é que esta deverá fazer

Executa-se a instrução propriamente dita (em IR)

Instructions Data A B C

Modelo simples de um processador

O processador contém a Unidade Aritmética e Lógica (ALU), e a Unidade de Controlo

Existem dois registos especiais: IR (contém a instrução a executar) e PC (o contador de programa).

Existem também registos de âmbito geral e registos especiais

Processador

ALU Unidade Controlo

IR: Instruction Register

PC: Program Counter R0: General Register 0 R1: General Register 0 … Memória BUS 00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13 …

John von Neumann (1903-1957)

Matemático brilhante, “inventor” do conceito de stored-program e pai do computador moderno

Na verdade, sabe-se que uma boa parte do trabalho foi feito pela equipa de JP Eckert (ENIAC), simplesmente von Neumann não colocou o nome dos outros autores no artigo original Desenhou a máquina IAS que se tornou o protótipo de virtualmente todos os computadores que se seguiram! Foi um dos homens a quem foi encarregue a construção da bomba atómica em Los Alamos

Para saber mais:

http://www-gap.dcs.st-and.ac.uk/~history/Mathematicians/Von_Neumann.html http://ei.cs.vt.edu/~history/VonNeumann.html

A importância do BUS

Front-side BUS

Hierarquia de memória

Princípio da localidade espacial:
Se eu acedi a estes dados, é

provável que aceda aos dados que estão próximos (e.g. uma imagem)

Princípio da localidade temporal:
Se eu acedi à pouco tempo a estes

dados, é provável que lhes vá aceder dentro de pouco tempo Registos

Cache Memória Central (RAM) Memória de Massa (Disco)

~128x 32bits ~512Kbyte ~512Mbyte ~60Gbyte Velocidade Preço Tamanho

Principais tipos de memórias num PC

ROM: Read-Only Memory

Memória apenas de leitura, programada de fábrica.

Os dados não desaparecem quando é desligada da corrente.

Tipicamente utilizada para implementar a BIOS (Basic Input Output System) nos computadores.

Hoje em dia, é tipicamente utilizada EEPROM – Electrical Erasable ROM

RAM: Random Access Memory

Memória de leitura e escrita, de acesso aleatório

É volátil: os dados desaparecem quando se desliga da corrente

Tipicamente utilizada para implementar a memória central dos computadores.

Existem muitas tecnologias: DDR, SDRAM, EDO...

Massa

Memória não volátil, de tecnologia mecânico-magnética

Utilizada para armazenamento de grandes quantidades de dados

O “cérebro” – O CPU (1)

Pentium 4 waffer Pentium 4 die,

42 milhões de transistores!

Lei de Moore

Apenas quatro anos após o circuito

integrado ter sido inventado, Moore disse

que:

“O número de transístores que a indústria

irá colocar num circuito integrado

duplicará todos os anos.”

A lei neste momento diz que são todos os

18 meses

!

A performance está directamente

relacionada com o número de

transístores num integrado (mas não só!)

Infelizmente, as outras partes dos

computadores (nomeadamente os discos),

não acompanham esta evolução.

Gordon E. Moore, Co-Fundador da Intel em 1968

Desempenho dos Processadores

Instruction Set = conjunto de instruções (Linguagem Máquina - seq. de 0s e 1s) que o processador pode interpretar e executar

Clock = gerador de impulsos (oscilador de cristal) que comanda o ritmo de funcionamentogerador de impulsos do processador

A cada impulso do Relógio, o processador inicia um ciclo de aquisição e execução de instruções.

Estas instruções estão armazenadas na memória principal. - algumas instruções podem ser executadas

num único ciclo do clock

- outras poderão exigir vários ciclos para serem concluídas

Medida falaciosa pois depende

não apenas do tipo da instrução mas também da arquitectura do processador

1 Megahertz = 1 milhão de impulsos por segundo

1 Megahertz = 1 milhão de impulsos por segundo

Unidades mais específica para avaliar o desempenho

de um processador

MIPS = Milhões de Instruções Inteiras por Segundo

MIPS = Milhões de Instruções Inteiras por Segundo

MFLOPS = Milhões de Instruções (Floating-Point) por Segundo

MFLOPS = Milhões de Instruções (Floating-Point) por Segundo

Uma Visão Sobre um

PC Moderno

Um exemplo: Compaq Presario 6640PT

Processador

Intel® Pentium® 4 – 2,4 GHz
Chipset Intel® i845GE
533MHz Velocidade de bus
512 KB de cache de nível 2 Memória
256 MB DDR-SDRAM 333MHz, em dois DIMMs Armazenamento

60 GB Unidade de disco rígido Ultra DMA (5400 rpm)
Unidade de DVD-ROM 16x + Gravador de CDs 48x 12x 48x
Unidade de disquete de 3,5” - 1,44 MB Video/Audio
ATI® Radeon™ 9000 c/ 64 MB de memória

Solução integrada de som

Comunicação
Modem V92 56 kbps
Interface de rede 10/100BT
Interface IEEE 1394 Acessórios
Teclado + Rato PS2
Ecrã plano de 17” Expansibilidade
5 baías de expansão
1 porta AGP
3 PCI (2 PCI livres)
6 portas USB 2.0 (2 frontais)
1 porta paralela
1 porta série (RS-232)
1 porta IEEE 1394
1 saída TV

Motherboard (ASUS P4S8X)

Motherboard

Encaixes para placas de expansão Encaixes para a memória RAM Encaixe para processador Memória ROM Conectores

Encaixes para unidades (drives) Encaixe para alimentação

Motherboard 101 – Periféricos

Ligação a periféricos

Rato e Teclado Portas USB Porta Série Porta Paralela Porta Firewire Rede FastEthernet Som

Motherboard 101 – CPU

CPU & Alimentação Heat sinks Pentium 4 + Heat sink + Fan Pentium 4

Motherboard 101 – Alimentação

Conector de Alimentação Conector de Alimentação de Dispositivos Conector de Alimentação da Motherboard

Motherboard 101 – Memória

Receptáculo dos módulos de memória Módulos de memória DDR

Motherboard 101 – Discos & CD-ROMS

Os PCs actuais trazem dois controladores de disco, um primário e um secundário. Cada um pode controlar dois discos: um master e um slave. Disco IDE Cabo de disco IDE Selecção Master/Slave

Motherboard 101 – Placa Gráfica

Slot AGP para a placa gráfica

Placa Gráfica

Motherboard 101 – Slots PCI

Slot de expansão

Interior de um Computador

Placa principal (Motherboard) Conectores das placas de expansão Fonte de alimentação Conectores on board Unidades (Drives) Cabos eléctricos Placas de expansão

O Resultado é…

Um PC!

Quiz: Que coisa é esta??

Currently the fastest machine on the face of the Earth

The Earth Simulator is a project to develop a 40 TFLOPS system for climate modeling. Currently it performs at

35.86 TFLOPS.

The ES is based on:

- 5,120 (640 8-way nodes) 500 MHz NEC CPUs - 8 GFLOPS per CPU (41 TFLOPS total) - 2 GB RAM per CPU (10 TB total) - Shared memory inside the node - 640 × 640 crossbar switch between the nodes - 16 GB/s inter-node bandwidth

Para saber mais...

Computer Science – An Overview

Capítulo 0

Capítulo 2 (2.1, 2.2, 2.3, 2.5)

How Stuff Works (http://computer.howstuffworks.com):

How PCs Work

How Microprocessors Work

How Motherboards Work

How Computer Memory Works

Informação Extra:

Arstechnica, The PC Enthusiast’s Resource: