Arquitetura 8 1 - 2012.2

ArquiteturaeorganizaçãodeComputadores
Funções de cada Componente de um Computador 1
Arquitetura e Organização deArquitetura e Organização de
ComputadoresComputadores
Funções de cada Componente de um
Computador

Sumário
• Registradores
• Memória Cache
• Memória principal
• Os computadores não pensam
• Unidade Central de Processamento
• Barramentos e interfaces

Funções de cada Componente de
um Computador - Memória
Registradores
• São dispositivos de armazenamento temporário,
localizados na UCP, extremamente rápidos, com
capacidade para apenas um dado (uma palavra).
• Devido a sua tecnologia de construção e por estar
localizado como parte da própria pastilha ("chip") da UCP,
é muito caro.
• O conceito de registrador surgiu da necessidade da UCP de
armazenar temporariamente dados intermediários durante
um processamento.
• Por exemplo, quando um dado resultado de operação
precisa ser armazenado até que o resultado de uma busca
da memória esteja disponível para com ele realizar uma
nova operação.

Registradores
• Analisando os diversos parâmetros que caracterizam as memórias,
temos:
• Tempo de acesso: possuem o menor tempo de acesso a memória
do sistema, algo em torno de 10 a 20 nanossegundos, dependendo
de tratar-se da UCP de um supercomputador ou de um
microprocessador mais lento.
• Capacidade: são fabricadas com a capacidade de armazenar um
único dado, umas únicas instruções ou até um único endereço. Desta
forma, a quantidade de bits de cada um é de uns poucos bits (de 8 a
64), dependendo do tipo de processador.
• Volatilidade: são memórias semicondutoras, portanto, necessitam
de energia elétrica para funcionarem.
• Temporariedade: os registradores são memórias auxiliares internas
à UCP e, portanto, tendem a guardar informações o mais
temporariamente possível.
• Custo: devido à tecnologia mais avançada de sua fabricação, os
registradores são os dispositivos de memória de maior custo.

Memória Cache
• Com o desenvolvimento da tecnologia de construção da
UCP, as velocidades foram ficando muito mais altas que as
das memórias, que não tiveram a mesma evolução de
velocidade (o aperfeiçoamento das memórias se deu mais
no fator capacidade).
• Desta forma, os tempos de acesso às memórias foram
ficando insatisfatórios e a UCP ao buscar um dado na
memória precisa ficar esperando muitos ciclos até que a
memória retorne o dado buscado ("wait states"),
configurando um gargalo ("bottleneck") no desempenho do
sistema.
• Por esse motivo, desenvolveram-se outras arquiteturas de
memória privilegiando a velocidade de acesso.

Memória Cache
• A arquitetura da memória cache é muito diferente da
arquitetura da memória principal e o acesso a ela é muitas
vezes mais rápido (p.ex: 5 ns contra 70 ns).
• No entanto, o custo de fabricação da memória cache é
muito maior que o da MP.
• Desta forma, não é econômico construir um computador
somente com tecnologia de memória cache.
• Criou-se então um artifício, incorporando-se ao
computador uma pequena porção de memória cache,
localizada entre a UCP e a MP, e que funciona como um
espelho de parte da MP.

Memória Cache
• A memória cache opera em função de um princípio estatístico
comprovado: em geral, os programas tendem a referenciar
várias vezes pequenos trechos de programas, como loops,
sub-rotinas, funções e só tem sentido porque programas
executados linearmente, seqüencialmente, são raros.
• Desta forma, algoritmos (chamados algoritmos de cache)
podem controlar qual parte do código ficará copiado na cache,
a cada momento.
• Quando a MP busca um determinado trecho de código e o
encontra na cache, dá-se um "cache hit”, enquanto se o dado
não estiver presente na cache será necessário requisitar o
mesmo à MP, acarretando atraso no processamento e dá-se
um "cache miss" ou "cache fault".
• O índice de cache hit ou taxa de acerto da cache é geralmente
acima de 90%.

Memória Cache
• Características:
• Tempo de acesso: tendo em vista que a UCP acessa
primeiro a memória cache, para buscar a informação
requerida, possuem tempo de acesso entre 5 e 25 ns.
• Capacidade: os valores típicos de memória cache oscilam
entre 512 K a 2 M em máquinas de grande porte e em
máquinas tipo microcomputador de 512 K a 1 M.
• Volatilidade: são dispositivos constituídos de circuitos
eletrônicos, logo requerem energia elétrica para seu
funcionamento.
• Temporariedade: devido a seu tamanho não ser grande e
ser utilizada por todos os programas em execução, há a
necessidade de alteração periódica da informação armazenada
para permitir entrada de novas informações.
• Custo: o custo de fabricação das memórias cache é alto.

Memória Cache
• Como a CACHE é vantajosa em termos de velocidade de acesso, um
pouco dela é inserido no sistema, seja na placa-mãe e, em alguns casos,
até mesmo dentro da pastilha do microprocessador.
• Existem dois níveis de cache dentro de um computador.
• O nível L1 fica dentro do processador e encarrega-se de agilizar a
execução do microcódigo, que é um programa que fica executando dentro
da UCP, fazendo-a reconhecer as instruções dos programas que usamos.
• O outro nível de cache é conhecido por L2. Pode vir dentro da pastilha do
microprocessador e ser complementado por mais alguns circuitos
integrados da placa-mãe. A função deste tipo de cache é tornar mais
rápido o resgate e a gravação de informações de programas do usuário
na memória RAM.
• Mas não se pode inserir memória cache em quantidade aleatória para
ganhar desempenho. Existe um limite prático para cada arquitetura. Hoje
se tem 1 ou 2 gigabytes de RAM e usa-se normalmente 1 megabyte de
cache.
• Estudos mostram que não adianta fazer a cache tão grande, pois o ganho
de desempenho torna-se imperceptível com o aumento desse tipo de
memória.
• No padrão atual, estima-se que mais que 8MB de cache seria desperdício
de dinheiro e de memória.

Políticas de Substituição
• Quando a cache está cheia e precisa ter seus dados substituídos uma
atitude deve ser tomada: escolher quem sai da cache e quem
permanece. Nesse momento faz-se necessário usar um dos métodos
de substituição de páginas da cache:
• Random : A substituição é feita sem critério de seleção definido. Os
blocos são escolhidos aleatoriamente. Isso pode levar a sérios
problemas de desempenho, pois a vítima escolhida pode ser aquele
dado crucial para o funcionamento do programa.
• LRU (Least Recently Used): Menor taxa de faltas - substitui aquele
bloco que tem estado na cache por mais tempo sem ser usado pelo
programa.
• FIFO(First in First out): Substitui aquele bloco no conjunto que
tem estado na cache por mais tempo. É o critério de fila estudado em
Estruturas de Dados. Porém esse método pode não ser o mais justo,
tendo em vista que o dado pode estar há muito tempo na cache e ser
também aquele mais acessado pelo programa.
• LFU(Least Frequently Used): Substitui aquele bloco dentro do
conjunto que tem sido menos referenciado na cache. LFU pode ser
implementado associando-se um contador a cada slot da cache. Além
de ser um dos métodos mais justos de substituição, juntamente com
o LRU.

Como a cache trata as escritas
• Quando a UCP busca um dado na cache e altera-o uma atitude deve ser tomada
para garantir que este dado novo seja escrito em RAM, mas escrever na RAM pode
degradar o desempenho do sistema. Portanto os sistemas deixam duas opções de
configuração de escrita de cache. Normalmente essas opções estão disponíveis no
programa da BIOS de seu PC, conhecido como SETUP. Eis as opções com os
respectivos efeitos:
•
• Write through - Essa técnica faz com que toda operação de escrita na memória
principal seja feita também na cache, assegurando que os dados na memória
principal são sempre válidos. A principal desvantagem desse método é o acréscimo
no tráfego de memória que pode gerar engarrafamento, além de degradar o
desempenho geral do sistema.
•
• Write back - Essa técnica reduz escrita na memória. Atualizações ocorrem apenas
na cache. Quando uma atualização ocorre, um bit UPDATE associado com o slot de
memória é ligado. Quando um bloco é substituído, e este bit está ligado, o conteúdo
da cache é gravado de volta na memória principal. O problema é que com a escrita
de volta (“write back”) na memória principal, parte da memória principal continuará
desatualizada até que haja uma nova atualização da cache. Isso pode complicar
operações de entrada e saída que sejam feitas diretamente na RAM, conhecidas
como operações de DMA (Acesso Direto a Memória).

Memória Principal ou RAM
• Uma das principais características definidas no projeto de arquitetura
do sistema de Von Neumann, o qual se constitui na primeira geração
de computadores, consistia no fato de ser uma máquina “de
programa armazenado”.
• O fato de as instruções, uma após a outra, poderem ser
imediatamente acessadas pela UCP é o que garante o automatismo
do sistema e aumenta a velocidade de execução dos programas.
• Tempo de acesso: possuem tempo de acesso entre 50 ns e 150 ns.
• Capacidade: os valores típicos para microcomputadores, estão na
faixa de 1 a 4 GB.
• Volatilidade: sendo construído com semicondutores e circuitos
eletrônicos correlatos, este tipo de memória também é volátil.
• Temporalidade: para que um programa seja executado é
necessário que ele seja armazenado na memória principal.
Atualmente esta afirmação é parcialmente verdadeira, visto que não
é mais necessário que o programa completo esteja na MP, e sim
armazenada, apenas, a instrução que será acessada pela UCP. No
entanto, a transitoriedade com que as informações permanecem
armazenadas na MP é, em geral, mais duradoura que na memória
cache e registradores.

Memória Secundária
• Memórias secundárias resolvem problemas de armazenamento de grandes
quantidades de informações.
• A capacidade da MP é limitada pelo seu relativamente alto custo, enquanto as
memórias secundárias têm maior capacidade e menor custo; portanto, o custo por
bit armazenado é muito menor.
• Outra vantagem importante é que as memórias secundárias não são VOLÁTEIS, isto
é, não dependem de estar energizadas para manter gravado seu conteúdo.
• Os principais dispositivos de memória auxiliar são: discos rígidos (ou HD),
pendrives, unidades de fita, CD-ROM, DVD, unidades ótico-magnéticas, etc.
• Tempo de acesso: os valores típicos para disco rígidos são na faixa de 10 a 40 ms.
Discos do tipo CD-ROM trabalham com tempos de acesso ainda maiores, na faixa de
200 a 500 ms, enquanto as fitas magnéticas são ainda mais lentas, podendo ler um
arquivo em tempos da ordem de segundos.
• Capacidade: uma das características que coloca a memória secundária na base da
pirâmide é justamente sua grande capacidade de armazenamento. Discos rígidos de
microcomputadores podem, atualmente, ser encontrados com capacidade de 300,
500 Gbytes, 1 TB, etc. Pendrives têm capacidades a partir de 4 Gbytes. Os CD-ROM
têm capacidade de 650 Mbytes. Os DVD podem atingir até 50GB de capacidade
dependendo do tipo de gravação utilizada.
• Volatilidade: as informações não desaparecem com a falta de energia elétrica,
logo não são voláteis.
• Temporariedade: têm caráter permanente, ou pelo menos, de longo período de
armazenagem.

Computador - MEMÓRIA PRINCIPAL
Memória Principal
• Essa é a memória considerada principal em qualquer sistema de
computação.
• De tão importante, chega a tornar algumas arquiteturas
incompatíveis entre si.
• Devido à forma de organização de memória, alguns computadores
lêem o byte a partir do bit de mais alta ordem, outros lêem a partir
do bit de mais baixa ordem.
• Isso significa, na prática, como se um sistema lesse o byte da
esquerda para a direita e o outro pelo caminho inverso, o que torna
claro que esses dois tipos de sistemas não conseguem se entender.
• A memória RAM do computador também é conhecida como RAM
Dinâmica, pois seu funcionamento é baseado em flip-flops, que
precisam de realimentação constante. Essa necessidade desse tipo
de circuito dá a característica dinâmica desse tipo de memória.
• Nos sistemas atuais também é comum haver uma via de acesso
privativa entre a UCP e a RAM, conhecida como barramento de
memória ou barramento local.

Estrutura da Memória Principal – Células
e Endereços
• Se uma memória tem n células o sistema de endereçamento numera
as células sequencialmente a partir de zero até n-1, sendo que esses
endereços são fixos e representados por números binários.
• A quantidade de bits em um endereço está relacionada à máxima
quantidade de células endereçáveis. Por exemplo, se um endereço
possui m bits o número máximo de células diretamente endereçáveis
é 2m.
• A maioria dos fabricantes de computador padronizaram o tamanho
da célula em 8 bits (1 Byte). Bytes são agrupados em palavras, ou
seja, a um grupo de bytes (2, 4, 6, 8 Bytes) é associado um
endereço particular. O significado de uma palavra é que a maioria
das instruções opera em palavras inteiras.
• Algumas arquiteturas como os PCs organizam as células de memória
em segmentos e offsets. Esse padrão ajuda a ter maiores
possibilidades de instalação e uso de mais espaço de memória.

Estrutura da Memória Principal – Células e
Endereços
• Célula: é a unidade de armazenamento do computador. A
memória principal é organizada em células. Célula é a
menor unidade da memória que pode ser endereçada (não
é possível buscar uma "parte" da célula) e tem um
tamanho fixo (para cada máquina).
• As memórias são compostas de um determinado número
de células ou posições. Cada célula é composta de um
determinado número de bits.
• Todas as células de um dado computador têm o mesmo
tamanho, isto é, todas as células daquele computador
terão o mesmo número de bits.

Estrutura da Memória
Principal – Células e
Endereços
• Cada célula é identificada por um
endereço único, pela qual é
referenciada pelo sistema e pelos
programas. As células são
numeradas seqüencialmente, uma a
uma, de 0 a (N-1), chamado o
endereço da célula.
• Endereço: é o localizador da célula,
que permite identificar univocamente
uma célula. Assim, cada célula
pode ser identificada pelo seu
endereço.

Estrutura da Memória Principal – Células e Endereços
• Unidade de transferência é a quantidade de bits que é transferida da
memória em uma única operação de leitura ou transferida para a
memória em uma única operação de escrita. O tamanho da célula poderia
ser igual ao da palavra, e também à unidade de transferência, porém por
razões técnicas e de custo, são freqüentemente diferentes.
• Palavra: é a unidade de processamento da UCP. Uma palavra deve
representar um dado ou uma instrução, que poderia ser processada,
armazenada ou transferida em uma única operação.
No entanto, em geral não é assim que acontece e os computadores
comerciais não seguem um padrão único para a organização da UCP e MP.
Computadores comerciais (tais como, por exemplo, os baseados nos
processadores Intel 486) podem ter o tamanho da palavra definido como
de 32 bits, porém sua estrutura de memória tem células de 16 bits.
•
• A estrutura da memória principal é um problema do projeto de hardware:
- mais endereços com células menores ou
- menos endereços com células maiores?
- O tamanho mais comum de célula era 8 bits (1 byte); hoje já são
comuns células contendo vários bytes.

Estrutura da Memória Principal – Células e
Endereços
• Número de bits para representar um endereço - Expressão geral: MP
com endereços de 0 a (N-1).
N = 2x
• sendo x = nº de bits para representar um endereço e N o número de
endereços
• Capacidade da Memória Principal - A capacidade da MP em bits é igual
ao produto do nº de células pelo total de bits por célula.
T = N x M
• T = capacidade da memória em bits
• N = nº de endereços (como vimos anteriormente, N=2x sendo x = nº de
bits do endereço)
• M = nº de bits de cada célula
• Para encontrar a capacidade em bytes, bastaria encontrar a capacidade
em bits e depois multiplicar por 8 (cada byte contém 8 bits) ou então
converter o tamanho da célula para bytes e depois multiplicar pelo
número de células.

Operações com Memória Principal
• É possível realizar duas operações em uma memória:
– escrita (“write”) – armazenar informação na memória;
– leitura (“read”) – recuperar uma informação armazenada na memória.
• A operação de leitura não destrói o conteúdo da memória,
ela apenas providencia a transferência de uma cópia do
que está armazenado, enquanto a informação desejada
continua armazenada.
• Somente a operação de escrita é destrutiva.

Computador - Agente Secreto 89
• O Agente Secreto 89 está tentando descobrir quantos dias
faltam para um certo líder mundial ser assassinado.
• O seu contato lhe diz que esta informação está localizada
em uma série de caixas postais.
• Para assegurar que ninguém mais tenha acesso à
informação, ela está espalhada em 10 caixas. O seu
contato lhe dá as 10 chaves, acompanhadas das seguintes
instruções:
1. A informação em cada caixa está escrita em código
2. Abra a caixa 1, primeiro, e execute a instrução lá localizada.
3. Continue pelo restante das caixas, em seqüência, salvo instrução em
contrário.
4. Uma das caixas está preparada para ser explodida ao ser aberta.
• O Agente Secreto 89 pega as 10 chaves e vai para a
agência do correio, com o livro de códigos em mãos.

• A Tabela abaixo mostra os conteúdos das 10 caixas de
correio, depois de terem sido decodificados. Suponha que
você é o Agente Secreto 89; comece pela caixa 1 e
percorra a seqüência das operações para encontrar o
número de dias que faltam para a tentativa de
assassinato.

• Se você procedeu corretamente, você deve ter terminado na caixa 6, com
uma resposta igual a 17.
• Se você cometeu algum erro, você pode ter aberto a caixa 7, não estando
mais conosco, neste caso.
• À medida que você passou pela seqüência de operações, você duplicou,
essencialmente, os tipos de operações e encontrou muito dos conceitos
que fazem parte de um computador.
• As caixas postais são como a memória em um computador, onde são
armazenados instruções e dados. As caixas postais de 1 a 6 contêm
instruções a serem executadas pelo agente secreto, e as caixas de 8 a 10
contém os dados referenciados pelas instruções (o conteúdo da caixa 7,
pelo que sabemos, não tem equivalente em computadores). Os números
de cada caixa são os endereços das locações na memória.
• Três classes diferentes de instruções estão presentes nas caixas de 1 a 6.
As caixas 1, 2, 3 e 5 são instruções que “chamam” operações aritméticas.
A caixa 4 contém uma instrução de decisão, chamada de desvio
condicional. Esta instrução diz ao agente (ou computador) para decidir se
pula para o endereço 7 ou continua para o endereço 5, dependendo do
resultado da operação aritmética anterior. A caixa 6 contém uma simples
instrução de controle que não precisa de dados, nem faz referência a
outro endereço (número de caixa). Essa instrução, pare, diz ao agente
que o problema está terminado (o programa está completado) e que não
deve continuar adiante.

• Cada uma das operações aritméticas e de desvio condicional consiste
em duas partes – uma operação e um endereço.
• Por exemplo, a primeira parte da primeira instrução especifica a
operação de adição.
• A segunda parte dá o endereço (caixa 9) dos dados a serem usados
na adição.
• Estes dados são, usualmente, chamados de operandos e seu
endereço é chamado de endereço de operando.
• A instrução na caixa 5 é um caso especial em que não há
especificação de endereço de operando.
• Em vez disso, o operando (dado) a ser usado na operação de
subtração é incluído como parte da instrução.
• Um computador, assim como o agente secreto, decodifica e, então,
executa as instruções armazenadas na memória, seqüencialmente,
começando pela primeira locação.
• As instruções são executadas na ordem, a não ser que algum tipo de
instrução de desvio (como a caixa 4) cause desvio, ou pulo, para um
novo endereço para obter a próxima instrução.
• Uma vez ocorrido o desvio, as instruções são executadas
seqüencialmente, começando do novo endereço.

Computador - UNIDADE CENTRAL DE
PROCESSAMENTO
• Toda Unidade Central de Processamento (UCP ou CPU) faz
sempre a mesma coisa desde que é energizada até ser
desligada, fica sempre buscando a próxima instrução a ser
executada.
• Caso exista alguma “na vez” esta é decodificada, seja pelo
microprograma no caso dos computadores CISC (Conjunto
Completo de Instruções) ou pelos circuitos especializados no
caso do RISC (Conjunto Reduzido de Instruções).
• Os microprocessadores atuais são compostos de: ULA –
Unidade Lógico-Aritmética, UC – Unidade de Controle, MAR –
Registrador de Endereço de Memória, MBR – Registrador de
Bloco de Memória, PC – Contador de Programas,
Registradores de Uso Geral e outros componentes.
• No princípio, a maioria desses componentes ficavam
separados na placa-mãe, daí a necessidade de os
computadores que seguem o padrão Von Newmann fazerem
cópias de dados e endereços para dentro da UCP durante o
processamento.

PROCESSAMENTO
• A função da UCP consiste em:
•
• Buscar uma instrução na memória (operação de
leitura), uma de cada vez;
• Interpretar que operação a instrução está
explicitando (pode ser soma de dois números, uma
multiplicação, uma operação de entrada ou de saída
de dados, ou ainda uma operação de movimentação
de um dado de uma célula para outra);
• Buscar os dados onde estiverem armazenados, para
trazê-los até a UCP;
• Executar efetivamente a operação com os dados,
guardar o resultado (se houver algum) no local
definido na instrução; e, finalmente;
• Reiniciar o processo apanhando nova instrução.Estas
etapas compõem o que se denomina um ciclo de
instrução. Este ciclo se repete indefinidamente (ver
Figura 5.8) até que o sistema seja desligado, ou
ocorra algum tipo de erro, ou seja, encontrada uma
instrução de parada.

PROCESSAMENTO
• As atividades realizadas pela UCP podem ser divididas em duas
grandes categorias funcionais:
• 1) Função processamento - Vimos que processamento de dados é
a ação de manipular um ou mais valores (dados) em certa seqüência
de ações, de modo a produzir um resultado útil. O resultado muda
conforme o tipo de operação realizada. Por exemplo, se uma
instrução define que deve ser realizada uma operação de adição
sobre os valores A = 5 e B = 3, o sistema, ao interpretar a instrução,
gera as ações subseqüentes que redundarão no resultado igual a 5+3
= 8. Por outro lado, se o sistema interpretar uma outra instrução que
define a operação de subtração, ele deve gerar outras ações de modo
que o resultado seja 5-3 = 2 (e não mais 8).
• Processar o dado é executar com ele uma ação que produza algum
tipo de resultado.
• Este é, pois, a atividade-fim do sistema; ele existe para processar
dados.
• O dispositivo principal desta área de atividade de uma UCP é
chamado ULA – Unidade Lógica e Aritmética. Os demais
componentes relacionados com a função processamento são os
registradores, que servem para armazenar dados (ou para guardar
resultados) a ser usados pela ULA. A interligação entre estes
componentes é efetuada pelo barramento interno da UCP.

PROCESSAMENTO
• 2) Função controle - A área de controle de uma UCP é a parte funcional
que realiza (uma etapa de cada vez, em sistema de execução serial, ou
várias etapas simultaneamente, em sistemas de execução “pipelining”) as
atividades de:
• a) Busca de instrução que será executada, armazenando-a em um
registrador especialmente projetado para esta finalidade;
• b) Interpretação das ações a serem desencadeadas com a execução da
instrução (se é uma soma, uma subtração, uma complementação, etc.); e
• c) Geração de sinais de controle apropriado para ativação requerida para
a execução propriamente dita da instrução identificada. Esses sinais de
controle são enviados aos diversos componentes do sistema, sejam
internos da UCP (como a ULA) ou externos (como a memória ou E/S).
•
• Em outras palavras, a área de controle é projetada para entender o que
fazer, como fazer e comandar quem vai fazer no momento adequado.
• Podemos fazer uma analogia com os seres humanos, imaginando que a
área de controle é o cérebro que comanda o ato de andar.
• As áreas do processamento são os músculos e ossos das pessoas que
realizam efetivamente o ato.
• Os nervos são análogos ao barramento de interligação entre os diversos
elementos.

Arquitetura 8 1 - 2012.2

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