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Prof.ª Daniella Dias [email protected]
Processadores
Disciplina: Arquitetura de Computadores
Organização de Computadores
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Computador eletrônico digital
Processador Memória Dispositivos de entrada/saída Interconexão entre as essas partes (barramento)
Organização de um Computador
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Organização de um Computador
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Organização de um Computador
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Processador
Cérebro do computador Executa programas armazenados na memória principal, buscando as instruções, examinando-as, e executando-as em seqüência
Barramento
Provê a interligação entre os componentes do computador Conjunto de fios paralelos para a transmissão de dados, endereços e sinais de controle
Organização de um Computador
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Barramento
Externo ao processador conexão à memória e dispositivos de entrada/saída Interno ao processador
Composição do Processador
Unidade de controle busca e decodifica as instruções ULA realiza as instruções (aritméticas e lógicas) Registradores armazena resultados temporários e algumas informações de controle. São de acesso rápido por estarem dentro do processador.
Organização de um Computador
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Registradores mais importantes
Contador de programas (PC – Program Counter) aponta para a próxima instrução Registrador de instruções (IR – Instruction Register) armazena a instrução que está sendo executada
Organização do Processador
Caminho de dadosCaminho de dados
Organização do Processador
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Composição do caminho de dados
Registradores 1 a 32 ULA Barramento
Instruções de um processador
Registrador-memória permite que uma palavra de memória seja armazenada no registrador, e vice-versa Registrador-registrador instrução que opera sobre 2 registradores e coloca a saída em outro registrador (ciclo de caminho de dados)
Organização do Processador
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Ciclo de caminho de dados
Define, sob certos aspectos, o que a máquina pode fazer Conceito muito importante na maioria dos processadores A velocidade do ciclo do caminho de dados determina, em última análise, a velocidade do processador
Execução de Instruções
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Ciclo de busca-decodificação-execução
- Busca próxima instrução na memória, a partir do endereço armazenado no PC, e armazena no IR
- Atualiza Contador de instrução PC para apontar para a próxima instrução
- Determina tipo de instrução armazenada no IR
- Determina endereço dos dados na memória, se a instrução requer dados adicionais
- Trazer palavras (dados) da memória, caso a instrução precise, e armazena-as em outros registradores
- Executa instrução
- Retorna ao passo 1
Execução de Instruções
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É possível escrever um programa que simule a função de um
processador
Esse programa não precisa ser executado por um processador
eletrônico
Um programa pode ser executado por outro programa que
busque, decodifique e execute suas instruções
Esse programa é o interpretador
RISC x CISC
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Argumento RISC
Mesmo que uma máquina RISC precisasse de 4 ou 5 instruções para fazer o que uma máquina CISC faria com apenas 1 instrução, se a instrução RISC fosse 10 vezes mais rápida (só hardware) a máquina RISC venceria
RISC x CISC
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Por que a RISC não suplantou a CISC?
Problemas de compatibilidade com máquinas antigas com software já desenvolvido. Aparecimento de soluções híbridas: Por exemplo, a INTEL usa RISC para instruções de uso mais freqüente ( Núcleo RISC ) e interpretação para instruções mais complexas e de uso menos freqüente.
Princípios de Projeto RISC para
Computadores Modernos
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Todas as instruções são diretamente executadas por
hardware
Maximizar a taxa na qual as instruções são executadas
As instruções precisam ser facilmente decodificadas
Somente as instruções de Load (leitura) e Store (escrever)
devem referenciar a memória
Projetar uma máquina com muitos registradores
Paralelismo
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Melhora do desempenho
Processadores mais rápidos (por exemplo, aumento da velocidade do clock ) existem um limite tecnológico Paralelismo
Paralelismo
Execução de duas ou mais operações ao mesmo tempo Aumenta o desempenho mantendo o mesmo clock
Paralelismo
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Tipos de paralelismo
Nível de instruções um único processador deve executar mais instruções por segundo Nível do processador vários processadores trabalhando juntos para a solução do mesmo problema
Paralelismo no Nível de Instruções
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Execução em Pipeline
O maior gargalo para a velocidade de execução de instruções é o acesso à memória Solução busca antecipada de instruções na memória Utilização de um buffer de pré-busca conjunto de registradores que armazenam as instruções antecipadas Pré-busca divide a execução das instruções em busca e execução efetiva Pipeline Divisão da execução da instrução em várias partes, com um hardware dedicada a cada uma delas
Paralelismo no Nível de Instruções
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(a) Pipeline de 5 estágios. (b) Estado dos estágios em função do tempo(a) Pipeline de 5 estágios. (b) Estado dos estágios em função do tempo
Paralelismo no Nível de Instruções
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Execução em Pipeline
Ciclo dessa máquina 2ns Duração de uma instrução (5 estágios) 10ns Instruções por segundo aparentemente 100MIPS, mas como temos uma nova instrução a cada 2ns temos na verdade 500MIPS MIPS Milhões de Instruções por Segundo
Paralelismo no Nível de
Instruções
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Arquiteturas Superescalares
Se um pipeline é bom, dois é ainda melhor Um única unidade de busca de instrução busca pares de instruções e põe cada uma em um pipeline (execução em paralelo) Não pode haver conflitos pela utilização de recursos O resultado de uma das instruções não pode depender da outra Esse tratamento pode ser feito pelo compilador ou por um hardware extra.
Paralelismo no Nível de
Instruções
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Pipeline duplo de 5 estágiosPipeline duplo de 5 estágios
Paralelismo no Nível de Instruções
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Arquiteturas Superescalares
Muitos pipelines implicam em um aumento considerável do hardware Uso de um único pipeline com diversas unidades funcionais (estágio 4 do pipeline) Essas unidade funcionais executam as operações em uma velocidade bem mais lenta que o processo de busca das mesmas
Paralelismo no Nível de
Instruções
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Processador superescalar com 5 unidades funcionaisProcessador superescalar com 5 unidades funcionais
Paralelismo no Nível do Processador
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Processadores matriciais não são CPUs independentes
(unidade de controle única)
Multiprocessadores
Composto por vários processadores independentes que compartilham a mesma memória As atividades dos processadores devem ser coordenadas para que um não interfira na atividade do outro gerenciar a memória que cada um usa para não haver conflitos Compartilham um barramento único
Paralelismo no Nível do Processador
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Multiprocessadores
Vários processadores x memória única x barramento único
conflitos entre os processadores
Solução memória local para cada processador, que armazena
o programa e os dados que não precisam ser compartilhados
Com a redução do uso do barramento compartilhado, diminui
o tráfego e reduz as possibilidades de conflito
Outra solução para os conflitos é baseado no uso de memória
cache
Paralelismo no Nível do Processador
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(a) Multiprocessador com um único barramento e memória única(a) Multiprocessador com um único barramento e memória única (b)Multiprocessador com memórias locais aos processadores(b)Multiprocessador com memórias locais aos processadores
Paralelismo no Nível do Processador
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Multiprocessadores
Modelo mais fácil de se trabalhar entre os sistemas paralelos memória compartilhada Exemplo busca de células cancerígenas em uma fotografia de tecido humano Fotografia fica armazenada na memória comum Os processadores tem acesso a toda a memória Não há problema caso um processador invada uma região demarcada para um outro processador
Paralelismo no Nível do Processador
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Multicomputadores
Sistema com poucos multiprocessadores (256) são fáceis de serem construídos Sistemas multiprocessados com mais processadores são de difícil implementação O problema está na conexão dos processadores com a memória A solução é usar um grande número de computadores interconectados, sem memória compartilhada multicomputadores
Paralelismo no Nível do Processador
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Multicomputadores
Sistemas com um grande número de computadores interconectados Não existe nenhum tipo de memória comum sendo compartilhada Comunicação entre computadores é feita através de troca de mensagens com alta velocidade Computador não precisa estar ligado diretamente com todos os outros (uso de topologias em árvore, anéis, etc..) Mensagens podem ser roteadas do computador fonte para o destino (usando computadores intermediários) Existem em operação sistemas multicomputadores com mais de 10. computadores
Paralelismo no Nível do Processador
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Multiprocessador x Multicomputador
Sistemas multiprocessadores são mais fáceis de programar Sistemas multicomputadores são mais fáceis de constuir Futuro sistema híbrido Ilusão de compartilhamento de memória, sem a dificuldade da implementação real
