Arquitetura Von Newmann
-
Upload
alvaro-junior -
Category
Documents
-
view
59 -
download
0
Transcript of Arquitetura Von Newmann
![Page 1: Arquitetura Von Newmann](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062312/5571fb3d4979599169945346/html5/thumbnails/1.jpg)
Organização de Computadores 1
3 3 –– ARQUITETURA DE VON NEUMANN ARQUITETURA DE VON NEUMANN E DESEMPENHO DE COMPUTADORESE DESEMPENHO DE COMPUTADORES
Prof. Luiz Gustavo A. Martins
![Page 2: Arquitetura Von Newmann](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062312/5571fb3d4979599169945346/html5/thumbnails/2.jpg)
Tipos de ArquiteturaArquiteturaArquitetura de von Neumann:de von Neumann:
Conceito de programa armazenadoprograma armazenado;Dados e instruções armazenados em uma única memória de leitura e escrita.
EndereEndereççamentoamento da memória por posipor posiççãoão e não pelo tipo;ExecuExecuçção seqão seqüüencialencial de instrude instruççõesões; eÚÚnico caminhonico caminho entre mementre memóória e CPUria e CPU.
ArquiteturaArquitetura de Harvard:de Harvard:Variação da arquitura de von Neumann.BarramentosBarramentos separadosseparados parapara instruinstruççõesões e dadose dados.Termo originado dos computadores Mark I a Mark IV
Memórias separadas para dados e instruções.
![Page 3: Arquitetura Von Newmann](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062312/5571fb3d4979599169945346/html5/thumbnails/3.jpg)
Outras ArquiteturasExemplosExemplos de de arquiteturasarquiteturas nãonão--von Neumann:von Neumann:
MMááquinasquinas paralelasparalelas::VVááriasrias unidadesunidades de de processamentoprocessamento executando programas de forma cooperativacooperativa.Podem ser controladas de forma centralizada ou não.
MMááquinasquinas de de fluxofluxo de dados:de dados:NãoNão executamexecutam instruinstruççõesões de um programa.Realizam operações de acordo com a disponibilidadedisponibilidade dos dadosdos dados envolvidos.
RedesRedes neuraisneurais artificiaisartificiais::NãoNão executamexecutam instruinstruççõesões de um programa.Resultados são gerados a partir de respostasrespostas a a estestíímulosmulos de de entradaentrada.
ProcessadoresProcessadores sistsistóólicoslicos (VLSI):(VLSI):ResultadoResultado dependente da organizaorganizaççãoão dasdas ccéélulaslulas de processamento.ProcessamentoProcessamento ocorre pela passagempassagem de dadosde dados pelopelo arranjoarranjo de células
Execução de operações básicas.
![Page 4: Arquitetura Von Newmann](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062312/5571fb3d4979599169945346/html5/thumbnails/4.jpg)
Arquitetura de von Newmann
CComponentes estruturaisomponentes estruturais (computadores atuais):(computadores atuais):
MemMemóóriaria
RegistradoresRegistradores
Unidade de ControleUnidade de Controle
UnidadeUnidadeLLóógica egica e
AritmAritmééticaticaPCSistemaSistemade E/Sde E/S
Unidade de ProcessamentoUnidade de ProcessamentoCentral (CPU)Central (CPU)
Sistema de Interconexão (Sistema de Interconexão (BarramentoBarramento))
![Page 5: Arquitetura Von Newmann](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062312/5571fb3d4979599169945346/html5/thumbnails/5.jpg)
CPU:CPU:“Cérebro” do computador.Busca, interpreta e executaBusca, interpreta e executa as instruções.ControlaControla os demais componentes.
MemMemóória:ria:ArmazenamentoArmazenamento de dados e instruções.
Sistema de E/S:Sistema de E/S:ComunicaComunicaçção externaão externa (ambiente operacional).
Sistema de interconexão:Sistema de interconexão:ComunicaComunicaçção internaão interna (entre os componentes).
Arquitetura de von Neumann
![Page 6: Arquitetura Von Newmann](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062312/5571fb3d4979599169945346/html5/thumbnails/6.jpg)
Processadores:Processadores:CPU, controladores e co-processadores.Possuem conjunto de instruconjunto de instruççõesões operando sobre instruinstruçções e ões e dadosdados organizados em palavraspalavras.
CPU: instruções de propósito geralCo-processadores: instruções especializadas
MemMemóórias:rias:2 subsistemas: memmemóória internaria interna e memmemóória externaria externa.CustoCusto está diretamente relacionado à sua capacidadecapacidade de armazenamento e à sua velocidadevelocidade de operação.
Dispositivos de E/S:Dispositivos de E/S:São conversores de representaconversores de representaçção fão fíísica de dadossica de dados.LentosLentos em relação aos processadores.
Meios de Interconexão:Meios de Interconexão:Estabelecem a comunicacomunicaçção entre os componentesão entre os componentes através de barramentosbarramentos e e slotsslots sob seu controle.Problema crProblema críítico:tico: disputa pelo usodisputa pelo uso dos recursos compartilhados.
Componentes do computador
![Page 7: Arquitetura Von Newmann](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062312/5571fb3d4979599169945346/html5/thumbnails/7.jpg)
Lei de Moore (1967)
Relacionada com o aumentoaumento dada densidadedensidade de de componentescomponentes em um chip.
PrevisõesPrevisões de Moore:de Moore:Nº de transistores dobra a cada ano.
A partir de 1970 isto ocorre a cada 18 meses.Custo do chip permanecerá o mesmo.VantagensVantagens::
Redução das necessidades de potência elétrica e refrigeração.> densidades ⇒ caminhos elétricos menores ⇒ > desempenho.Tamanho menor ⇒ aumento de flexibilidade.Menos interconexões ⇒ maior confiabilidade.
![Page 8: Arquitetura Von Newmann](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062312/5571fb3d4979599169945346/html5/thumbnails/8.jpg)
Tipos de Computadores
Lei de Moore:Lei de Moore:Computadores maismais poderosospoderosos por preços constantes
OUMesmo computador por prepreççosos maismais baixosbaixos
“Mudança na ordem de grandeza de quantidadecausa uma mudança na qualidade” (Richard Hamming).
Ampla variedade de computadores disponíveis.
![Page 9: Arquitetura Von Newmann](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062312/5571fb3d4979599169945346/html5/thumbnails/9.jpg)
Tipos de Computadores
ComputadoresComputadores descartdescartááveisveis::Chips colados em cartõesChip RFID (Radio Frequence Identification):
Baixíssimo custo (centavos)Menos de 0,5 mm de espessuraRadiotransponder + único número de 128 bitsPodem ser passivos (sem bateria) ou ativos (com baterias)Funcionamento:
Alimentação por sinal de rádio de uma antena externa;Retorno do número de identificação embutido.
Ex. Aplicação: rotulação de animais, identificação de produtos, smart cards, etc.
![Page 10: Arquitetura Von Newmann](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062312/5571fb3d4979599169945346/html5/thumbnails/10.jpg)
Tipos de Computadores
MicrocontroladoresMicrocontroladores::Computadores embutidos em outros equipamentos.Controlam os dispositivos e suas interfaces.Possuem capacidade de processamento, memória e E/S (computadores pequenos).Software incorporado no chip.Apresentam restrições de preço, velocidade e dimensões muitosignificantes no projeto de arquitetura.
Custo baixo (varia de acordo com a especificação: US$ 0.1 - 5)Funcionam em tempo real
Podem ser encontrados em:Eletrônicos e eletrodomésticos;Brinquedos;Equipamentos médicos;Etc.
![Page 11: Arquitetura Von Newmann](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062312/5571fb3d4979599169945346/html5/thumbnails/11.jpg)
Tipos de Computadores
ComputadoresComputadores de de JogosJogos (Videogames):(Videogames):Computadores normais com recursos gráficos (som e imagem) especiais e software específico e limitado.São hardwares fechados (impossibilitam atualizações) com otimizações específicas para sua finalidade.Exemplos:
Videogame Configuração
Sony Playstation 2
CPU proprietária 295 MHz e 128 bits (derivado MIPS IV RISC)Memória RAM de 32 MBChip gráfico de 160 MHz e de áudio com 48 canais
Microsoft XBox
CPU Pentium III de 733 MHzMemória RAM de 64 MB e HD de 8 GBChip 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 MBChip gráfico de 200 MHz e de áudio com 64 canais
![Page 12: Arquitetura Von Newmann](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062312/5571fb3d4979599169945346/html5/thumbnails/12.jpg)
Tipos de Computadores
ComputadoresComputadores PessoaisPessoais::Utilizados para execução de tarefas de propósito geral(geralmente corriqueiras)Podem ser desktops ou laptops.Contém diversos dispositivos (HD, memória, monitor, e outros periféricos) e S.O. elaborados.Permitem expansões de hardware.Possuem grande quantidade de softwares disponíveis.Exemplo de arquiteturas existentes:
PC (Intel)MacintoshSun UltraSPARC
![Page 13: Arquitetura Von Newmann](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062312/5571fb3d4979599169945346/html5/thumbnails/13.jpg)
Tipos de Computadores
ServidoresServidores::Computadores pessoais reforçados
Mais memória e HDPodem ter um ou vários processadoresMesmo S.O. dos PCs (versões server)Alto desempenho (velocidade de comunicação e/ou execução)
Possuem um uso diferenciadoEx: redes locais, hospedagem de serviços de Internet, etc.
![Page 14: Arquitetura Von Newmann](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062312/5571fb3d4979599169945346/html5/thumbnails/14.jpg)
Tipos de Computadores
ConjuntoConjunto de de estaestaççõesões de de trabalhotrabalho::Computadores conectados (clustersclusters)Substituiu os supercomputadoressupercomputadores:
Mesma capacidade de computaçãoMenor custo
CaracterCaracteríísticassticas::Utilizam redes de Gigabytes/seg.Executam software especialsoftware especial.EscalonEscalonáávelvel.
ExemplosExemplos de de utilizautilizaççãoão::Processamento de alto desempenho.Servidores de Internet para alta demanda.
![Page 15: Arquitetura Von Newmann](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062312/5571fb3d4979599169945346/html5/thumbnails/15.jpg)
Tipos de Computadores
Mainframes:Mainframes:Computadores grandes e caros (na ordem de milhões).Ocupam salas especializadas.Não possuem grande processamento, mas têm grandecapacidade de E/S e de armazenamento (coleções de discos - TB).Executam softwares antigos (falta de investimento ematualizações).São mantidos devido ao investimento necessário paramigração do parque de software.Ganhou novo fôlego com a Internet
Manipulação de quantidades maciças de transações de e-commerce por segundo.
![Page 16: Arquitetura Von Newmann](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062312/5571fb3d4979599169945346/html5/thumbnails/16.jpg)
Projeto que visa DesempenhoLei de Lei de MooreMoore (1967): novas gerações de pastilhas a cada 3 anos (aumento na densidade de transistores).
Técnicas para manter o fluxo de instruções:Previsão de desvios:Previsão de desvios: examina instruções futuras para predição dos desvios e grupos de instruções com maior probabilidade de execução.
Busca antecipada na memória.AnAnáálise do fluxo de dados:lise do fluxo de dados: verifica a dependência de resultados e dados de outras instruções.
Seqüenciamento otimizado das instruções (escalonamento).ExecuExecuçção especulativa:ão especulativa: utiliza as técnicas anteriores.
Execução antecipada de instruções.
Resultado:Resultado: crescimento acentuado da velocidade do processador.Problema:Problema: outros componentes críticos não acompanharam essa evolução (ex: memória).
![Page 17: Arquitetura Von Newmann](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062312/5571fb3d4979599169945346/html5/thumbnails/17.jpg)
Evolução Qtde. Transistores por Chip
![Page 18: Arquitetura Von Newmann](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062312/5571fb3d4979599169945346/html5/thumbnails/18.jpg)
Evolução Processador/Memória
![Page 19: Arquitetura Von Newmann](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062312/5571fb3d4979599169945346/html5/thumbnails/19.jpg)
Gargalo de von Neumann
Tráfego intenso no barramento do sistema:Principal rota de informação: CPU e memória (ptopto. cr. crííticotico).Constante fluxo de dados e instruções.
Gera desperdício de tempo (CPU em espera).
Agrava-se gradativamente pelo aumento do gapgap de de velocidadevelocidade entre a memória principal e a CPU.
![Page 20: Arquitetura Von Newmann](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062312/5571fb3d4979599169945346/html5/thumbnails/20.jpg)
Gargalo de von Neumann
GargaloGargalo
![Page 21: Arquitetura Von Newmann](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062312/5571fb3d4979599169945346/html5/thumbnails/21.jpg)
Técnicas de Balanceamento do DesempenhoAjuste da organização e arquitetura para compensarcompensar as diferenças de capacidade dos componentes.
Gargalo de Gargalo de vonvon Neumann Neumann (estratégias de solução):Aumento do número de bits recuperados em cada acesso
Memória e barramentos mais largos.Modificação da interface com a memória
CacheRedução da quantidade de acessos a memória
Cache mais complexa e eficiente (vários níveis).Aumento da largura de banda da conexão
Barramentos de alta velocidadeHierarquia de barramentos
![Page 22: Arquitetura Von Newmann](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062312/5571fb3d4979599169945346/html5/thumbnails/22.jpg)
Projeto de E/SProjeto de E/S::Aplicações mais sofisticadas usam periféricos com grande demanda de E/S.
Resultado:Resultado: alta demanda da transferência de dados entre CPU e periféricos.
Estratégias de solução:Estrutura de cache e armazenamento temporário.Barramentos de alta velocidade.Estruturas de barramento mais elaboradas (vários níveis).Multiprocessadores minimiza a demanda E/S.
Técnicas de Balanceamento do Desempenho
![Page 23: Arquitetura Von Newmann](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062312/5571fb3d4979599169945346/html5/thumbnails/23.jpg)
Máquinas RISCRISC (Reduzed Instructions Set Computer)
COW (ClustersClusters Of Workstations)
Técnicas para melhorar o desempenho:Paralelismo:Paralelismo:
PipelinesMultiprocessadoresMultiprocessadores
Hierarquia de memHierarquia de memóória:ria:Memórias cachecache
Exemplo de Técnicas para Alto Desempenho