Dos sistemas digitais aos computadores e aos  Ps

1. 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

2. 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)

3. 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...)

4. 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)

5. 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

6. 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

7. O uso da memória e o von Neumann bottleneck

8. 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?

9. 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...)

10. 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”)

11. 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:

12. 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...

13. Etapas elementares na execução de uma instrução • Instrução LD R1,#55H:

14. Etapas elementares (cont.) • O diagrama de estados para a execução da instrução LD R1,#55H tem uma correspondência directa com o seguinte diagrama temporal:

15. 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) • 1958:O 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)

16. 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)

17. 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

18. 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

19. 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

20. 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

21. 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)

22. 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

23. 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:

24. O uso da stack • Assumindo que a stack cresce para baixo, o que nem sempre acontece, o seu uso começaria assim:

25. 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