Dos sistemas digitais aos computadores e aos ?Ps

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Dos sistemas digitais aos computadores e aos ?Ps

• Organização
• Arquitecturas pré- von Neumann
• O paradigma do programa residente em memória
• Sobre o uso da memória
• Arquitectura básica da unidade de processamento
  central
• Etapas elementares na execução de uma instrução
• O impacto da microelectrónica
• Conceitos básicos sobre os microprocessadores de
  8 bits

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Arquitecturas pré von Neumann

• Computadores electro-mecânicos
• Konrad Zuse (Z1 a Z3)
• Howard Aiken (Mark I)
• Computadores baseados em válvulas
• John Atanasoff e Clifford Berry (ABC)
• John P. Eckert e John W. Mauchly (ENIAC)

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Arquitecturas pré von Neumann O ENIAC

• Apresentado ao público em 1945, o ENIAC foi o
  primeiro computador electrónico (Electronic
  Numerical Integrator And Computer)

• As suas 18.000 válvulas permitiam-lhe executar
  5.000 adições por segundo (mas o recorde de
  funcionamento ininterrupto foi de apenas 20
  horas...)

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O paradigma do programa residente em memória

• Uma das principais desvantagens do ENIAC
  consistia no facto de a programação do computador
  ser efectuada por recablagem da sua unidade de
  controlo
• Foi ainda durante o desenvolvimento do ENIAC que
  o conceito de programa residente em memória tomou
  forma, com base no célebre documento de John von
  Neumann, First Draft of a Report on the EDVAC
  (que compilava o trabalho de um grupo de 32
  pessoas)

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A arquitectura de von Neumann

• As principais características da arquitectura
  proposta no First Draft of a Report on the EDVAC
  são as seguintes
• Usava o sistema binário para representar os
  dígitos
• Advogava o processamento em série, bit a bit
• Propunha que as operações a executar fossem
  armazenadas em memória, em vez de serem definidas
  pelo estabelecimento de ligações físicas

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John von Neumann (cont.)

• Nas arquitecturas de von Neumann,
• O programa a executar é definido pelo conjunto de
  instruções suportadas pela unidade de
  processamento central, sendo a introdução do
  programa em memória e a saída de resultados
  asseguradas pela unidade de E/S
• A execução do programa tem lugar pela repetição
  de um ciclo com as seguintes etapas i) leitura
  da instrução a executar, ii) obtenção dos
  operandos, iii) realização da operação e iv)
  armazenamento do resultado

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O uso da memória e o von Neumann bottleneck
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Ainda sobre o uso da memória

• Na apresentação anterior omitiram-se
  explicitamente vários pormenores

• Como são gerados os endereços?
• Como é que é indicado à ALU qual a operação a
  realizar em cada instante?
• Como é que se indica aos vários registos quando
  devem carregar um novo conteúdo?

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Ainda sobre o uso da memória (cont.)

• O CPU necessita por vezes de suspender
  temporariamente o programa principal, para
  executar um outro segmento de programa
• Quando se efectua a chamada a uma subrotina
• Quando um evento exterior requer a atenção do
  CPU
• Após esta suspensão, a execução do programa
  principal deve ser retomada no mesmo ponto (o que
  obriga naturalmente a guardar esta informação...)

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Ainda sobre o uso da memória (cont.)

• O programa principal só pode ser retomado no
  local onde foi suspenso se o endereço da
  instrução que iria ser executada a seguir for
  armazenado em memória (de leitura e escrita)
• À zona de memória que é usada para armazenar o
  endereço da instrução seguinte é dada a
  designação de stack (pilha)

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Arquitectura básica da UPC

• Para facilitar a nossa abordagem, começaremos por
  considerar a arquitectura mínima que nos permite a

execução de um programa residente em memória
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Arquitectura básica da UPC (cont.)

• Assumindo que se pretende apenas executar uma
  instrução que permita a carga de um operando em
  memória, deverá ser fácil concluir porque é que a
  arquitectura apresentada é de facto a mínima...

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Etapas elementares na execução de uma instrução

• Instrução LD R1,55H

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Etapas elementares (cont.)

• O diagrama de estados para a execução da
  instrução LD R1,55H tem uma correspondência
  directa com o seguinte diagrama temporal

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O impacto da microelectrónica

• Na época posterior aos computadores baseados em
  válvulas electrónicas, os principais marcos
  tecnológicos foram os seguintes
• 1947 O transístor (primeiro computador baseado
  em transístores NCR 304, em 1957)
• 1958O circuito integrado (primeiros computadores
  baseados em CI IBM System 360, DEC PDP-8, em
  1965)
• 1971 O microprocessador (primeiro computador
  baseado num microprocessador Micral, em 1973)

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O i4004 O primeiro microprocessador

• O Intel 4004 foi o primeiro microprocessador,
  tendo sido inventado por Ted Hoff (a quem tinha
  sido dado o encargo de projectar uma calculadora
  para uma firma Japonesa)
• Com 2.300 transístores, o i4004 baseava-se numa
  arquitectura de 4 bits e apresentava um custo
  unitário de 200 dólares (o i4004 não chegou no
  entanto a constituir o CPU de nenhum computador)

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Conceitos básicos sobre ?Ps de 8 bits

• Apesar das arquitecturas de 32 e 64 bits serem
  hoje em dia comuns, os componentes de 8 bits
  continuarão a existir por tempo indeterminado, já
  que
• Muitas aplicações (em particular em domínios com
  o controlo de máquinas, electrodomésticos, etc.)
  não obtêm benefícios de um maior número de bits
• Passar de 8 para 16 bits representa em princípio
  maior área de silício e maior número de pinos,
  logo maior custo, sendo que o baixo custo é
  fundamental para o sucesso

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Conceitos básicos sobre ?Ps de 8 bits (cont.)

• Repare-se que a arquitectura apresentada abaixo,
  face à arquitectura mínima analisada, acrescenta
  dois blocos o stack pointer e a ALU

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Transferência interna de dados

• Repare-se que o bloco acumulador é necessário
  para nos permitir aplicar às entradas da ALU os
  dois operandos em simultâneo, uma vez que temos
  apenas um barramento interno de dados

• Pela mesma razão, é necessário um registo para
  armazenar temporariamente o resultado

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Controlo de estado nas saídas dos registos

• A solução apresentada na transparência anterior
  requer que as saídas dos registos possam ser
  colocadas em terceiro estado, para garantir a
  inexistência de conflitos no acesso ao barramento

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A comunicação com o exterior

• A unidade de processamento central comunica com o
  exterior através de três barramentos
• Endereços, onde se especifica qual a posição (de
  memória ou E/S) a aceder
• Dados, pelo qual circula a informação de / para o
  CPU
• Controlo, que reúne as linhas que codificam o
  tipo de operações a executar (e.g. se o CPU
  pretende ler ou escrever na memória)

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A memória revisitada Subrotinas e interrupções

• Referimos já que a suspensão temporária do
  programa principal pode ocorrer em duas
  situações
• Por chamada a uma subrotina
• Por ocorrência de um evento assíncrono com a
  execução do programa principal, que o interrompe
  para poder ter a atenção do CPU
• A sequência de acções que tem lugar é no entanto
  idêntica em ambos os casos e será agora analisada

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Subrotinas e interrupções (cont.)

• A progressão na execução de um programa,
  temporariamente suspensa por uma das razões
  apontadas na transparência anterior, pode ser
  ilustrada como se apresenta à direita

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O uso da stack

• Assumindo que a stack cresce para baixo, o que
  nem sempre acontece, o seu uso começaria assim

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Conclusão

• Objectivo principal do capítulo Efectuar a ponte
  entre as duas alternativas principais de projecto
• Hardware dedicado (com funções pré-definidas ou
  DLP)
• Código residente em memória
• Pistas para a continuação do estudo
• Arquitectura de computadores (princípios gerais e
  evolução desde von Neumann)
• Impacto da tecnologia