Máquinas Multiníveis - Prof. Edilberto Silva

Infra-Estrutura de
InfraHardware
Infra-estrutura de Hardware
Infra-estrutura
Máquinas
Multiníveis
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Sumário
•
•
•
•
•
•
Conceitos básicos
Classificação de arquiteturas
Máquinas multinível
Tendências da tecnologia
Família Pentium
Conclusão
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Infra-estrutura de Hardware
Infra-estrutura
Conceitos básicos
• Arquitetura do computador
– O projetista de hardware preocupa-se com
circuitos, componentes, temporização e facilidade
de solução de erros.
– O arquiteto de computador preocupa-se com os
componentes de alto nível, como eles se
conectam, como eles trabalham de forma
integrada para garantir performance
Infra-estrutura de Hardware
Infra-estrutura
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Conceitos básicos
• Arquitetura do computador
– Visão tradicional:
tradicional identificar os atributos de um
sistema de computação na visão do programador, isto
é, a estrutura conceitual e o comportamento funcional,
em oposição à implementação física.
– Visão atual:
atual entender as técnicas de projeto, estrutura
das máquinas, fatores tecnológicos e métodos de
avaliação que irão determinar a estrutura dos
computadores no século 21
Arquitetura = Organização da máquina + Conjunto de instruções
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Infra-estrutura de Hardware
Infra-estrutura
Conceitos básicos
• Comunicação com o computador
Programa em linguagem
de alto nível
Compilador
Programa em linguagem
Assembly
Assembler
Programa em linguagem
de máquina
temp = v[k];
v[k] = v[k+1];
v[k+1] = tempo;
hv $15,
hv $16,
anv $16,
anv $15,
0($2)
4($2)
0($2)
4($2)
1000 1100 0110 0010 0000 0000 0000 0000
1000 1100 1111 0010 0000 0000 0000 0100
1010 1100 1111 0010 0000 0000 0000 0000
1010 1100 0110 0010 0000 0000 0000 0100
Interpretação pela máquina
Conjunto de sinais
de controle
ALUOP[0:3] ⇐ InstReg[9:11] & MASK
Infra-estrutura de Hardware
Infra-estrutura
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Conceitos básicos
• Conjunto de instruções
– Parte da arquitetura que é visível para o programador:
–
–
–
–
Códigos de operação das instruções disponíveis
Quantidades e tipos dos registradores
Formatos das instruções
Acesso à memória e modos de endereçamento
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Infra-estrutura de Hardware
Infra-estrutura
Conceitos básicos
• Conjunto de instruções
Aplicações
Sistema
Operacional
Compilador
Microprograma
Sistema I/O
Projeto da lógica digital
Projeto de circuitos
Infra-estrutura de Hardware
Infra-estrutura
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Conceitos básicos
• Arquiteturas de alto desempenho
Ênfase nos módulos e estruturas que permitem agilizar a
velocidade de processamento
Exemplos:
–
–
–
–
Processadores RISC
Pipelines
Memória cache
Multiprocessadores
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Infra-estrutura de Hardware
Infra-estrutura
Infra-estrutura de Hardware
Infra-estrutura
Classificação de arquiteturas
Classificação básica
Máquinas von Neumann
Máquinas não-von Neumann
• Máquinas von Neumann
Três subsistemas básicos:
– CPU com três blocos principais: unidade de controle,
unidade lógico-aritmética (ALU) e registradores, incluindose aí um registrador contador de programa (PC)
– Memória principal
– Sistema de E/S
Programa armazenado representado em forma
digital na memória do computador, juntamente com
os dados
Execução seqüencial de instruções
Caminho único entre memória e unidade de
controle
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Classificação de arquiteturas
• Máquinas von Neumann
Memória Principal
endereço
dados/instruções
CPU
Registradores ULA
PC
Unidade de
Controle
Sistema de E/S
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Infra-estrutura de Hardware
Infra-estrutura
Classificação de arquiteturas
• Máquinas von Neumann
Operação: a execução de um programa é uma
seqüência de ciclos de máquina von Neumann,
compostos por:
– Busca da instrução (fetch): transfere instrução da
posição de memória apontada por PC para a CPU;
– Execução da instrução: a unidade de controle
decodifica a instrução e gerencia os passos para sua
execução pela ALU.
Infra-estrutura de Hardware
Infra-estrutura
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Classificação de arquiteturas
• Máquinas não-von Neumann
Máquinas paralelas: várias unidades de processamento
executando programas de forma cooperativa, com controle
centralizado (máquinas SIMD) ou não (máquinas MIMD)
Máquinas de fluxo de dados: não executam instruções de
um programa; realizam operações de acordo com a
disponibilidade dos dados envolvidos
Redes neurais artificiais: não executam instruções de um
programa; resultados são gerados a partir de respostas a
estímulos
Processadores sistólicos (VLSI): processamento ocorre
pela passagem de dados por arranjo de células de processamento
executando operações básicas
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Infra-estrutura
Classificação de Flynn
SI (Single
Instruction)
MI (Multiple
Instruction)
SD (Single Data)
MD (Multiple Data)
SISD
Máquinas de von
Neumann
convencionais
SIMD
Máquinas Array
(CM-2, MasPar)
MISD
MIMD
Sem representante
(até agora)
Multiprocessadores e
Multicomputadores
(nCUBE, Intel Paragon,
Cray T3D)
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Infra-estrutura
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Classificação de Flynn
SD (Single Data)
MD (Multiple Data)
SISD
SIMD
MISD
MIMD
SI (Single
Instruction)
MI (Multiple
Instruction)
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Infra-estrutura de Hardware
Infra-estrutura
Multiprocessadores
• Todos os processadores P acessam, através de
uma rede de interconexão, uma memória
compartilhada M;
• Possui apenas um espaço de endereçamento.
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Infra-estrutura
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Acesso uniforme a memória
UMA
• A memória usada nessas máquinas é
centralizada e encontra-se a mesma
distância de todos os processadores;
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Infra-estrutura
Acesso uniforme a memória
UMA
• Memória cache para amenizar a diferença de
velocidade entre processador e memória
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Acesso não uniforme a
Memória - NUMA
• A memória utilizada é
distribuída, implementada
com vários módulos que são
associados um a cada
processador;
• O espaço de endereçamento
é único, e cada processador
pode acessar toda a memória
do sistema.
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Complexa
Linguagem
Simples
Infra-estrutura de Hardware
Infra-estrutura
Máquinas multinível
Os programas em Ln ou são interpretados
por um interpretador em execução em uma
máquina de nível inferior, ou são
traduzidos para a linguagem de máquina de
uma máquina de nível inferior
Nível n
Máquina virtual Mn, com
linguagem de máquina Ln
Nível 4
Máquina virtual M4, com
linguagem de máquina L4
Nível 3
Máquina virtual M3, com
linguagem de máquina L3
Os programas em L3 ou são interpretados
por um interpretador em execução em M2,
ou são traduzidos para L2
Nível 2
Máquina virtual M2, com
linguagem de máquina L2
Os programas em L2 ou são interpretados
por um interpretador em execução em M1,
ou são traduzidos para L1
Nível 1
Computador real M1, com
linguagem de máquina L1
Os programas em L1 podem ser
executados diretamente pelos circuitos
eletrônicos
Infra-estrutura de Hardware
Infra-estrutura
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Máquinas multinível
Linguagens,
níveis e máquinas
virtuais
Um computador com n níveis pode ser considerado
como n diferentes máquinas virtuais, cada uma
delas com uma diferente linguagem de máquina
Os termos nível e máquina virtual podem ser
utilizados indistintamente
Para escrever programas para a máquina virtual de
nível n não há necessidade de conhecer os
interpretadores e tradutores subjacentes
A estrutura da máquina assegura que estes
programas serão de algum modo executados
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Infra-estrutura de Hardware
Infra-estrutura
Máquinas multinível
Nível 5
Tradução (compilador)
Linguagens,
Nível 4
níveis e
máquinas
virtuais
Linguagem orientada para
problemas
Linguagem de montagem
Tradução (montador)
Nível 3
Sistema operacional
Interpretação parcial
(sistema operacional)
Nível 2
Máquina convencional
Interpretação
(microprograma)
Nível 1
Máquina de microprogramação
Os microprogramas são executados
diretamente pelo hardware
Nível 0
Lógica digital
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Infra-estrutura
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Máquinas multinível
Máquinas
multinível contemporâneas
As máquinas com controle programado no
hardware não possuem o nível 1, pois as
instruções do nível de máquina convencional
são executadas diretamente pelos circuitos
eletrônicos do nível 0
Os níveis 6 e superiores consistem em
coleções de programas projetados para criar
máquinas especialmente adequadas para
aplicações específicas
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Infra-estrutura de Hardware
Infra-estrutura
Máquinas multinível
Hardware,
software e máquinas multinível
O hardware é composto de objetos tangíveis - circuitos
integrados, placas de circuito impresso, cabos, fontes
de alimentação, memórias, leitoras de cartões,
impressoras e terminais - em lugar de idéias abstratas,
algoritmos ou instruções
O software consiste em algoritmos (instruções
detalhadas que dizem como fazer algo) e suas
representações para o computador - ou seja, os
programas podem estar representados em cartões
perfurados, fita magnética, filme fotográfico e outros
meios
Infra-estrutura de Hardware
Infra-estrutura
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Máquinas multinível
Hardware,
software e máquinas multinível
Qualquer operação efetuada pelo software
pode também ser implementada diretamente
em hardware, e qualquer instrução executada
pelo hardware pode também ser simulada pelo
software
A decisão de se colocar certas funções em
hardware e outras em software baseia-se em:
–
–
–
–
Custo
Velocidade
Confiabilidade
Freqüência esperada de alterações
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Infra-estrutura
Máquinas multinível
Hardware,
software e máquinas multinível
Não há regras rígidas e diretas para se dizer
que X deve ser implementado em hardware e
Y deve ser programado explicitamente
Projetistas com objetivos diferentes podem, e
muitas vezes o fazem, tomar diferentes
decisões
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Infra-estrutura
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Máquinas multinível
Hardware,
software e máquinas multinível
Uma forma intermediária entre o hardware e o
software é o firmware, que consiste do
software embutido em dispositivos eletrônicos
durante a fabricação
Utilização do firmware:
–
–
–
Quando se espera que os programas raramente ou
nunca serão mudados (brinquedos ou instrumentos)
Quando os programas não podem ser perdidos ao
se acabar a alimentação (quando a bateria da
boneca se descarrega)
Em muitos computadores, o microprograma está em
firmware
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Infra-estrutura de Hardware
Infra-estrutura
FIM
Perguntas ....
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