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Microfundamento: Organização de Computadores, A FUNÇÃO E ESTRUTURA DE UM…

- - - - ORGANIZAÇÃO E ARQUITETURA DE COMPUTADORES
        
        O termo organização, refere-se às unidades funcionais (subsistemas) que compõem um computador e a forma como estão interconectados.
        
        Já o termo arquitetura refere-se, em princípio, aos atributos de projeto do computador do ponto de vista do programador e, portanto, têm impacto direto sobre a execução lógica de um programa.
        
        São atributos da organização de um computador:
        
        Os detalhes de implementação de hardware que são transparentes ao programador;
        
        A implementação do sistema de controle (sinais) que conduzem a execução das instruções;
        
        As interconexões em o computador e os periféricos;
        
        A tecnologia de memória utilizada.
        
        São atributos da arquitetura:
        
        O conjunto de instruções que o processador executa;
        
        O formato das instruções;
        
        As técnicas de endereçamento de memória;
        
        A representação dos vários tipos de dados pelas instruções.
      - ORGANIZAÇÃO BÁSICA DE UM COMPUTADOR DIGITAL – O MODELO DE VON NEUMANN
        
        O computador de Von Neumann consiste em sistema interligado por um barramento contendo uma CPU (ou processador), memória e alguns dispositivos de entrada e saída de dados.
        
        A CPU tem como função executar os programas armazenados na Memória Principal (MP), buscando as instruções, decodificando-as e executando-as, uma após a outra, sucessivamente.
        
        O barramento é um conjunto de conexões elétricas/lógicas que permite a transmissão de dados, endereços e sinais de controle, permitindo assim, a comunicação da CPU com a memória e com os dispositivos de Entrada e Saída (E/S).
        
        Os dispositivos de E/S permitem a comunicação do computador com o meio externo.
        
        Podemos resumir então que o computador é uma máquina que executa instruções simples armazenadas sequencialmente na memória principal.
    - - ESTRUTURA INTERNA DA CPU
        
        A CPU é composta por diversos componentes, entre eles destacam-se: os Registradores, a Unidade Lógica e Aritmética (ULA) e a Unidade de Controle (UC).
        
        A unidade de controle é responsável pela busca e identificação das instruções na memória, ela gera os sinais que permitem o controle das ações a serem realizadas pela CPU
        
        A ULA, por sua vez, realiza a execução das instruções pelo processador, assim, todas as operações lógicas e aritméticas necessárias à execução das instruções são de responsabilidade da ULA.
        
        Os registradores são utilizados para armazenamento temporário dos dados durante a execução das instruções, ou seja, os registradores são o local onde são armazenados os operandos das instruções.
      - CICLO DE EXECUÇÃO DE INSTRUÇÕES
        
        Ciclo de execução de uma instrução:
        
        Busca da Próxima instrução: a CPU busca o código de operação (opcode) da instrução na memória principal
        
        Decodificação da Instrução: o opcode armazenado no RI é interpretado internamente pela unidade de controle e os sinais de controle específicos são gerados, informando a ULA a operação a ser realizada.
        
        Busca dos Operandos: a UC busca os operandos da instrução, caso haja. Nesta fase pode haver então a realização da leitura dos operandos na memória por meio uso dos sinais do barramento do computador.
        
        Execução da Instrução: nesta fase a ULA executa a instrução previamente selecionada, Tendo como operandos os conteúdos dos registradores da entrada ULA.
        
        Volta ao passo 1: após o término da execução a instrução o processo se repete. A menos que encontre o término do programa.
    - - A existência de um subsistema de memória nos computadores é indispensável para construção dos chamados computadores digitais com programas armazenados (Von Neumann)
      - Pirâmide hierárquica de memória, que vai desde os registradores internos do processador, os quais são poucos, extremamente rápidos e caros, até os dispositivos de armazenamento secundário, tais como os discos magnéticos, que possuem capacidade de armazenamento em massa, de baixo custo e lentos em comparação aos registradores.
      - Registradores: Armazenam resultados temporários do processamento; Interno ao processador; Baixa capacidade de armazenamento e alta velocidade; Custo elevado
      - Memória cache: Pequena e rápida; Muito próxima a CPU, ou até mesmo integrada; Tem como objetivo melhorar o desempenho durante a execução de um programa; Mantém os dados e instruções mais utilizados durante a execução do programa
      - Memória Principal: Responsável por armazenar os programas (instruções) e os dadosde um computador; Em geral a CPU processa instruções que são obtidas na MP e os resultados são retornados à MP; É formada por um conjunto de células (ou posições) que armazenam uma palavra de memória; Todas as células têm a mesma quantidade de bits; Os números que identificam a posição da célula são chamados de endereços; A célula é a menor unidade endereçável da memória;
      - Tipos de memória principa:
        
        Memória ROM: Os dados não podem ser apagados ou alterados durante a execução do programa; Armazenam programas e dados que devem permanecer intactos mesmo depois do equipamento desligado
        
        Memória Secundária: Não possui acesso direto ao processador; Grande capacidade de armazenamento; Não é volátil; Baixo custo; Disco rígidos, pen drives, etc
        
        Memória RAM: Em geral é Volátil - os dados são apagados após desligar o computador; Os dados podem ser lidos e escritos (alterado) durante o processamento
    - - Em um sistema computacional os dispositivos de entrada e saída realizam a interface entre o computador e o meio externo, seja para possibilitar a entrada de dados e instruções na memória, quanto para exibir resultados no formato adequado ao usuário, ou mesmo para realização de comunicação com outros dispositivos eletrônicos.
      - Entrada: (inserção) de dados e programas na memória. teclado, mouses, etc
      - Saída: funçao de retorno de dados, apresentam o resultado de alguma operação executada. impressoras, monitores, etc
      - Geralmente a CPU não pode se comunicar diretamente com os periféricos, essa comunicação é feita por Interfaces ou Módulos de E/S. controlador de vídeo, controlador de rede
      - Há três tipos de operações de E/S:
        
        E/S programada: A CPU realiza diretamente as operações de E/S; O programa verifica os dispositivos de E/S e durante a comunicação não há outro processamento; Processo muito pouco eficiente
        
        E/S por interrupção: A interface de E/S quando necessário requisita a atenção da CPU; CPU fica livre para realizar outras tarefas; Processo mais eficiente que o anterior , mas ainda ssim a CPU fica ocupada durante toda a comunicação com o dispositivo de E/S
        
        E/S por Acesso Direto à Memória (DMA): Permite a transferência de dados entre os dispositivos e a memória sem envolver o processador; Requer uso de um controlador de DMA - dispositivo dedicado à operação de transferência de dados; A CPU é colocada em estado de alta impedância (fora do barramento); O acesso direto a memória (DMA) permite uma forma mais rápida de mover dados entre os dispositivos e a memória
- - - - Ao final da década de 60, começaram a surgir processadores com um conjunto de instruções maior e mais complexo. Esta classe de arquitetura de processadores é denominada de arquitetura CISC, que é a abreviação de Complex Instruction Set Computer ou Computador com um Conjunto Complexo de Instruções.
      - Os processadores implementados usando a filosofia de projeto CISC possuem um conjunto de instruções maior e mais complexo. Tais processadores possuem, por sua vez, um hardware mais complexo e, consequentemente, ciclo de execução de instrução mais lento.
      - Entretanto, ao final da década de 80 os processadores com um conjunto reduzido de instruções (RISC – Reduced Instruction Set Computer) voltaram a ser novamente construídos. Assim a arquitetura RISC teve como objetivo melhorar o desempenho dos processadores. Os processadores RISC possuem poucas instruções e somente instruções mais simples, isso permite um hardware menor, mais simples e consequentemente mais rápido, portanto, podendo trabalhar com sinais de clock de frequência mais altas.
      - RISC: Instruções dsimples, com tamanho e formatos fixos; Grande quantidade de registradores; Instruções executadas diretamente pelo hardware; Uso das instruções LOAD e STORE para acessar a memória; Operando das instruções estão no registrador; A complexidade está no compilador
      - CISC: Instruções complexas, com tamanhos e formatos variados; Poucos registradores; Uso de microprogramação para execução das instruções; Muitas instruções acessam a memória; Operando das instruções podem estar na memória; A complexidade está no microprograma
      - Atualmente a tendência é que os processadores sejam híbridos quanto a arquitetura, possuir características de ambas as arquiteturas
    - - O MIPS foi desenvolvido no começo dos anos 80, é um uma das arquiteturas precursora das arquiteturas RISC e atualmente é utilizado em microprocessadores populares encontrados em produtos de empresas como ATI Technologies, Broadcom, Cisco, NEC, Nintendo, Silicon Graphics, Sony, Texas Instruments, Toshiba, etc.
      - Como qualquer microprocessador de uso geral algumas classes de instruções que o MIPS executa são:
        
        Operações aritméticas;
        
        Operações lógicas;
        
        Operações relacionais;
        
        Transferência de dados;
        
        Desvios condicionais;
        
        Desvios incondicionais, entre outras.
      - MIPS 32 BITS: Tamanho de instruções de 32 bits; Palavras de dados de 32 bits; Possui 32 registradores de 32 bits; 3 formatos de instruções
      - Em muitos programas, o número de variáveis, ou tamanho das estruturas de dados, supera o espaço disponibilizado pelos registradores
      - Essas variáveis tem que ser alocadas na memória (principal) (STORE)
      - Valores na memória tem que ser transferidos para registradores (LOAD)
    - - A linguagem assembly ou é uma linguagem textual que facilita a compreensão e elaboração dos programas a serem executados pelo processador. Assim na linguagem assembly cada instrução é definida por um mnemônico especifico, tal como ADD, SUB, LW, SW, etc. Cada instrução em linguagem assembly está associada a uma instrução em linguagem de máquina, ou seja, a um código binário que o processador entende. Uma vez que um programa esteja escrito na linguagem assembly ele deve ser traduzido para o código binário na linguagem que o processador entenda. Por exemplo, no MIPS, cada instruções em linguagem assembly será traduzida para um código binário de 32 bits correspondente a cada formato da arquitetura do MIPS (Formato R, I e J discutidos na sessão anterior).
      - A seguir nós apresentaremos exemplos de instruções em linguagem assembly para as principais classes de instruções do MIPS:
        
        Instruções aritméticas (add, sub, addi etc.);
        
        Instruções lógicas (and, or, andi, etc.);
        
        Instruções de uso da memória (lw, sw, sb, etc.) e
        
        Instruções e de controle de fluxo (j, beq, blt, etc).
  - - - O pipeline é uma técnica de execução de instruções que possibilita ao processador trabalhar simultaneamente na execução de diversas instruções, executando uma fase diferente para cada instrução ao mesmo tempo, semelhante a uma linha de montagem em uma planta industrial.
      - Pipeline melhora o throughput de instruções (número de instruções executadas por unidade de tempo), entretanto não reduz o tempo de execução de uma instrução;
        
        Há um aumento no custo da implementação;
        
        Existe algum atraso entre estágios;
        
        Há atrasos no processo de esvaziamento do pipeline quando ocorre situações onde a próxima instrução não pode ser executada (Hazards: estrutural, dados e controle)
    - - O paralelismo é um meio de se obter um aumento desempenho sem aumentar a velocidade do clock do processador. Existem 2 modalidades gerais de paralelismo:
        
        1) Paralelismo em nível de instrução: aqui o paralelismo é explorado dentro de instruções individuais com o objetivo de obter uma maior taxa de execução de instruções por segundo. Uma técnica bastante utilizada para alcançar o paralelismo em nível de instruções é o uso de pipeline.
        
        2) Paralelismo em nível de processador: caracteriza-se pelo uso de vários processadores trabalhando juntos para resolução de um problema.
      - Existem 2 abordagens típicas para o paralelismo em nível de instrução:
        
        Superpipeline:
        
        Baseada na divisão de estágios de um pipeline em subestágios, ou seja, o pipeline torna-se mais longo e, portanto, assim aumenta-se o número de instruções que são suportadas pelo pipeline em um dado momento;
        
        O superpipeline usa estágios cada vez mais minuciosos, o que aumenta a possibilidade de mais instruções estarem no pipeline ao mesmo tempo;
        
        Entretanto com o superpipeline há uma sobrecarga associada a transferência da instrução de um estágio para outro
        
        Superescalar:
        
        Arquiteturas de processadores superescalares exploram o paralelismo e instrução por meio do uso de múltiplas unidades funcionais independentes que permitem despachar simultaneamente mais de uma instrução por ciclo;
        
        Esta reapllicação dos componentes internos do processador, permite assim colocar várias instruções em cada estágio do pipeline;
        
        Em resumo elas permitem que as instruções possam estar executando no mesmo estágio do pipelining (em linhas pipelining diferentes). Assim, elas têm a habilidade de iniciarem múltiplas instruções no mesmo ciclo de clock.
    - - O paralelismo em nível de instrução tem os seus limites:
        
        Não se pode aumentar indefinidamente a frequência de operação dos processadores;
        
        Limitação da miniaturização dos circuitos integrados;
        
        Dissipação do calor gerado
      - Existem diversos problemas que envolvem cálculos regulares, ou seja, os mesmos cálculos devem ser efetuados em conjuntos diferentes de dados, ao mesmo tempo.
      - 2 metódos de computação paralela são utilizados:
        
        Computadores SIMD (Single Instuction, Multiple Data) - Grande números de processadores idênticos executando a mesma operação
        
        Computadores vetoriais - Única unidade funcional vetorial (ULA e registradores Vetoriais)
      - Multiprocessadores:
        
        O primeiro sistema paralelo com CPUs completas;
        
        Sistema com duas ou mais CPUs;
        
        Compartilham memória pricipal;
        
        Necessidade de coordenação de acesso à memória;
        
        Processadores fortemente acoplados;
        
        Esquemas de implementação:
        6,1. Barramento Único: várias CPUs e 1 memória compartilhada;
        6,2. Memórias Locais: cada processador possui também uma memória local
      - Multicomputadores:
        
        Permite a construção de máquinas com uma grande quantidade de processadores conectados;
        
        Comunicação por troca de mensagens;
        
        Processadores fracamente acoplados;
        
        A interconexão entre os computadores geralmente possui topologias em malha 2D, 3D, anel, estrela, etc.