From 4d4e7037c5a426bc2184174dee53f8febf837654 Mon Sep 17 00:00:00 2001 From: Eduardo de Santana Medeiros Alexandre Date: Thu, 25 Sep 2014 10:49:29 -0300 Subject: [PATCH] =?UTF-8?q?Remo=C3=A7=C3=A3o=20do=20livro.html?= MIME-Version: 1.0 Content-Type: text/plain; charset=UTF-8 Content-Transfer-Encoding: 8bit --- livro/livro.html | 4684 ---------------------------------------------- 1 file changed, 4684 deletions(-) delete mode 100644 livro/livro.html diff --git a/livro/livro.html b/livro/livro.html deleted file mode 100644 index 0149bd1..0000000 --- a/livro/livro.html +++ /dev/null @@ -1,4684 +0,0 @@ - - - - - - - -Introdução a Arquitetura de Computadores - - - - - -
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Prefácio

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texto

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Público alvo

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estudantes

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Método de Elaboração

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Financiamento da capes.

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Contribuição

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Erros e etc.

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Introdução

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Objetivos do capítulo
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Ao final deste capítulo você deverá ser capaz de:

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    -Definir o que é a Arquitetura de Computadores e sua relevância -

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    -Apresentar a Arquitetura Geral de um computador e suas principais -operações -

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    -Diferencias sistemas digitais de analógicos -

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    -Apresentar o funcionamento de um transistor e sua relevância para -a industria de dispositivos digitais -

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    -Destacar a Lei de Moore e seu impacto para a evolução da -industria de dispositivos eletrônicos digitais -

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    -Identificar os principais fatos da evolução dos computadores -

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Você sabe o que é Arquitetura de computadores? Você já se -perguntou porque precisa estudar Arquitetura de Computadores? Esse -capítulo nós vamos aprender que essa é uma das principais -disciplinas da Ciência da Computação. Não só isso, foi a -Arquitetura de Computadores que permitiu que a humanidade avançasse -em todos os aspectos da ciência, saúde e tecnologia. Ao final desse -capítulo, espero que você concorde comigo.

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O que é a Arquitetura de um Computador?

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O termo arquitetura é principalmente utilizado na construção e -decoração de edificações. Ele diz respeito à forma e a estrutura -de uma construção. O termo refere-se à arte ou a técnica de -projetar e edificar o ambiente habitado pelo ser humano. Na -computação o termo foi adaptado para denominar a técnica (talvez -até a arte também) de projetar e construir computadores. Nesse -livro você não vai aprender a construir seu próprio computador. -Para isso eu recomendo outros autores, John L. Hennessy, David A. -Patterson e Andrew S. Tanenbaum. Esses autores produzem livros para -engenheiros de computadores e acompanhá-los antes de se tornar um -pode ser uma tarefa bastante árdua. Aqui você vai conhecer o -computador por dentro e saber como ele funciona. Você não será -capaz de construir um computador, mas saberá o suficiente para -entender como os programas funcionam e até porque o computador para -de funcionar as vezes, ou funciona lentamente, e que nessas -situações, pressionar teclas do teclado rapidamente, ao mesmo tempo -que move o mouse aleatoriamente, não faz o computador voltar a -trabalhar novamente.

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Por que estudar Arquitetura de Computadores?

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É essencial que todos profissionais da Computação tenham pelo -menos conhecimentos básicos de Arquitetura de Computadores. Saber -como o computador funciona nos permitirá entender sua capacidade (e -incapacidade) de resolver problemas, sobre como programá-los da -melhor forma possível, como deixar o computador e os dados contidos -neles mais seguros, como ganhar desempenho e o que faz ele ficar tão -lento às vezes a ponto de querermos destrui-lo. -Então, estudar Arquitetura de Computadores é tão importante para -um profissional de Computação, como estudar Anatomia é importante -para um médico. Antes de iniciar qualquer estudo na Medicina, um -médico precisa saber em detalhes o funcionamento do corpo humano. -Quais são seus órgãos, como eles trabalham individualmente e como -se relacionam para formar um sistema (digestivo, respiratório, motor -etc.). Com a Arquitetura de Computadores é semelhante. Vamos -aprender quais são os componentes de um computador, como eles -funcionam e como eles trabalham em conjunto formando um sistema. -Sem dúvidas o ser humano é a máquina mais perfeita já criada, mas -vamos ver que o Computador é uma das máquinas mais incríveis que o -homem já criou.

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Um aluno de Licenciatura em Computação precisa estudar

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Arquitetura de Computadores?

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Ao longo de minha experiência como professor de Arquitetura de -Computadores para alunos de Licenciatura em Computação, eu sempre -ouvi essa pergunta. “Por que precisamos estudar Arquitetura de -Computadores?”. Espero que isso já esteja claro para você. Mas se -ainda não estiver, aqui vai uma outra razão. Você será um -licenciado e vai trabalhar no ensino e aprendizagem da Ciência da -Computação. Como ensinar alguém sobre essa ciência se você não -souber em detalhes como um computador funciona? Isso seria como um -professor de Farmácia que não conhece bem a Química, ou um -professor de Matemática que não conhece os números.

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Arquitetura geral

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Hoje em dia há muitos tipos de computadores e diversas arquiteturas. -Elas são frutos de muitos estudos, pesquisas e avanços -tecnológicos. Mas todos computadores compartilham uma arquitetura -comum. Essa arquitetura é o que separa um computador de uma -calculadora de bolso, de um aparelho de televisão ou um relógio de -pulso. Essa arquitetura é apresentada na [fig_arquitetura].

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-images/cap1/fig_arquitetura.eps -
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Figura 1. Arquitetura básica de um computador
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Todo computador possui uma Unidade Central de Processamento, ou, do -inglês, Central Processing Unit (CPU) e uma Memória Principal. -Todos os dados a serem processados pela CPU, para operações -lógicas e aritméticas, precisam estar na memória. Da memória os -dados são transferidos para a CPU através de fios paralelos de -comunicação, chamados de Barramento de Dados. Entretando, a CPU -não toma decisões por si própria. Ela não sabe que dados deve -trazer da memória, muito menos que operação executar com eles. -Para isso, ela precisa que instruções, também armazenadas na -memória, sejam trazidas para a CPU através do Barramento de -Endereço. Cada instrução informa para a CPU que operação ela -deve executar, com quais dados e o que ela deve fazer com o resultado -da operação.

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Para poder se localizar, a memória é organizada em endereços. -Todos os dados e as instruções são localizadas através desses -endereços. Cada instrução indica para a CPU que dados devem ser -transferidos e processados através dos endereços desses dados. Esse -endereço é transferido para a memória pela CPU através do -Barramento de Endereço. A memória localiza o tal dado e o transfere -para a CPU via Barramento de Dados. As instruções são -desenvolvidas pelo programador, através de linguagens de -programação. As ferramentas de compilação transformam os -programas escritos em linguagens de alto nível, como C, Java e -Phython, em instruções de máquina, que são finalmente copiadas -para a memória no momento em que precisam ser executadas. Cada -instrução é armazenada em um endereço diferente da memória. Na -execução normal, a CPU passa para a memória, via Barramento de -Endereço, o endereço da primeira instrução do programa, a -memória transfere a instrução pelo Barramento de Instrução, a -CPU a executa e, em seguida, solicita a instrução do endereço -seguinte. Assim, os programas são executados sempre de forma -sequencial, a não ser que uma instrução especial solicite que ela -salte para uma instrução que não seja a consecutiva. Isso é o -caso quando há instruções condicionais (como o “se” ou -if), instruções de repetição (como while e o for), -ou chamadas a sub-programas, ou mesmo, por ordem do Sistema -Operacional, para que o programa pare de executar para que um outro -tome seu lugar.

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As memórias são, quase sempre, muito mais lentas do que as CPUs. -Isso exigiu, ao longo dos anos, que as CPUs possuíssem também uma -porção interna de memória muito rápida, chamada Memória Cache. A -tecnologia que permite essas memórias serem mais rápidas, tornam-as -também muito caras. Por isso que sua capacidade geralmente é muito -limitada. Para acelerar ainda mais, elas são instaladas dentro das -CPUs. Todos os dados e instruções transferidos da Memória -Principal para a CPU são salvos também na Cache. Como a Cache não -é capaz de guardar todos os dados da Memória Principal, apenas os -dados mais recentes transferidos para a CPU permanecem na Cache. -Técnicas muito avançadas são aplicadas para que se consiga, no -máximo possível, manter os dados mais importantes daquele instante -na Memória Cache.

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A CPU também é responsável por enviar sinais de controle aos -outros dispositivos do computador, como periféricos, dispositivos de -entrada e saída, e memórias externas. Esse sinais são enviados -quando uma instrução dá ordem para tal. Por exemplo, quando uma -instrução pede que uma mensagem sem impressa na tela, a CPU, ao -receber e executar essa instrução, envia para o controle do monitor -que imprima na tela a mensagem contida o endereço que também foi -passada pela instrução.

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É esse comportamento que diferencia um computador de outros -dispositivos eletrônicos mais simples. A essência da CPU não é -muito diferente de uma calculadora de bolso. Ela executa operações -lógicas e aritméticas. Entretanto, no projeto do computador, o -papel do homem foi substituído pela programação. Todas -instruções das tarefas que a CPU precisa executar são armazenadas -na memória e, a partir de então, a CPU pode trabalhar sem qualquer -interferência externa. Com a programação, a CPU pode também -executar tarefas diversas, desde simulações, jogos, tocar músicas -e vídeos etc. Simplificando, o computador é uma máquina -programável e de propósito geral.

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Operações básicas

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Todos computadores executam três operações básicas:

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    -Movimentação de dados -

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    -Processamentos de dados -

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    -Armazenamento de dados -

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A movimentação de dados é a transferência de um dado de um ponto -para outro do computador. Pode ser de um endereço de memória para -outro, de um dispositivo de entrada para a memória, ou da memória -para um dispositivo de saída. O processamento de dados ocorre quando -a CPU recebe um determinado dado e executa uma operação que o -modifica de alguma forma. Já as operações de armazenamento ocorre -quando a CPU precisa registrar um dado em algum local específico, -como salvar um dado no disco rígido, ou num pendrive, ou mesmo na -Memória Principal.

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Sistemas Analógicos x Sistemas Digitais

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Para sabermos a importância de um computador e sua forma de -funcionamento, precisamos conhecer suas potencialidades e suas -limitações. O computador é um dispositivo eletrônico digital. -Isso significa que ele armazena, processa e gera dados na forma -digital. Por outro lado, o computador não é capaz de processar -dados analógicos. Eles antes precisam ser convertidos para digital -para poderem ser utilizados por computadores. Mas o que venha a ser -um dado analógico? Qualquer informação presente na natureza, como -uma imagem, um som ou um cheiro, pode ser analisada em no mínimo -duas componentes. Uma seria a sua intensidade e outra o tempo. A -[fig_analog_digital] a seguir apresenta essa representação, onde -o sinal em forma de onda cinza (sinal digital) seria a -representação de um sinal analógico.

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-images/cap1/analogico_digital.eps -
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Figura 2. Sinal Analógico versus Sinal Digital
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Um som, por exemplo, é formado por vibrações no ar de diferentes -intensidades (amplitudes) ao longo do tempo. Cada amplitude vai soar -para nossos ouvidos como um tom diferente e alguns são até -imperceptíveis aos nossos ouvidos. Por outro lado, como o computador -é um dispositivo baseado em números, para que ele armazene um som -em sua memória e possa fazer qualquer processamento sobre ele -(gravar, transmitir, mixar), ele deve antes representá-lo na forma -de números. Ai que está a dificuldade. As intensidades possíveis -de um som são tantas que se aproximariam do infinito. Para tornar -essa grandeza mais clara, imagine que pudéssemos emitir a -intensidade do som emitido por um pássaro. Se em terminado momento -dissermos que essa intensidade tem valor 5. Logo em seguida um outro -som é emitido, medidos e constatamos que sua intensidade é 4. Até -aí tudo bem! Mas o pássaro poderá em seguida emitir diversos sons -que estariam entre 4 e 5, como 4,23, ou 4,88938, ou até uma dízima -periódica, como 4,6666… Um ser humano, mesmo que não consiga -medir a intensidade do canto do pássaro, consegue ouvi-lo, -apreciá-lo e até repeti-lo com uma certa proximidade com alguns -assobios. Mas o computador não trabalha assim! Antes de tudo, um -computador teria que discretizar esses valores medidos, ou seja, -passá-los do domínio dos números reais para o domínio dos -inteiros. Assim, o que era 4 permanece 4, o que era 5, continua como -5, mas o que foi medido como 4,23 é convertido para 4, e o que era -4,88938 e 4,666 são convertidos para 5. Dessa forma, o computador -passa a tratar com números reais e finitos. Um canto de um pássaro -(ou até de uma orquestra sinfônica) pode ser armazenado e -processador pelo computador. Na [fig_analog_digital] apresentada, a -onda quadrada representa um sinal digital.

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Mas perceba que o som emitido pelo pássaro teve que ser modificado. -Ele antes era complexo, rico e cheio de detalhes. Agora se tornou -algo mais simples e reduzido. Houve uma perda de informação ao -passarmos o dado do analógico para o digital. Processo semelhante -ocorre quando outras informações da natureza são passadas para o -computador, como uma imagem através de uma foto, ou uma cena -através de um vídeo. Parte da informação deve ser ignorada para -que possa ser armazenada em computadores. Você deve estar se -perguntando então, quer dizer que imagens e sons analógicos possuem -mais qualidade do que digitais? A resposta rigorosa para essa -pergunta é, sim! Mas uma resposta mais consciente seria, as vezes! -Isso porque a perda causada pela digitalização pode ser reduzida -até níveis altíssimos que modo que nem o ouvido, nem a visão -humana serão capazes de perceber.

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Como exemplo de dados analógicos podemos citar tudo o que vem da -natureza, som, imagem, tato, cheiro, enquanto que digitais são todos -aqueles armazenados por dispositivos eletrônicos digitais, como -computadores, celulares e TVs (exceto as antigas analógicas). Se uma -foto digital, por exemplo, possui menos qualidade do que uma -analógica, por que todos procuram apenas máquinas fotográficas -digitais, transformando as analógicas quase em peças de museu? A -resposta está na praticidade. Os computadores só entendem -informações digitais. Uma máquina fotográfica, mesmo com -qualidade inferior, vai nos permitir passar as fotos para o -computador, compartilhar com os amigos, aplicar edições e -melhorias, ampliar e copiar quantas vezes quisermos. Tarefas que -antes eram impossíveis com máquinas analógicas. O mesmo pode ser -refletido para músicas, documentos e livros. O mundo hoje é -digital, e não há como fugirmos disso!

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O Transistor

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O transistor é um componente eletrônico criado na década de 1950. -Ele é o responsável pela revolução da eletrônica na década de -1960. Através dele foi possível desenvolver sistemas digitais -extremamente pequenos. Todas funcionalidades de um computador são -internamente executadas pela composição de milhões de -transistores. Desde operações lógicas e aritméticas, até o -armazenamento de dados em memórias (a exceção do disco rígido, -CD, DVD e fitas magnéticas), tudo é feito pelos transistores.

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Os primeiros eram fabricados na escala de micrômetros 10-6 -metros). Daí surgiram os termos microeletrônica e micro-tecnologia. -Depois disso deu-se início a uma corrida tecnológica para se -desenvolver transistores cada vez mais rápidos, menores e mais -baratos. Essa revolução dura até hoje, mas foi mais forte nas -décadas de 1980 e 1990. Foi emocionante acompanhar a disputa entre -as empresas norte-americadas Intel e AMD para dominar o mercado de -computadores pessoais. A cada 6 meses um novo processador era -lançado por um delas, tomando da concorrente a posição de -processador mais rápido do mercado. Poucos eram aqueles consumidores -que conseguiam se manter a atualizados com tantos lançamentos.

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O princípio básico é utilizar a eletrônica (corrente elétrica, -resistência e tensão) para representar dados e depois poder -executar operações com eles. A forma mais fácil de fazer isso foi -primeiramente limitar os dados a apenas dois tipos. Zero e um. O -sistema de numeração binário é muito mais fácil de representar -com dispositivos eletrônicos do que o decimal, por exemplo. O -transistor possui dois estados. Ou ele está carregado, ou está -descarregado, assim como uma pilha. Isso facilmente pode ser mapeado -para o bit 1 (carregado) e o bit (0). O revolucionário, diferente de -uma pilha, foi possibilitar que esse estado pudesse ser mudado -eletronicamente a qualquer momento e de forma muito rápida.

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Assim, com 8 transistores em paralelo, eu posso representar, por -exemplo um número de 8 bits. Posso mudar seus valores mudando suas -cargas, e posso ler seus valores chegando se cada um possui, ou não -carga. Esse é o princípio básico de construção de uma memória.

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De forma semelhante, é possível integrar transistores para que os -mesmos executem operações lógicas e aritméticas. As portas -lógicas estudadas por você em Introdução à Computação são -todas fabricadas utilizando transistores.

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Quanto menores são os transistores, mais dados podem ser armazenados -por área. Ao mesmo tempo, transistores menores guardam menos carga. -Isso torna mais rápido o processo de carregamento e descarregamento, -que, por consequência, torna o processamento e armazenamento de -dados muito mais rápidos também.

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Com a evolução da nanoeletrônica, os transistores são tão -pequenos que possibilitou a construção de memórias de 1GB (um giga -byte) do tamanho da unha da mão de um adulto. Para ser ter uma -ideia, 1 Giga é a abreviação de 109, ou seja, um bilhão. Um -byte são 8 bits. Então, uma memória de 1GB possui, pelo menos, 8 -bilhões de transistores. Os processadores também se tornaram -bastante velozes com a miniaturização dos transistores. Os -processadores atuais trabalham na frequência de GHz (Giga Hertz), ou -seja, na casa de bilhões de ciclos por segundo (diferente de -operações por segundo). Isso é muito rápido!

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-images/cap1/transistor.eps -
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Figura 3. Estrutura de um transistor tipo MOSFET
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Na [fig_mosfet] anterior é apresentada a estrutura de um -transistor MOSFET. Esse transistor é o mais utilizado para se -construir sistemas eletrônicos digitais, como os computadores. O -nome vem da abreviação de “Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect -Transistor”. Vamos ver o que significa cada palavra dessas, e isso -nos ajudará a conhecer um pouco mais o MOSFET e sua relevância. O -termo MOS (“Metal-Oxide Semiconductor”) vem dos materiais -utilizados para compor um MOSFET, que são principalmente, óxido -metálico e semicondutor.

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Semicondutores são materiais que possuem propriedades que nem os -permitem classificar como condutor, nem como isolante. Em algumas -condições ele age como um isolante, e em outras, como um condutor. -O semicondutor mais utilizado em transistores é o silício (símbolo -Si na Tabela Periódica). Em condições ambientes, o silício age -como um isolante, mas se misturado a outros materiais, ele pode se -tornar um condutor até a intensidade desejada.

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Nota
-		O Silício se tornou tão importante que modificou toda uma região -da Califórnia nos Estados Unidos na década de 1950, tornando-a uma -das mais promissoras do mundo até hoje. Essa região abrigou e -abriga as mais importantes empresas do ramo de projeto de -computadores, como Intel, AMD, Dell, IBM e Apple, e depois de -softwares que iriam executar nesses computadores, como Microsoft, -Oracle e Google. Essa região é chamada de Vale do Silício.
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No transistor da [fig_mosfet] a cor verde representa um cristal de -silício que foi dopado com cargas negativas. Já a cor vermelha, -representa a parte que foi dopada com cargas positivas. Na situação -normal uma corrente elétrica aplicada no Dreno (Drain) consegue -produz percorrer o estreito canal negativo e seguir até a Fonte -(Source). Nessa condição dizemos que o transistor está ativo. -Porém, for aplicada uma tensão negativa na Porta (Gate), as cargas -positivas da região P (em vermelho) serão atraídas para mais -próximo da Porta, e isso irá fechar o canal por onde passava a -corrente elétrica. Nesse caso, dizemos que o transistor está -inativo.

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Por que isso tudo nos interessa? Quando o transistor está ativo, ele -pode ser visto com o valor 1, e quando inativo, ele pode ser visto -com o valor 0. Assim, temos a menor memória possível de ser -construída. Quando quisermos que ela guarde o valor 1, basta -desligar a tensão da Porta e aplicar uma corrente no Dreno. Já -quando quisermos que ele armazene o valor 0, precisamos aplicar uma -corrente na Porta e fechar o canal. Então, a memória de 8 bilhões -de bits, pode ser elaborada com 8 bilhões de transistores como esses.

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Agora conhecemos o primeiro aspecto que faz dos transistores -essenciais para o entendimento do computador. Eles são usados para a -construção de memórias. Memórias feitas a base de transistores -são chamadas também de Memórias de Estado Sólido. Mas há outras, -não tão eficientes e miniaturizadas, como memórias ópticas e -magnéticas. O importante percebermos é que quanto menores pudermos -construir esses transistores, melhor. O processo de abertura e -fechamento do canal não é instantâneo. Ele leva um curtíssimo -tempo, mas quando somados os tempos de todos os bilhões de -transistores, ele passa a se tornar relevante. Quanto menor ele for, -mais estreito é o canal e, portanto, mais rápido ele liga e -desliga, da mesma forma, menor será a distância entre o Dreno e a -Fonte, levando também menos tempo para os elétrons deixarem o Dreno -em direção à fonte. Isso tudo fará a memória mais rápida. -Transistores pequenos também possibilitam que mais dados sejam -armazenados por área. É por isso que hoje enormes capacidades de -armazenamento são disponíveis em dispositivos tão reduzidos, como -são os exemplos de pen-drives e cartões de memória.

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Os transistores também são usados para executar operações -lógicas e aritméticas. A carga retirada de um transistor pode -servir para alimentar um outro e que, se combinados de forma correta, -podem executar as operações lógicas básicas, E, OU, NÃO e as -aritméticas, adição, subtração, divisão e multiplicação. Com -isso, os transistores não apenas podem ser utilizados para armazenar -dados, mas como executar operações lógicas e aritméticas sobre -esses dados. Isso é fantástico e vem revolucionado todo o mundo. -Não só na Ciência da Computação, mas como também em todas -áreas do conhecimento. O que seria da humanidade hoje sem o -computador? Sem o telefone celular? Sem os satélites?

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A Lei de Moore

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Durante os anos de 1950 e 1965, a industrias do Vale do Silício -disputavam pelo domínio do recém-surgido mercado da computação e -eletrônica. Naquela época ainda não havia surgido o termo TIC -(Tecnologia da Informação e Comunicação), mas ele seria mais -apropriado para definir o nicho de clientes e serviços que eles -disputavam. Eles dominavam a produção de circuitos eletrônicos -digitais, dominados pela Intel e AMD, a produção de computadores e -equipamentos de comunicação, como a Dell, Apple, IBM, HP e CISCO, -além da indústria e software e serviços, como a Apple, Microsoft -e, mais tarde, a Google. A disputa era grande e nem sempre leal.

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Nota
-		Assista ao filme “Piratas do Vale do Silício” (1999) e tenha uma -ideia de como essa guerra estava longe de ser limpa.
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Entretanto, não se sabia naquela época onde essa disputa ia parar, -nem quem seriam os vencedores, nem mesmo, se haveria sequer -vencedores. Até um dos sócios e presidente da Intel, Gordon Moore, -lançou um trabalho minucioso onde ele destacava a experiência que -ele adquiriu ao longe de alguns anos trabalhando na indústria de -fabricação de processadores e circuitos para computadores. Ele -percebeu que, sempre a indústria avançava em sua tecnologia e -conseguia reduzir o tamanho de cada transistor de um circuito -integrado, os computadores tornavam-se também muito mais velozes do -que antes. Porém, essa redução no tamanho dos transistores requer -uma total atualização nos equipamentos da indústria, tornando os -equipamentos anteriores obsoletos. Assim, só seria viável a -evolução para transistores menores se o lucro da empresa fosse o -suficiente para pagar todas essas despesas. Por outro lado, ele -também percebeu que os computadores e equipamentos mais obsoletos -ainda possuíam mercado aberto em países menos desenvolvidos -economicamente. Ele concluiu então que a indústria seria sim capaz -de continuar evoluindo na redução do tamanho dos transistores -porque os novos computadores, sendo tornando mais velozes, seriam -tão mais eficientes e atrativos, que todos os clientes, -principalmente as empresas, fariam de tudo para trocar seus -computadores antigos por novos, afim de se tornarem cada vez mais -produtivos.

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Além dessa análise de mercado, ele analisou como o processo -industrial era concebido e como os novos computadores se -beneficiariam da redução do tamanho dos transistores. Ao final, ele -afirmou que “A cada ano a quantidade de transistores por chip irá -dobrar de tamanho, sem alteração em seu preço”. Essa frase pode -ser interpretada também pelas consequências da quantidade de -transistores por chip. Ou seja, a cada ano, com o dobro dos -transistores, os chips se tornarão duas vezes mais rápidos. Um -exemplo mais comum de chip são os processadores dos computadores. -Então, por consequência, os computadores irão dobrar sua -velocidade de processamento a cada ano, e ainda vão permanecer com o -mesmo preço.

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Naquela época essa era uma afirmação muito forte e ambiciosa. -Muitos receberam esse estudo com cautela. Mas não demorou muito para -todos perceberem que as previsões de Moore estavam se realizando. -Foi tanto, e o trabalho dele foi depois chamado de “Lei de Moore” -e ela ainda é válida até os dias de hoje. Na [fig_moore] a -seguir é possível perceber como a quantidade de transistores por -processadores cresceu dos anos 1970 até por volta de 2003 (linha -contínua). É possível ver que ela não se afastou muito das -previsões de Moore (linha tracejada).

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-images/cap1/lei_moore.eps -
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Figura 4. Evolução do número de transistores nos processadores em comparação com a Lei de Moore
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A Lei de Moore se tornou tão importante que ela não é usada apenas -como uma meta a ser buscada e batida a cada ano, mas também como um -meio para se verificar se a indústria está evoluindo na velocidade -esperada. Apesar de Moore está muito correto em suas previsões, -todos sabem, inclusive ele próprio, que esse crescimento não vai -durar para sempre. Os transistores hoje estão na escala de 25 -nanometros. Essa é a mesma escala de alguns vírus e bactérias. -Reduzir mais do que isso está se tornando cada vez mais difícil. -Pesquisadores e cientistas buscam outras formas de fazer com que os -computadores continuem evoluindo em sua velocidade e reduzindo seu -tamanho. Alguns pensam na substituição de transistores de Silício -por outros materiais, como Grafeno. Outros até são mais radicais e -defendem que a forma de computação deve mudar, talvez através de -Computadores Quânticos ou de Bio-Computadores.

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Quanto menores forem os transistores, mais rapidamente eles podem ser -carregados e descarregados. Isso possibilita que o sistema trabalhe -cada vez mais veloz. Mas há ainda outra limitação para a redução -do tamanho dos transistores é a dissipação de calor. Quanto -menores os transistores, mais deles são adicionados num mesmo -circuito. O funcionamento dos transistores, como dito anteriormente, -é feito através da passagem de corrente elétrica (elétrons em -movimento). Como toda máquina elétrica, nem toda corrente é -aproveitada. Muito dela é desperdiçada através da dissipação de -calor. Então, uma vez que há milhões desses transistores -trabalhando juntos, a dissipação de calor é ainda maior.

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É muito importante para toda a humanidade que os computadores -continuem evoluindo. A redução do tamanho dos computadores, aliada -ao aumento de desempenho e sem o crescimento dos preços, permitiu -que todas as ciência evoluíssem ao mesmo tempo, com a mesma -velocidade. A metereologia, a medicina, as engenharias e até as -Ciências Humanas avançaram sempre em conjunto com o avanço da -computação. Para se ter um exemplo, foi a evolução dos -transistores que permitiu que computadores se comunicassem numa -velocidade tão grande que permitiu a formação da rede mundial de -computadores, a Internet. Qualquer pessoa hoje consegue em poucos -milissegundos fazer uma pesquisa por informações que estão do -outro lado do planeta. Algo que antes só era possível viajando até -bibliotecas distantes e cheirando bastante mofo e poeira. Hoje, ter -em casa bilhões de bytes (Giga bytes) armazenados num minúsculo -cartão de memória, é algo corriqueiro. A informação está hoje -disponível numa escala tão grande e numa velocidade tão intensa -que parece que mais nada é impossível para a humanidade. Após a -Revolução Industrial do século XVIII que substitui os -trabalhadores braçais por máquinas, o século XX, puxado pela -evolução dos transistores, passou pelo o que muitos consideram a -Revolução da Informação e o século XXI, já é considerado a -“Era do Conhecimento”.

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A evolução dos computadores

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O ENIAC

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O primeiro computador criado foi o ENIAC (‘Electronic Numerical -Integrator And Computer’), desenvolvido por Eckert e Mauchly na -Universidade da Pennsylvania, Estados Unidos. O projeto iniciou em -1943 financiado pelo governo americano. O período era da Segunda -Guerra Mundial e o objetivo era poder calcular de forma mais ágil as -melhores trajetórias para transporte de armas e mantimentos em meio -aos exércitos inimigos. Esse é o tipo de cálculo que pequenos -aparelhos celulares fazem hoje para encontrar rotas nas cidades -através de GPS (‘Global Positioning System’) e análise de mapa. -O projeto só foi concluído em 1946, tarde demais para ser utilizado -para a Segunda Guerra, mas foi bastante utilizado até 1955.

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O ENIAC ocupava uma área de 4500 metros quadrados, pesava 30 -toneladas e consumia cerca de 140KW. Ele era capaz calcular 5000 -somas por segundo. A programação era feita manualmente através da -manipulação de chaves, ou seja, não havia linguagem de -programação, nem compiladores ou interpretadores de comandos. O -Sistema Operacional só surgiu bem depois e tomou o emprego de muitos -funcionários chamados na época de operadores de computadores. -Profissão hoje extinta! O ENIAC ainda não utilizada transistores, -mas válvulas que, dependendo de seu nível de carga, representavam -um número. Cada válvula precisava estar devidamente aquecida para -funcionar corretamente, então o processo de ligar o ENIAC era -trabalhoso e levava bastante tempo. Ele trabalhava com o sistema de -numeração decimal, o que parecia óbvio naquela época, mas que -depois dos transistores, se tornaram complexo demais e foi adotado o -sistema binário.

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Após a Segunda Guerra iniciou-se o período chamado de Guerra Fria, -quando a espionagem, sabotagem e muito especulação reinava entre os -países liderados pela União Sovitética e Estados Unidos. Prato -cheio para os computadores. Possuir um computador que fosse capaz de -decifrar mensagens codificadas dos inimigos era o sonho de consumo de -todo general daquela época.

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A Arquitetura de von Neumann

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Muitas empresas e governos corriam para construir seu próprio -computador que fosse mais avançado do que os anteriores. Muitos -projetos surgiram depois do ENIAC. Mas todos eles eram barrados por -algumas dificuldades e limitações. Como por exemplo, o fato de não -serem programados e trabalharem com números decimais. O problema de -trabalhar com decimais é que cada algarismo armazenado possui 10 -estados possíveis, representando os números de 0 a 9. Dentro de um -sistema eletrônico, isso é complicado por que a carga de cada -dispositivo, seja transistor, seja válvula, deveria ser medida para -verificar se que número ela estava representando. Os erros eram -muito frequentes. Bastava que uma válvula estivesse fora da -temperatura ideal para que os resultados das operações começassem -a sair errado. Von Neumann recomendou em sua arquitetura que os -dados e instruções fossem agora armazenados em binário, -facilitando a análise dos mesmos e reduzindo a quantidade de erros.

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Em 1952, o professor John von Neumann, da Univeridade de Princeton, -Estados Unidos, apresentou um projeto inusitado para a arquitetura de -um computador. Ele sugeriu que o computador fosse organizado em -componentes, cada um executando apenas uma única tarefa e de forma -muito mais organizada. Ele propôs que o computador fosse composto -por (ver [fig_neumann]):

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    -Memória Principal: responsável por armazenar os programas a serem -executados, assim como os dados a serem processados -

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    -Unidade Lógica e Aritmética (ULA): para realização das -operações lógicas e aritméticas -

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    -Unidade de Controle: que, baseado nas instruções lidas da -memória, enviaria sinais de controle para a ULA para que a mesma -executasse as operações devidas -

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    -Unidade Central de Processamento (CPU): que agruparia a ULA e a -Unidade de Controle -

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    -Unidade de Entrada e Saída: responsável pela comunicação com os -periféricos do computador (teclado, monitor, memória externa etc.) -

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Figura 5. Estrutura da Máquina de von Neumann
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A Arquitetura de von Neumann deu tão certo que todos os fabricantes -começaram a segui-la. Os computadores utilizados até hoje em dia -seguem os preceitos básicos propostos por ele. Muitos avanços -surgiram, melhorias foram feitas, mas até hoje os computadores são -formados por Unidades de Controle, CPU, ULA, memória e Unidades de -Entrada e Saída. John von Neumann deixou um legado para toda a -humanidade.

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A IBM

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A International Business Machines, ou apenas IBM, foi fundada em 1911 -com o nome de Computing Tabulating Recording (CTR) e iniciou -produzindo e comercializando calculadoras para empresas e -empresários. Só em 1924 é que ela muda de nome para International -Business Machines ou apenas IBM. Ela é uma das poucas empresas que -sobreviveram a todos os avanços da computação e continua sendo uma -potência mundial. Apenas em 1953 a IBM entra no mercado de -computadores com o IBM 701, tendo sempre as grande organizações -como alvos. Só muitos anos depois é que os computadores pessoais -foram surgir. O IBM 701 trabalhava com cartões perfurados, ou seja, -toda programação dele era feita através de uma perfuradora que -marca buracos para representar o bit 1, e deixava ilesa uma área -para representar o 0. O mesmo acontecia depois que os programas era -lidos e processados. Uma folha de papel era perfurada pelo computador -para representar o resultados das operações executadas. Não -preciso nem dizer o que isso era trabalhoso!

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Em 1955 a IBM lança o IBM 702 que agora não fazia apenas cálculos -científicos, mas também aplicações comerciais, visando deixar de -ser um equipamento apenas para cientistas, mas também para -empresários. Depois desses vários outros computadores foram -lançados nas séries 700. Essas máquinas ainda utilizavam válvulas -para armazenar os dados. Só em 1957 é que surge a Segunda Geração -de computadores, com a utilização de transistores. Isso tornou os -computadores mais leves, baratos, velozes e mais energicamente -eficientes. Os primeiros computadores dessa geração foram o IBM -7000 e o PDP-1, da DEC, empresa que não existem mais.

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A IBM lança em 1964 o IBM série 360, substituindo os antigos -computadores da série 7000. O IBM 360 inicia a primeira família de -planejada de computadores. Isso significava que todos computadores -seguintes da série 360 seriam compatíveis com os anteriores. Todos -programas desenvolvidos ou adquiridos pelas empresas poderiam ser -usados mesmo que a empresa substituísse os computadores pela -geração mais nova. Isso tornou a IBM uma das empresas mais -poderosas do mundo na época, com filiais e representantes em todos o -continentes do planeta.

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As gerações dos computadores

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As gerações de computadores surgiram com a miniaturização dos -transistores e sua integração em chips em escalas cada vez maiores. -Podemos então ver as gerações dos computadores como:

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    -1946 a 1957: computadores baseados em tubos de vácuo -

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    -1958 a 1964: surgimento dos transistores -

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    -1965: indústrias atingiram a integração de até 100 transistores -num único chip -

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    -1971: chamada de Integração em Média Escala, com até 3000 -transistores por chip -

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    -1971 a 1977: Integração em Larga Escala, com até 100.000 -transistores por chip -

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    -1978 a 1991: Integração em Escala Muito Grande (VLSI), com até -100 milhões de transistores por chip -

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    -1991 até a atualidade: Integração Ultra-VLSI, com mais de 100 -milhões de transistores por chip -

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Memórias de semicondutores

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Em 1970, uma empresa chamada Fairchild desenvolveu pela primeira vez -uma memória utilizando a mesma tecnologia utilizada para fabricar os -processadores, os transistores. Isso possibilitou que memórias muito -menores, mais rápidas e mais baratas fossem desenvolvidas. E melhor, -elas poderiam ser inseridas muito próximas, e até dentro dos -processadores, acompanhando sua miniaturização. E foi o que -aconteceu. A medida que a tecnologia foi avançando e produzindo -transistores cada vez menores, as memórias também foram encolhendo.

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Os processadores tornaram-se cada vez menores e mais velozes, mas -infelizmente o avanço não ocorreu também com a velocidade das -memórias, mas apenas com o seu tamanho. Isso até hoje é um -problema. Armazenamentos rápidos são muito complexos de fabricar e, -por consequência, caros. Isso vem limitando o avanço da velocidade -dos computadores, mas sempre os cientistas vêm encontrando -alternativas para manter Gordon Moore e todos nós muito orgulhosos.

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A Intel

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A Intel Corporation, ou simplesmente Intel, surgiu nos Estados Unidos -em 1968, como uma empresa focada no projeto e fabricação de -circuitos integrados. Ela foi fundada por Gordon Moore (o mesmo da -Lei de Moore) e Robert Noyce. Ela era inicialmente uma concorrente da -IBM, mas logo se tornaram parceiras. A Intel fabricava os -processadores e memória, e a IBM fazia a composição deles com -outros componentes para montar os computadores.

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Em 1971 a Intel lança seu primeiro processador, o 4004, que -trabalhava com operações e dados de 4 bits. Foi uma revolução, -pois todos componentes da CPU estavam num único chip. No ano -seguinte eles lançam o 8008, já de 8 bits. Em 1974 é lançado o -8080, primeiro processador de propósito geral. Ou seja, com ela -tanto era possível executar aplicações científicas, financeiras, -gráficas e jogos. O mesmo princípio dos processadores atuais. Ele -foi substituído pelo 8086 de 16 bit. O próximo foi o 80286 que já -era capaz de trabalhar com uma memória de 16MBytes. O 80386 -trabalhava com 32 bits e tinha suporte a multi-tarefas, ou seja, era -finalmente possível executar mais de uma aplicação -simultaneamente. Depois veio o 80486 com muito mais memória e bem -mais rápido, além de um co-processador específico para -aplicações matemáticas. A partir do 80286 as pessoas omitiam o 80 -ao falar do processador, chamando-o apenas de 286, 386 e 486.

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Em seguida veio a geração Pentium, focando cada vez mais na -execução de tarefas paralelas, adicionando várias unidades de -processamento e armazenamento de dados dentro processador. Agora os -processadores não teriam apenas uma ULA ou uma memória dentro do -processador, mas várias delas. Hoje estamos na geração dos -processadores multi-núcleos, ou multi-cores, que nada mais são do -que vários processadores replicados dentro de um mesmo chip e -coordenadores por uma unidade única.

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A Apple e a Microsoft

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Em 1974 Steve Jobs e Steve Wosniak trabalhavam noites a fio para -tentar, pela primeira vez, criar um computador que fosse voltado não -a empresas, mas a pessoas também. Seria a ideia de um computador -pessoal. Eles compraram todos componentes necessários para montar um -computador, fizeram várias improvisações e inovações, acoplaram -uma TV e um teclado. Wosniak, um gênio da eletrônica e -programação, desenvolveu o software para controlar o computador e -ainda alguns aplicativos, como uma planilha de cálculos e alguns -jogos. Assim que o protótipo ficou prontos, Steve Jobs, eximiu -negociador e vendedor, colocou o computador na mala de seu carro e -foi visitar várias empresas para conseguir algum apoio financeiro -para poder fabricar o produto em escalas maiores. Foi até na IBM, -mas ouviu deles que o mercado de computadores pessoais não era -promissor e o negócio deles era a produção de grandes computadores -para empresas.

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Assim que conseguiram o primeiro cliente, em 1976, Jobs e Wosniak -fundaram a Apple e lançaram o Apple I. Um produto mais maduro e -melhor acabado. Jobs sempre gostava de produtos de design -diferenciado, que fossem não apenas eficientes, mas bonitos e, -principalmente, fáceis de usar. Suas apresentações anuais de -lançamento de novos produtos eram sempre aguardados com grande -expectativa e especulações.

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A IBM inicialmente também desenvolvia o Sistema Operacional e os -programas que iriam ser executados por suas máquinas. Logo ela -percebeu que poderia fazer parcerias com outras empresas e agregar -ainda mais valor aos seus produtos. Foi aí que surgiu a Microsoft, -liderada pelo seu fundador, Bill Gates, com o seu sistema -operacionais MS-DOS. Não demorou muito para que todos computadores -lançados pela IBM trouxessem também o MS-DOS integrados e eles. -Depois surgiram as evoluções do MS-DOS, o Windows e suas várias -gerações. A Microsoft se beneficiou bastante dessa parceria, já -que todos a grande maioria dos computadores do mundo executavam seu -sistema, as pessoas teriam que aprender e se familiarizar com seu -sistema operacional. As empresas de desenvolvimento de aplicativos e -jogos tinham que fazê-los compatíveis com o MS-DOS e Windows e foi -aí que a Microsoft se tornou uma das líderes do mercado e, por -muitos anos, a mais rica empresa do mundo.

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Steve Jobs sempre acusou o Bill Gates de ter copiado dele o código -principal para o funcionamento do primeiro sistema operacional -Windows. Gates nunca negou. Eles sempre trocavam acusações e isso -gerou muito assunto para a impressa e fanáticos por tecnologia. A -verdade é que a Microsoft cresceu bastante e a Apple passou por -vários apertos. Só no ano 2000, quando Jobs retornou à Apple -depois de ter sido expulso da própria empresa que ele fundou, foi -que as coisas melhoraram para a Apple. Eles lançaram produtos em -outras linhas que não fossem computadores pessoais, como o iPod para -ouvir música e o telefone celular iPhone. A Apple passou então a -dominar o mercado de música online com sua loja de músicas, iTunes -e o iPhone é o Smartphone mais vendido do mundo.

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Steve Jobs seguia a filosofia não de fazer clientes, mas de criar -fãs. E deu certo. Hoje há vários “Apple Maniamos” que compram -seus produtos antes mesmo deles serem apresentados ao público. Nos -dias em que esse livro está sendo escrito, a Apple ultrapassou a IBM -e a Microsoft em valor, e é a empresa mais valiosa do mundo.

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Recapitulando

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Ao final desse capítulo vimos o que é a arquitetura de um -computador e porque é tão importante estudá-la. Vimos que o -transistor é o dispositivo básico para todo o funcionamento de um -computador. Estudar seu funcionamento e sua evolução, é estudar a -própria Ciência da Computação e a eletrônica digital. Depois de -seu surgimento, os computadores foram possíveis e avançaram a -medida que eles encolhiam de tamanho e aumentavam de velocidade, -consumindo menos energia. Com a evolução dos computadores, cada vez -mais rápidos, menores e mais baratos, toda a humanidade avançou na -mesma velocidade. No próximo capítulo vamos estudar mais a fundo -como os processadores funcionam. Como os programas são executados e -o que é feito nos dias de hoje para que eles sejam cada vez mais -eficientes.

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Atividades

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    -Quais as quatro funções básicas que todos os computadores -executam? Dê um exemplo de operação de cada uma delas. -

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    -Quais os elementos básicos de um computador e quais as -funcionalidades de cada um deles? -

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    -Quais as diferenças entre um sinal analógico e um digital? -Apresente os pontos fortes e fracos de cada um deles. Na sua -opinião, qual dos dois sinais apresentam maior qualidade? -

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    -Caracterize o que é uma Máquina de von Neumann -

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    -O que são transistores? Quais as vantagens na concepção de -computadores com o surgimento dos transistores? -

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    -Por que quantos menores os transistores, mais velozes os -computadores? Há desvantagens nessa miniaturização das máquinas? -Quais? -

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    -O que diz a Lei de Moore? Em sua opinião, há um limite para esse -crescimento? Onde vamos chegar? -

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    -Que outras técnicas podem ser utilizadas para aumento do -desempenho dos processadores que não pela redução do tamanho dos -transistores? Explique cada uma delas. -

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Unidade Central de Processamento (CPU)

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Objetivos do capítulo
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Ao final deste capítulo você deverá ser capaz de:

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    -Identificar os principais componentes de uma CPU -

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    -Conhecer o funcionamento de uma CPU -

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    -Saber como um programa é executado em ciclos -

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    -Definir e explicar o que é uma interrupção e suas consequências -

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    -Argumentar sobre aspectos que influenciam no desempenho de uma CPU -

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Nesse capítulo vamos estudar a parte mais importante de um -computador, que é a Unidade Central de Processamento, ou UCP, ou, do -inglês, CPU. -A CPU é responsável não apenas por executar os programas contidos -na memória, mas também de controlar todos os dispositivos de -entrada e saída. -Seu avanço ao longo dos anos tem permitido que programas fossem -executados cada vez mais rapidamente. -Hoje temos processadores de vários núcleos capazes de executar -várias atividades ao mesmo tempo. -São esses processadores e funcionalidades que iremos estudar nesse -capítulo.

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O que é um programa?

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Nesse momento, você não apenas deve saber o que é um programa, -como já deve ter até já escrito seus próprios programas e -entendido um pouco como o computador funciona. -Os programas são sequências finitas de passos que foram definidas -por um programador para alcançar um objetivo específico. -Cada passo desse programa é chamado de instrução. -Não necessariamente, uma instrução escrita em uma linguagem de -alto nível, como C, Java, Python, por exemplo, é diretamente -transformada em uma instrução de máquina e armazenada em memória -para execução da CPU. -Na verdade, geralmente, uma instrução de uma linguagem de alto -nível embute vários comandos e ações a serem executadas pela CPU. -Essa é a principal razão da criação dessas linguagens de alto -nível. -O programador deve ter o menor trabalho possível ao escrever um -programa. -Ele deve se preocupar com o problema que está tentando solucionar, -ao -invés de memorizar dezenas de comandos de uma linguagem de máquina -extensa e repleta de detalhes.

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Após compilado, o programa de linguagem de alto nível é -transformado em um programa apenas com instruções de máquina. -Cada instrução de máquina contém apenas uma única operação a -ser realizada pela CPU. -Para ser executado, esse programa deve ser transferido para a -Memória Principal. -No princípio, um Operador de Máquina, copiava todas as instruções -para a memória de maneira quase que manual. -Hoje em dia essa operação é realizada pelo Sistema Operacional -(Windows, Linux etc.). -Assim que um usuário clica com o mouse, ou pressiona a tecla Enter -do teclado solicitando que um determinado programa execute, o Sistema -Operacional copia o programa para a memória e solicita que a CPU o -execute.

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Não podemos esquecer que a memória do computador apenas armazena -números binários. -Então, podemos dizer que um programa em linguagem de máquina é -formado por instruções em binário. -A cada instrução trazida da memória, a CPU lê seu código -binário de operação para saber do que se trata, e inicia o -processo de execução. -Dependendo da operação, que pode ser de movimentação de dados, -uma operação lógica, ou aritmética, ou uma operação de -armazenamento de dados, a CPU envia ordens para que os outros -dispositivos do computador atuem de forma a completar a operação. -Essas ordens são enviadas através de pulsos elétricos passados por -fios dentro do computador. Esses fios são chamados de Barramento de -Controle.

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Software X Hardware

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O computador é composto por dois elementos, o software e o hardware. -Tanto o hardware quando o software foram escritos por um programador, -ou engenheiro, para se resolver um determinado problema. -O início é sempre o mesmo. O profissional se depara com um problema -e projeta uma solução algorítmica para ele. -A diferença está na concepção. O hardware é concebido em chip, -utilizando transistores interconectados. -Uma vez elaborado, o hardware não pode mais ser modificado. Ele é -uma solução rígida (do inglês, Hard) para o problema. -Já o software é elaborado para ser armazenado numa memória e ser -executado com um processador de propósito geral. -Ele é uma solução flexível (do inglês, Soft) para o problema, -já que o programador pode, a cada momento, modificar seu programa -afim de torná-lo cada vez melhor.

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Soluções em software são sempre mais lentas do que soluções -equivalentes em hardware. -Isso porque para executar um programa, cada instrução deve antes -ser armazenada em memória, transferidas para a CPU (lembre-se que -memórias são muito mais lentas do que CPUs) e, só então, ser -executada pela CPU. -Já as soluções em hardware não utilizam instruções, elas -executam as operações diretamente.

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Por outro lado, as soluções em software ganham em flexibilidade, -já que os programas podem ser facilmente modificados. -Já as soluções em hardware, não. -Uma vez concebido, um hardware não pode mais ser modificado, ele -deve ser descartado para dar lugar a uma versão mais nova. -Isso torna projetos em hardware muito mais caros.

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Para entender melhor, podemos citar alguns exemplos de -implementações em hardware comumente utilizadas. -Todas são escolhidas devido ao seu caráter de pouca necessidade de -modificação, mas muito demanda por alto desempenho. -Por exemplo, chips de criptografia para celulares (geralmente -smartphones), processadores aritméticos para acelerar o cálculos, -aceleradores gráficos para gerar gráficos mais rápidos, alguns -chips para fazer edições rápidas em fotos, geralmente acoplados -às câmeras digitais. As implementações são feitas em software -quando a demanda por desempenho não é tanta, ao mesmo tempo em que -as atualizações são frequentes, como os Sistemas Operacionais, os -jogos e aplicativos em geral.

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Apesar de não ser tão rápida quanto gostaríamos, a CPU é uma -solução muito boa por permitir a execução de, praticamente, -qualquer tipo de programa, se tornando uma máquina de propósito -geral.

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Estrutura de uma CPU

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Toda CPU é formada por duas unidades, como podem ser vistas na -[fig_CPU]:

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    -Unidade de Controle (UC) -

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    -Unidade de Ciclo de Dados (UCD) -

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-images/cap2/fig_CPU.eps -
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Figura 6. Estrutura de uma CPU
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A Unidade de Controle é responsável por receber instruções pelo -Barramento de Instruções. As instruções vêm da memória de -acordo com o endereço enviado pela UC para a memória através do -Barramento de Endereço das Instruções (à esquerda da UC na -[fig_CPU]). -Já Unidade de Ciclo de Dados, como o próprio nome deixa entender, -é responsável por tratar os dados propriamente ditos. -A Unidade de Controle não executa as instruções. -Ela as lê, decodifica e passa os comandos para a UCD determinando -como as instruções devem ser executadas e com quais dados. -Baseada nesses comandos, a UCD pode ir buscar os dados necessários -na memória, executar as devidas operações e enviar o resultado de -volta para a memória para ser armazenado. -Tudo controlado de acordo com os comandos internos enviados pela -Unidade de Controle, que por sua vez se baseia na instrução -decodificada. -Os dados lidos, ou enviados para a memória, são transmitidos -através do Barramento de Dados. -Os endereços são enviados para a memória através do Barramento de -Endereço.

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Tudo isso é controlado por um sinal síncrono de relógio (clock, do -inglês). -A cada batida do relógio a unidade sabe que deve executar um passo, -passar os dados para quem deve, e se preparar para o próximo passo. -Quanto mais rápido é o relógio mais operações por segundo o -processador consegue executar e mais rápido pode se tornar. -A velocidade do relógio é medida em frequência, utilizando a -unidade Hertz (abreviatura é Hz). -Um Hertz significa um passo por segundo. -Os processadores atuais trabalham na faixa dos poucos GHz (leia-se -Giga Hertz), entre 1 GHz e 5 GHz. -Um Giga Hertz significa um bilhão de passos por segundo. -É por isso que os computadores são tão incríveis. -Eles não executam operações extraordinárias. Pelo contrário. -Executam operações extremamente simples, como somas, subtrações e -multiplicações, mas fazem isso numa velocidade incrível.

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Os papéis dos barramentos e da memória

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Saindo um pouco de dentro da CPU, podemos enxergar os barramentos e a -Memória Principal, como é apresentado na [fig_CPU_com_barramento]. -Para facilitar a visualização, os Barramentos de Dados e de -Endereço são apresentados replicados, tanto do lado esquerdo, -quanto do direito da figura.

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-images/cap2/fig_CPU_com_barramento.eps -
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Figura 7. Estrutura de uma CPU com barramentos
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A comunicação da Unidade de Controle e da Unidade de Ciclo de Dados -é feita sempre com a Memória Principal através dos barramentos. -Os endereços são transmitidos sempre via Barramento de Endereços -para a memória, sempre de forma unidirecional da CPU para a memória. -Quando as instruções são transmitidas da memória para a Unidade -de Controle, elas utilizam o Barramento de Dados. -Isso porque as instruções são tratadas pela memória como um -conteúdo como um outro qualquer. -Ela não faz distinção entre dados e instruções. -O mesmo Barramento de Dados é utilizado pela Unidade de Ciclo de -Dados para receber os operandos das operações a serem realizadas e -para enviar os resultados de volta para a memória.

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Fica claro então a importância da Memória Principal. -Todo e qualquer programa só poderá ser executado a partir dela. -Quando você, por exemplo, deseja executar um programa de um pendrive -conectado pela USB do computador, ele antes precisa ser copiado para -a Memória Principal. -Só então ele será executado. -A memória precisa ser grande o bastante para armazenar a maior -quantidade possível de programas, e também precisa ser rápida o -suficiente para buscar os dados e enviá-los o mais rapidamente -possível à CPU, e também salvá-los no menor tempo possível. -A velocidade das memórias é determinada essencialmente pela -tecnologia de transistores utilizada. -Essa tecnologia é relacionada ao preço. Quanto mais rápidas, mais -caras elas são.

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Os registradores

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Os registradores são memórias elaboradas com o mínimo de -transistores possível, utilizando o que há de mais moderno em -tecnologia de armazenamento. -Elas são as memórias mais rápidas que podem ser construídas e por -isso são também as mais caras. -Por essa razão, elas aparecem numa quantidade muito pequena em um -computador, na casa de alguns Kilo Bytes. -Eles podem ser divididos em dois grupos. -Os registradores de propósito geral, e os de propósito específico. -Como o próprio nome diz, os primeiros podem ser utilizados pelos -programas para quaisquer objetivos, já os segundos são específicos -para algumas tarefas. -Por exemplo, há um registrador na CPU para controlar se o -processador deve continuar em execução, ou entrar em modo de espera -por nova ordem. -Se esse registrador receber um valor diferente de zero, o processador -entrará em modo de espera, até que receba a ordem de modificar esse -valor. -Na [fig_arq_detalhada] os registradores de propósito específico -apresentados são:

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    -Program Counter (PC): Contador de Programas -

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    -Instruction Register (IR): Registrador de Instrução -

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    -Memory Address Register (MAR): Registrador de Endereço -

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    -Memory Buffer Register (MBR): Registrador de Dados -

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-images/cap2/fig_arq_detalhada.eps -
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Figura 8. Estrutura de uma CPU com registradores
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O PC contém o endereço de memória que será utilizado para buscar -a próxima instrução a ser executada pela CPU. -Antes de executar qualquer instrução, a CPU envia o conteúdo de PC -para a memória através do Barramento de Endereço, a memória envia -o conteúdo da memória nesse endereço através do Barramento de -Dados. -Esse conteúdo é então armazenado no IR. -Já o IR, que recebeu a instrução que veio da memória, tem o -objetivo de guardar a instrução e passá-la para a Unidade de -Controle, que é quem vai lê-la e tomar as decisões necessárias -para para que ela seja executada pela Unidade de Ciclo de Dados. -Por se tratarem do processo de busca de instruções, o PC e o IR -ficam instalados na Unidade de Controle. -O PC possui conexão direta com o Barramento de Endereços, e o IR -com o Barramento de Instruções.

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Com relação ao MAR e ao MBR, eles possuem funções análogas ao PC -e IR, respectivamente, mas referentes a dados e não a instruções. -Quando uma operação precisa ser realizada com algum dado que está -na memória (e não em um registrador), o endereço desse dado é -passado para o MAR. -A CPU então passa o conteúdo de MAR para a memória através do -Barramento de Endereço, que retornará o conteúdo da memória nesse -endereço através do Barramento de Dados. -O conteúdo trazido pela memória será armazenado em MBR. -Só então o dado poderá ser utilizado para o processamento -inicialmente planejado. -O MBR e MAR possuem, respectivamente, conexões diretas com os -Barramentos de Dados e de Endereços. Ambos são situados na Unidade -de Ciclo de Dados, por serem utilizados nas fases de processamento -das instruções.

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O tamanho e quantidade dos registradores de uma CPU é uma das -principais decisões de projeto. -Se forem grandes demais, ou em quantidade maior do que a necessária, -podem resultar em desperdício e aumento desnecessário no preço do -processador. -Já se forem pequenos, ou em pouca quantidade, com certeza vão -tornar o computador muito mais lento do que o desejado. -Encontrar o tamanho e quantidade ideais é trabalhoso e geralmente é -feito através de simuladores e de muito testes e anos de -experiência.

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Os registradores de propósito geral são utilizados para guardar as -variáveis dos programas. Como eles estão presentes em quantidades -muito pequenas, são poucas as variáveis que ficam armazenadas em -registradores. As demais ficam na Memória Principal. Quando uma -operação precisa ser realizada e seus dados estão nos -Registradores de Propósito Geral, a CPU não precisa buscá-los na -memória e o processamento torna-se muito mais rápido.

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Importante
-		Lembre-se que as memórias são muito mais lentas do que os -processadores!
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A CPU tenta ao máximo manter as variáveis mais utilizadas nos -registradores. Ela faz isso guardando aquelas mais usadas nas -últimas operações. Nem sempre isso funciona, mas no geral, é a -melhor solução.

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Nota
-		Faça suas variáveis mais importantes serem bastante utilizadas. -Usando-as em repetições, por exemplo. -Isso aumentará as chances delas serem armazenadas em registradores, -podendo acelerar a execução dos seus programas.
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Unidade Lógica e Aritmética (ULA)

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A Unidade Lógica e Aritmética, ou ULA, se assemelha muito com uma -calculadora convencional. -Ela executa operações lógicas e aritméticas. -As ULAs modernas executam operações tanto com inteiros, como com -números reais. -A ULA recebe como entrada dois diferentes dados que são trazidos -para ela dos registradores (de propósito geral, ou específicos) -(veja a [fig_arq_detalhada]). -Quem decide que registradores passarão seus dados para a ULA é a -Unidade de Controle baseada no tipo da instrução que está sendo -executada. -A Unidade de Controle também envia para a ULA qual operação será -realizada (soma, multiplicação, divisão, AND, OR etc.). -Assim que isso é feito, a ULA executa a operação e gera um -resultado na sua saída. -Esse resultado também é passado para um registrador escolhido pela -Unidade de Controle, baseando-se na instrução em execução.

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Unidade de Controle (UC)

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A Unidade de Controle, ao receber a instrução que está armazenada -em IR, a decodifica e envia os sinais de controle para onde for -necessário. -Decodificar nada mais é do que ler um código em binário e -interpretar a operação relativa a esse código. -Dependendo da operação, os sinais de controle podem ser internos, -por exemplo, para a ULA executar uma soma, ou para o conteúdo de um -registrador ser transferido para a ULA. -Ou pode ser externo, para um dispositivo de entrada e saída, por -exemplo, ou mesmo para a Memória Principal. -Tudo isso depende da instrução a ser executada.

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Na próxima seção será apresentada a execução de instruções em -mais detalhes, o que facilitará o entendimento do funcionamento das -CPUs.

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Ciclo de Instrução

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Toda CPU trabalha em dois ciclos principais, o Ciclo de Busca e o -Ciclo de Execução, como pode ser visto na [fig_ciclo_instrucao]. -Assim que o computador é iniciado, a CPU entra no Ciclo de Busca, em -seguida passa para o Ciclo de Execução e depois volta para o Ciclo -de Busca. -Ela continua nesse processo até que precise ser desligada, saindo do -Ciclo de Execução para o estado final.

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-livro__1.png -
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Figura 9. Ciclo de Instrução
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Durante o Ciclo de Busca, é a Unidade de Controle que atua. -Uma nova instrução é buscada da Memória para que possa ser -decodificada. -Nessa fase os registradores [PC] e [IR] são utilizados, como -apresentados na seção anterior. -O PC é logo lido para se saber que instrução será executada, essa -instrução é trazida para o IR e, finalmente, é decodificada pela -Unidade de Controle. -Assim que esse processo termina, caso a instrução não diga -respeito à um laço, ou à uma repetição, o conteúdo de PC é -incrementado. Ou seja, PC recebe PC + 1. -Assim, no próximo Ciclo de Busca a instrução do endereço seguinte -será carregada da memória e executada. -Esse comportamento garante a característica de execução sequencial -dos programas.

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No passo seguinte a CPU entra em Ciclo de Execução. -Nessa etapa atua a Unidade de Ciclo de Dados. -Agora a Unidade de Controle já sabe exatamente que operação será -executada, com quais dados e o que fazer com o resultado. -Essa informação é passada para a ULA e os registradores envolvidos. -Durante o Ciclo de Execução há cinco possíveis tipos de -operação que podem ser executadas:

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-Processador e memória -
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-trata simplesmente da transferência de -dados entre CPU e memória principal; -

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-Processador e Entrada e Saída -
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-diz respeito à transferência de -dados entre a CPU e um dispositivo de Entrada e Saída, como teclado, -mouse, monitor, rede, impressora etc.; -

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-Processamento de Dados -
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-são operações simplesmente de -processamento dos dados, como operação aritmética ou lógica sobre -os registradores da CPU; -

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-Controle -
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-são instruções que servem para controlar os -dispositivos do computador, como para ligar um periférico, iniciar -uma operação do disco rígido, ou transferir um dado que acabou de -chegar pela Internet para a Memória Principal; -

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-Operações compostas -
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-são operações que combinam uma ou mais -instruções das outras em uma mesma operação. -

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Busca de Dados

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Em operações entre Processador e Memória, é necessário que dados -sejam trazidos da memória para servirem de entrada para a ULA, e/ou -o resultado seja levado para armazenamento na memória no final da -execução. -Para isso acontecer, é executada uma Busca de Dados. Isso é -determinado durante a decodificarão da instrução, no ciclo de -Busca de Instrução. -Isso acontece quando um dos parâmetros de uma operação aritmética -é um endereço de memória, e não um valor diretamente, nem um -registrador. -Para isso, parte do conteúdo de [IR] é transferido para o [MAR]. Essa -parte é justamente o endereço do parâmetro da instrução. -Em seguida a Unidade do Controle requisita à memória uma leitura. -Assim, o endereço, agora em MAR, é passado para a memória e o -conteúdo lido da memória é passado para o [MBR]. -Agora o conteúdo é transferido para a ULA para que a operação -seja executada (lógica ou aritmética).

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Se a instrução tiver dois ou mais parâmetros de memória, serão -necessárias outras Buscas de Dados. -Como a memória é sempre mais lenta do que a CPU, instruções que -necessitam Buscas de Dados são muito mais lentas do que instruções -de Processamento de Dados.

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Perceba que cada instrução pode exigir mais tempo de execução do -que outras. Isso depende de quantos acessos à memória ela exigirá. -Quanto mais acessos à memória, mais lenta a instrução. -O ideal é sempre usar registradores. -Mas nem sempre é possível utilizar registradores. -Eles estão sempre em poucas quantidades e em menores tamanhos. -Principalmente por serem caros. -O que os computadores sempre tentam fazer é passar os dados da -memória para os registradores assim que puderem, para que as -próximas instruções sejam aceleradas.

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Interrupções

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Além do ciclo básico de instrução apresentado anteriormente, a CPU -pode ainda executar outro tipo de tarefa. -Ela diz respeito ao processamento de pedidos oriundos dos -dispositivos de Entrada e Saída. -Como o Ciclo de Instrução da CPU que vimos até o momento é -fechado, ou seja, a CPU sempre fica em estado de repetição até que -seja desligada, ela não pode atender a nenhum evento externo que -não seja a execução de um programa. -Por exemplo, quando um usuário pressiona uma tecla do teclado, ou -faz um movimento com o mouse, ou mesmo, quando uma mensagem chega -pela Internet através da placa de rede. -O que a CPU deve fazer? -Se ela estiver em um Ciclo de Instrução fechado como mostrado -anteriormente, nada. -Ela precisa parar o que está fazendo para atender ao evento ocorrido -e, só então, voltar ao Ciclo de Instruções. -Esse processo de parar o Ciclo de Instrução para atender a um -evento externo é chamado de Interrupção.

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O Ciclo de Instrução pode agora ser visto modificado na -[fig_ciclo_com_interrupcao] para atender às Interrupções. -Todas as interrupções são recebidas e armazenadas internamente por um -dispositivo chamado Gerenciador de Interrupções. -Esse dispositivo é um chip, semelhante à uma CPU, mas bem mais simples.

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Figura 10. Ciclo de Instruções com interrupções
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Na maioria dos computadores eles vêm soldados na Placa-Mãe, mas -podem também vir dentro do chip da CPU. -Toda interrupção possui um código de identificação. Sempre que -uma nova interrupção chega nesse gerenciador, ele armazena esse -código em sua memória e manda um sinal para CPU através do -Barramento de Controle. -Durante seu Ciclo de Instrução, sempre que uma instrução é -executada, antes de voltar para o Ciclo de Busca, a CPU checa se -algum sinal de interrupção foi enviado pelo Gerenciador de -Interrupção.

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Quando não há uma interrupção, a execução volta ao Ciclo de -Busca e o programa em execução continua a ser executado. -Mas se houver uma interrupção, a CPU agora vai parar a execução -do programa atual para atender a interrupção. -Por exemplo, vamos supor que o usuário tenha pressionado uma tecla -do teclado. -O código armazenado pelo Gerenciador de Interrupção indica que a -interrupção veio do teclado. -A CPU pára sua execução do programa anterior e vai iniciar a -execução de um programa especial, o Tratador de Interrupção. -O código do dispositivo (aqui seria o teclado) serve para a CPU -saber o endereço do Tratador de Interrupção que ela vai buscar da -memória. -Então, ao sair da Checagem de Interrupção, a CPU muda o endereço -do PC para o endereço do Tratador de Instrução. -Assim, no Ciclo de Busca a próxima instrução a ser trazida da -memória e posteriormente executada será a do tratador do teclado.

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Cada tipo de interrupção precisa de um tratamento específico a ser -feito. No caso do teclado, o tratador vai checar que tecla foi -pressionada. -Isso é feito através de uma leitura à memória do teclado (sim, -todos os dispositivos possuem uma pequena memória) para saber que -tecla foi pressionada. -Dependendo da tecla, uma operação diferente será executada. -Geralmente, a CPU adiciona o código da tecla pressionada num -endereço específico de memória. Cada programa, lendo essa -informação, tomará sua própria decisão sobre o que deve ser -feito. -O que acontece é que apenas o programa ativo no momento, vai ler -esse conteúdo, executar a ação da tecla e limpar essa área de -memória. -Se o programa for um editor de texto, por exemplo, o código pode -representar escrever a letra pressionada na posição atual do cursor -dentro do texto.

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Quando esse processo encerra, o tratamento é encerrado, e a CPU deve -voltar à execução do programa que havia sido interrompido. -Isso só é possível porque, antes de passar à execução do -Tratador de Interrupção, a CPU salva os conteúdos de todos os -registradores da CPU (inclusive o PC e o IR). -Então, antes de devolver a execução para o programa, a CPU -restaura -todos os valores dos registradores antes salvos. -Dessa forma, o programa retoma exatamente do ponto em que parou.

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As interrupções também ocorrem se o próprio programa em -execução executar uma operação ilegal. -Isso é feito para evitar que a CPU entre em erro. -Por exemplo, se um programa tentar acessar uma área da memória que -é proibida para ele, como a área de outro programa ou do Sistema -Operacional. -Nesse caso, o programa é interrompido e não volta mais a executar, -ele é finalizado e a execução é devolvida ao Sistema Operacional. -Algo semelhante ocorre em caso de defeitos em alguns dispositivos. -Por exemplo, se um programa estiver lendo um arquivo que está em um -pendrive, e esse pendrive é removido subitamente, uma interrupção -é lançada e o programa é encerrado, já que ele não faz mais -sentido estar em execução.

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Sobre o desempenho

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É possível agora perceber que o desempenho das CPUs depende de -muito outros fatores além da velocidade do seu clock. -O computador precisa ter memórias rápidas para reduzir o tempo dos -Ciclos de Busca, precisam de mais registradores para usar menos a -memória e também que poucas interrupções ocorram. -Cada vez que uma interrupção ocorre, o programa deve ser -interrompido e a chamada deve ser atendida. -Isso vai atrasar demais o tempo de execução dos programas, dando a -impressão de baixo desempenho.

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Basicamente, há dois tipos programas, os orientados à CPU e os -orientados a Entrada e Saída. Na [fig_entrada_saida] o -comportamento dos primeiros é mostrado na parte a) e o dos segundos -na parte b).

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-images/cap2/fig_entrada_saida.eps -
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Figura 11. Execução com várias interrupções
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Quando um programa é orientado à CPU, há momentos longos de -processamento de CPU e curtos momentos de espera por um evento de -Entrada e Saída. É o exemplo de programas que fazem muitos -cálculos matemáticos, como ferramentas de simulação, projetos de -engenharia, computação gráfica e planilhas de cálculos. -Inicialmente os dados de entrada são passados por um dispositivo de -entrada, há longos momentos de cálculos e depois os resultados são -passados para um dispositivo de entrada e saída.

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Já nos programas orientados à Entrada e Saída (b), que são aqueles -chamados também de interativos, há muitos momentos de interação e -uso de dispositivos de Entrada e Saída, e poucos momentos de uso de -CPU. Esse é o caso de programas que utilizam muito o mouse e o -teclado, como os jogos e a própria navegação na internet.

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O que temos que ter em mente é que o desempenho de um computador -está muito ligado ao perfil de cada usuário. Os Sistemas -Operacionais são os responsáveis por escolher que tarefa colocar -para executar a cada momento e por quanto tempo ela deve executar -até que uma nova tarefa entre em execução. Assim, o papel do -Sistema Operacional também é fundamental e determinante no -desempenho do sistema. O que ele tenta fazer no máximo que pode, é -tentar ocupar os tempos de espera de um programa com a execução de -outro. Tarefa nada fácil!

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Exemplo de execução de um programa

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Suponha que queiramos executar uma instrução de máquina que soma -dois números que estão na memória e salve o resultado em outro -endereço de memória. -Para tal, vamos indicar que a memória (M) se comporta como um vetor -(um array) e entre colchetes indicaremos o endereço do dado, ou da -instrução. -Sendo assim, a instrução que gostaríamos de executar seria:

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200: M[100] = M[101] + M[102]
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Nesse caso, vamos ler que no endereço 200 da memória há uma -instrução que precisa somar o conteúdo do endereço 101, com o -conteúdo do endereço 102 e salvar o resultado no endereço 100 -da -memória. Supondo que M[101] contenha o valor 10, e M[102] -contenha o -valor 20, ao final da execução, o endereço 100 de memória -(M[100]) deverá conter o valor 30.

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Como uma instrução como essa será executada depende de cada -arquitetura. Aqui vamos utilizar uma abordagem que quebra as -instruções em pequenos passos simples, que facilitam o trabalho de -decodificarão da CPU.

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Sendo assim, esse programa seria transformado na seguinte sequência -de instruções e executado.

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PC = 200;
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-//Envia comando de leitura de instrução para a memória
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-IR <- (M[100] = M[101] + M[102]) // Busca instrução da memória
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-PC = PC + 1
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-//Instrução é passada do IR para a Unidade de Controle
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A primeira ação seria realizar o Ciclo de Busca, visando trazer a -instrução a ser executada da memória para o processador. -O endereço da instrução (200) seria passado para o PC e um -comando -de leitura de instrução seria passado para a memória. -Baseada no endereço trazido por PC, a memória localizaria a -instrução e a enviaria para o processador, que a armazenaria no -registrador IR. -Antes de passar a instrução para a Unidade de Controle para dar -início à execução, o registrador PC é atualizado para o -próximo -endereço de memória, no caso, 201.

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O próximo passo será iniciar o Ciclo de Execução:

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//O primeiro dado é trazido da memória para o registrador R1
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-MAR = 101
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-//Envia comando de leitura de dado para a memória
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-MBR <- 10
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-R1 = MBR    // valor lido da memória é passado para o registrador R1
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Como os dados a serem operados estão também na memória, é antes -necessário executar uma operação de Busca de Operando, ou Busca -de Dado. -O primeiro operando está no endereço 101. Sendo assim, o endereço -101 é passado para o registrador de endereço (MAR). -Esse endereço é passado para a memória e é enviado um comando de -leitura de dado. -O conteúdo, o valor 10, é então localizado pela memória e enviado -para o processador, que o armazena no registrador de dados (MBR). -Como o MBR será utilizado nas próximas etapas de execução, seu -conteúdo é salvo em um registrador de propósito específico, o -R1.

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Em seguida, a Unidade de Controle passa para a busca do segundo -operando, contido no endereço 102:

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//O segundo dado é trazido da memória para o registrador R1
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-MAR = 102
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-//Envia comando de leitura de dado para a memória
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-MBR <- 20
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-R2 = MBR   // valor lido da memória é passado para o registrador R2
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Essa etapa ainda faz parte do Ciclo de Execução, e também diz -respeito à uma Busca de Dado. -A busca é mesma do passo anterior, mas agora o endereço buscado é -o 102, e o conteúdo é o 20, que é repassado para o registrador -R2.

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O próximo passo do Ciclo de Execução é executar a operação -aritmética propriamente dita. -Isso geralmente é feito entre registradores de propósito geral, por -serem mais rápidos do que se fosse tratar dados da memória. -Os conteúdos de R1 e R2 são somados e armazenados em R3:

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R3 = R1 + R2
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Para finalizar o processo, o resultado deve ser armazenado de volta -na memória:

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MAR = 100   // Endereço é passado para MAR
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-MBR = R3    // Resultado da operação é passado para MBR
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-// Comando de escrita é passado para a memória
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-M[100] <- 30    // Endereço 100 da memória recebe o valor 30
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Para isso ser realizado, é preciso executar uma operação de -escrita na memória. -O endereço 100 é então passado para MAR e o resultado da -operação, salvo em R3 é passado para MBR. -Quando o comando de escrita é enviado pela Unidade de Controle para -a memória, ela lê o endereço 100 pelo Barramento de Endereço e o -valor 30 pelo Barramento de Dados e salva, então, o valor 30 no -endereço 100.

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Com isso a operação é finalizada. Essa operação foi executada em -aproximadamente 14 passos. -Esse valor é aproximado porque alguns deles são apenas o envio de -sinal para a memória, e isso geralmente é feito em paralelo com o -passo seguinte. -Se cada passo for executado dentro de uma batida do relógio (ou -ciclo de clock), teremos 14 ciclos de clock para uma única instrução. -Mas perceba que o acesso à memória é sempre mais lento do que a -execução do processador. -Se cada acesso à memória levar 3 ciclos de clock, teremos um total -de 20 ciclos de clock.

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Nota
-		Apenas uma memória tipo Cache poderia ser acessada com apenas 3 -ciclos de clock. -Uma memória principal convencional precisa de entre 10 e 15 ciclos -de clock para ser lida. Depende de sua tecnologia (e preço!).
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Parece bastante, mas algumas instruções podem levar muito mais -ciclos do que isso, como operações com Ponto Flutuante (números -reais), ou de acesso a um periférico, como o disco rígido. -Isso depende muito de como o projeto do computador é elaborado.

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Apesar do computador parecer pouco efetivo na execução de uma -simples soma, como ele executa numa frequência de clock muito alta, -ele acaba executando muitas operações por segundo. -Então, utilizar apenas a frequência de clock como medida de -desempenho não é uma boa ideia. -O mais utilizado é medir a quantidade de operações aritméticas -que o processador é capaz de executar por segundo. -Hoje em dia um computador pessoal está na escala dos alguns Milhões -de Instruções por Segundo (ou MIPS). -Mais a seguir vamos estudar como essas e outras medidas de desempenho -podem ser calculadas.

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Nota
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O que vem por aí
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Até o momento vimos como um processador básico trabalha. Nas -próximas seções deste capítulo vamos ver como o desempenho pode -ser aumentado, ainda mais, aumentando adicionando técnicas avançadas de -execução paralela e de análise de programas.

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Aumentando o desempenho com Pipeline

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Pelo o que foi visto, até o momento, a execução de um programa é -essencialmente sequencial, ou seja, uma instrução só é executada -quando a anterior termina. -Ao longo do nosso curso veremos que há dois modos de paralelismo que -podem ser utilizados para melhorar ainda mais o desempenho do -processador. -O primeiro deles é através do chamado Paralelismo em Nível de -Hardware, que é obtido quando replicamos unidades do processador -para que elas funcionem em paralelo, reduzindo assim o tempo de -execução dos programas. -A segunda forma é através do Paralelismo em Nível de Instruções, -ou ILP (do inglês, Instruction Level Parallelism). -Nesse caso, as unidades do processador não são duplicadas, mas -melhores organizadas para que não fiquem ociosas. -Há duas formas principais de implementar o ILP, uma delas é -através do Pipeline e a outra é através de processadores -Superescalares. -Aqui vamos tratar do Pipeline, e no capítulo sobre Processamento -Paralelo, vamos tratar as outras formas de paralelismo.

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Imagine que possamos dividir o Ciclo de Instrução de um determinado -processador nas cinco etapas seguintes:

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-Carregar instrução (FI) -
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-Traz a instrução da memória para o -processador, armazena em IR (essa etapa também é chamada de Fetch -de Instrução) e a decodifica para execução no passo seguinte. -

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-Carregar operandos (FO) -
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-Traz os operandos da operação dos -registradores para a ULA, para que a operação seja realizada sobre -eles, também chamada de Fetch de Operandos. -

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-Executar instruções (EI) -
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-Executa operação lógica ou aritmética -propriamente dita. -

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-Escrever em memória (WM) -
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-Escreve o resultado da operação em -memória, se necessário. -

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-Escrever em registrador (WR) -
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-Escreve o resultado da operação -em um dos registradores, se necessário. -

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Esse é um dos Ciclos de Instrução mais simples que poderíamos -imaginar, organizado em apenas 5 etapas.

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Nota
-		Processadores convencionais, como os da Intel que usamos em nossos -computadores, executam instruções em cerca de 18 etapas.
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Cada instrução deve passar pelos cinco passos descritos para ser -executada. -Suponha que cada etapa necessite de apenas 1 ciclo de clock para ser -executada. -Quantos ciclos seriam necessários para executar um programa de 20 -instruções? -Essa conta é simples. -Cada instrução deve passar pelas cinco etapas, e cada etapa leva 1 -ciclo de clock, sendo assim, o programa levará 20 vezes 5 ciclos, ou -seja, 100 ciclos de clock.

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Agora vamos analisar o que acontece com cada etapa a medida em que o -programa é executado. -A primeira instrução vai passar pela etapa FI, que a leva para o IR -e a decodifica. -Em seguida ela é passada para a etapa FO, e os dados necessários -para a operação são levados dos respectivos registradores para a ULA. -Agora, observe. -Neste exato momento, a segunda instrução do programa está parada -na memória, aguardando sua vez para ser executada. -Ao mesmo tempo, a etapa FI está ociosa. -Por que a etapa FI não pode entrar em ação e trabalhar com a -segunda instrução do programa, enquanto a primeira está na etapa FO?

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O mesmo vai ocorrer com todas as etapas de execução da primeira -instrução do programa. -Ela vai ser executada na etapa EI, depois vai passar para a etapa -WM que checará se há necessidade de copiar o resultado para a -memória e, finalmente, para a WR, que copiará o resultado para um -dos registradores. -Quando a primeira instrução estiver na etapa WR, as etapas -anteriores estarão todas ociosas. -Por que não aproveitar o tempo ocioso para colocar as etapas -anteriores para irem adiantando a execução das próximas -instruções? -É isso que propõe o Pipeline!

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O Pipeline vai separar as etapas de execução de instruções em -unidades físicas independentes, assim, uma etapa pode trabalhar com -uma instrução, ao mesmo tempo em que uma outra unidade trabalha com -uma outra instrução. -É a mesma estratégia utilizada pela indústria de produção em -massa para fabricar carros, por exemplo. -Enquanto um chassi está sendo montado, outro está recebendo a -carroceria, outro o motor, outro sendo pintado e outro recebendo o -acabamento interno. -Todas etapas trabalhando em paralelo e vários carros sendo tratados -ao mesmo tempo. -Esta estratégia aumenta o desempenho da execução das instruções -de forma grandiosa.

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Na [fig_pipeline] são apresentadas as adequações necessárias no -processador para que as etapas possam ser organizadas em Pipeline. -Dizemos então que esse processador trabalha com cinco Estágios de -Pipeline.

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-images/cap2/fig_pipeline.eps -
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Figura 12. Processador adaptado para trabalhar com Pipeline de cinco estágios
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A primeira mudança necessária é a separação da memória em duas -partes independentes (ou duas memórias mesmo). -Uma parte será utilizada apenas para instruções (representadas na -figura pela palavra Fetch), e outra apenas para os dados -(representada por DMem). -Isso é necessário para que a etapa FI acesse a memória para buscar -a próxima instrução, ao mesmo tempo em que a WM acessa a memória -para salvar o resultado de outra instrução anterior. -Se houvesse apenas uma memória para dados e instruções, isso não -seria possível. -Essa mudança vai contra o que foi projetado na ((Arquitetura de von -Neumann)), e foi considerado um grande avanço. -Ela foi batizada de Arquitetura Harvard.

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Outra mudança importante foi a adição de memórias intermediárias -entre cada etapa. -Na [fig_pipeline] essas memórias são representadas pelos -retângulos preenchidos e sem nenhuma palavra sobre eles. -Essas memórias são utilizadas para armazenar o resultado da etapa -anterior e passá-lo para a etapa posterior no ciclo seguinte. -Elas são necessárias porque as etapas não executam necessariamente -sempre na mesma velocidade. -Se uma etapa for concluída antes da etapa seguinte, seu resultado -deve ser guardado nessas memórias para aguardar que a etapa seguinte -conclua o que estava fazendo. -Só então ela poderá receber o resultado da etapa anterior.

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O mesmo ocorre na produção de um carro. -A etapa de instalação do motor pode ser mais rápida do que a de -pintura, por exemplo. -Então, se um carro acabou de receber um motor, ele deve ser guardado -num local temporário até que o carro anterior tenha sua pintura -concluída. -Assim, a etapa de instalação do motor pode receber um novo carro.

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Qual o benefício da execução em Pipeline? -Para isso, vamos analisar a [fig_pipeline2].

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-images/cap2/fig_pipeline2.eps -
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Figura 13. Execução em pipeline de cinco estágios
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Nesse exemplo a dimensão horizontal (eixo X) representa o tempo, e a -dimensão vertical (eixo Y) representa as instruções a serem -executadas (I1, I2, I3, I4 e I5). -Nessa imagem, a instrução I1 já passou por todas as etapas e está -em WR, enquanto isso, I2 está em WM, I3 está em EI, I4 está em FO -e I5 ainda está em FI. -Como o Pipeline possui 5 estágios, ele precisa, no mínimo, de 5 -instruções para encher o Pipeline e, a partir daí, inicia-se o -ganho de desempenho.

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Voltando ao exemplo anterior, considerando que cada etapa leve 1 -ciclo de clock para ser concluída. -Quantos ciclos são necessários para executar 20 instruções agora -com Pipeline? -No início, o Pipeline não está cheio, então a instrução I1 deve -passar por todas as 5 etapas para ser concluída, levando então 5 -ciclos de clock. -Mas, a instrução I2 acompanhou I1 durante toda execução e -terminou no ciclo seguinte, ou seja, em 6 ciclos de clock. -Em seguida, a instrução I3 foi concluída em 7 ciclos de clock, I4 -em 8 ciclos, I5 em 9 ciclos, assim em diante, até a conclusão da -vigésima instrução, que ocorreu em 24 ciclos.

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Comparado com o exemplo sem Pipeline, que executou o mesmo programa -em 100 ciclos, o ganho foi de 4,17 vezes. -Se o programa tivesse 200 instruções, levaria 1000 ciclos de clock -sem Pipeline e 204 ciclos com Pipeline, o resultaria num ganho de 4,9 -vezes. -Onde queremos chegar com isso?

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Importante
-		A medida em que a quantidade de instruções aumenta, o ganho -de desempenho com Pipeline vai se aproximando da quantidade de -estágios, que foi 5 nesse exemplo. -Então, quanto mais instruções forem executadas e mais estágios de -Pipeline tiver o processador, maior será o benefício de usar o -Pipeline.
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Limitações do Pipeline

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Infelizmente, nem sempre o processador consegue usufruir do ganho -máximo de desempenho ao usar o Pipeline. -Há vários riscos que podem fazer com que o Pipeline seja -interrompido e precise ser reiniciado, ou impossibilitado até de -iniciar. Os riscos são:

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    -Riscos Estruturais -

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    -Riscos de Dados -

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    -Riscos de Controle -

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Os Riscos Estruturais são limitações físicas do processador. -O exemplo mais simples é a separação da memória em Memória de -Dados e Memória de Instruções. -Se isso não ocorrer, as etapas de FI e WM não podem ser executadas -ao mesmo tempo.

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Já o Risco de Dados ocorre quando uma instrução depende do -resultado de uma instrução anterior que está no Pipeline e ainda -não está pronta. -Imagine o trecho de programa a seguir:

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I1: r1 = r2 + r3
-I2: r4 = r1 - r3
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A instrução I1 inicia primeiro e logo avança nas etapas do -Pipeline. -Logo depois dela vem I2. -Quando I2 for buscar o valor de r1 na etapa FO, ele ainda não -estará pronto, porque I1 ainda está em EI. -A instrução I1 precisaria concluir a última etapa (WM) para que I2 -pudesse executar FO. -Nesses casos, dizemos que há uma Dependência de Dados. -Isso cria uma bolha no Pipeline, o processador tem que avançar I1 -até a conclusão de WM, e parar a execução de I2 e todas -instruções seguintes até então. -Só depois da conclusão de I1 é que o I2 e as próximas -instruções seriam liberadas para continuar a execução.

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O último tipo de risco é o Risco de Controle. -Esse ocorre quando qualquer mudança no fluxo de controle do -processador. -Ou seja, quando a execução deixa de ser meramente sequencial. -Como vimos anteriormente, o Pipeline vale a pena quando temos uma -grande sequência de instruções sendo executadas. -O processador confia que depois da instrução I1 ele executará a I2, -depois a I3, e assim sucessivamente. -Mas o que acontece, por exemplo, se o processador estiver executando -a instrução I10, e essa instrução ordenar que o -programa salte para a instrução I30? -Isso pode ocorrer se a instrução se tratar de uma repetição, ou uma -chamada a uma função. -A mudança de controle também pode ocorrer por meio de -interrupção, provocada por um dispositivo de entrada e saída, ou -pelo pelo próprio Sistema Operacional, quando determina que um -programa seja interrompido para passar a execução para um outro. -Quando há uma mudança no fluxo de execução desta maneira, todas -instruções que estão no Pipeline são removidas, o fluxo é -modificado, e o Pipeline começa a ser preenchido todo novamente.

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As técnicas de Pipeline avançaram bastante e várias medidas foram -tomadas para amenizar o prejuízo causado pelos riscos mencionados. -Entretanto, nenhuma técnica é capaz de evitar todas as possíveis -perdas de desempenho. -Até boas práticas de programação podem ajudar a otimizar a -execução dos programas, e os compiladores também ajudam bastante -neste aspecto.

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Na próxima sessão vamos estudar um pouco como podemos realmente -medir o desempenho dos processadores e entender melhor o que faz um -processador mais eficiente do que outro.

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Sugestão
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O desempenho dos computadores
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O desempenho dos processadores e dos computadores é muito valorizado -pelas empresas por agregarem muito valor a elas. -Como se costuma dizer, tempo é dinheiro. -Então quanto menos tempo se espera para um computador realizar uma -tarefa, mais tempo resta para a empresa se dedicar a outras -atividades. -O desempenho é tão importante, que há uma corrida silenciosa entre -empresas, universidades e governos para saber quem é capaz de -produzir o computador mais rápido do mundo. -A organização chamada Top 500 organiza uma competição para -conhecer quem são esses campeões de desempenho e anualmente geral -uma lista com os 500 computadores mais velozes. -Atualmente a China e os Estados Unidos disputam o topo da lista do -Top 500. -Nas décadas após a Segunda Guerra Mundial os países disputavam uma -guerra silenciosa (a Guerra Fria) para saber quem era o país mais -poderoso em poder bélico e em tecnologias, como a corrida espacial.

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Hoje a Guerra Fria já terminou, mas a corrida pela liderança -tecnológica e econômica mundial continua e possui um novo -concorrente forte disputando de igual para igual com os Estados -Unidos, a China. -Nessa corrida o poder computacional é importantíssimo! -Ter um computador poderoso não significa apenas ser capaz de realizar -tarefa mais rapidamente, mas ser também capaz de realizar certas -tarefas que seriam impossíveis em computadores menos poderosos. -Um exemplo disso é a construção de um computador que haja de forma -semelhante ao cérebro humano. -Chegar a esse ponto significa ser capaz de construir sistemas que -possam substituir o homem em várias tarefas complexas, como dirigir -máquinas e até mesmo operar computadores. -Outro exemplo seria simular o comportamento perfeito da reação do -corpo humano a drogas. -Assim, não seria mais necessário o uso de cobaias para testar -medicamentos. -Esse avanço traria um poder incalculável a quem o dominasse!

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Acesse o site da Top 500 em http://www.top500.org e conheça as super -máquinas da computação!

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Medidas de desempenho

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Para medir o desempenho dos computadores, três métricas principais -são mais usadas:

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-Ciclos de Clock por Instrução (CPI) -
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-determina quantos ciclos de -clock são necessários para executar uma determinada instrução. -Vimos que o Ciclo de Instrução é organizado em várias etapas e -que isso depende de instrução para instrução. -Se uma instrução acessar mais memória do que outra, ela será mais -lenta. -Instruções que operam com Pontos Flutuantes são mais lentas do que -as operações com números inteiros. -É fácil perceber a razão disso. -Operações com números reais são mais complexas de serem -resolvidas, porque devem ser realizadas para a parte fracionária e -para a inteira, e depois o resultado deve ser consolidado. -Assim, simulações são realizadas com um processador e são -calculados quantos ciclos de clock cada tipo de instrução necessita -em média para ser completada. -Este é o CPI! -

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-Milhões de Instruções por Segundo (MIPS) -
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-o CPI é uma medida -utilizada para medir o desempenho do processador para cada tipo de -instrução, mas não é muito boa para medir o desempenho para a -execução de programas, que é o objetivo de todo computador. -Isso porque os programas são geralmente formados por instruções de -todos os tipos, com inteiros, ponto flutuante, acessando muita ou -pouca memória. -Outro fator é que fatores como, Pipeline, tecnologia de memória e -tamanho da memória Cache, podem fazer com que uma instrução seja -executada lenta agora, e rápida logo em seguida. -Para contornar isso, uma métrica muito utilizada é o MIPS. -Ela determina quantos Milhões de Instruções são executadas pelo -computador a cada segundo. -Nesse caso, programas que demandam muito esforço do computador são -executados, a quantidade de instruções é contada e depois dividida -pela quantidade de segundos da execução. -Caso o CPI médio (também chamado de CPI Efetivo) do computador já -tenha sido calculado anteriormente, o MIPS pode ser calculado pela -fórmula: -

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\[ -\begin{array}{ccl} -MIPS&=& \frac{Clock}{CPI * M} -\end{array} -\]
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Onde, Clock é a frequência do relógio do processador em Hertz, CPI -é o CPI médio e M é um milhão ($10^{6}$). -É necessário dividir o resultado por M porque a medida do MIPS é -sempre dada na escala de milhões. -Por exemplo, se um processador de 2 GHz e CPI médio de 4 ciclos por -instrução, o MIPS desse processador será:

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\[ -\begin{array}{ccl} -MIPS&=& \frac{2G}{4 * M} -\end{array} -\]
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O resultado dessa operação será 0,5M, ou 500K. -Isso porque 2 dividido por 4 é 0,5, e 1 Giga dividido por 1 Mega, -resulta em 1 Mega.

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Nota
-		Lembre-se sempre de considerar a grandeza do Clock no cálculo. Um -giga Hertz é muito diferente de um kilo, ou um mega Hertz!
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-Milhões de Instruções em Ponto Flutuante por Segundo (MFLOPS) -
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-uma alternativa para o MIPS é o MFLOPS. -O MIPS é muito eficiente, mas não para comparar programas -diferentes. -

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Para calcular o MFLOPS, são executadas apenas instruções que -operam com Ponto Flutuante e são calculados quantos segundos se -passaram para cada milhão delas. -Assim, ela pode ser definida da seguinte forma:

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\[ -\begin{array}{ccl} -MFLOPS&=& \frac{Clock}{CPI_{f} * M} -\end{array} -\]
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A única diferença para o cálculo do MIPS é que apenas as -instruções que operam com Ponto Flutuante são consideradas. -Assim, CPI_{f} diz respeito a quantos ciclos de clock em -média são necessários para executar uma instrução de ponto -flutuante.

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Os computadores pessoais e comerciais de hoje trabalham na escala -MFLOPS.

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Já os supercomputadores trabalham na escala de GFLOPS (Giga FLOPS). -Aqueles computadores que lideram a lista do Top 500, e são capazes -até de mudar o PIB de um país, trabalham na escala do TFLOPS (Teta -FLOPS).

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Exemplos de calcular o desempenho de um processador

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Suponha que um programa é executado num processador de 40MHz. A -[tabela_exercicio1] apresenta os CPIs coletados para cada tipo de -instrução, bem como sua quantidade de instruções para um -determinado programa com 100.000 instruções.

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- - ---- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
Tabela 1. Exemplo de configuração de um processador
Tipo de instrução CPI Número de instruções

Aritmética com Inteiros

1

45.000

Operações de acesso à Memória

4

32.000

Operações com Ponto Flutuante

2

15.000

Instruções de salto e desvio

5

8.000

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Para este exemplo, vamos calcular o CPI efetivo, o MIPS e o MFLOPS.

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O CPI Efetivo é simplesmente a média ponderada dos CPIs -apresentados para o programa. Isso pode ser feito da seguinte forma:

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\[ -\begin{array}{ccl} -CPI&=& \frac{(1*45000) + (4*32000) + (2*15000) + (5*8000)}{(45000) + -(32000) + (15000) + (8000)} \\ -\\ -CPI&=& \frac{45000 + 128000 + 30000 + 40000}{100000} \\ -\\ -CPI&=& \frac{243000}{100000} \\ -\\ -CPI&=& 2,43 -\end{array} -\]
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Já o MIPS pode ser calculado como:

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\[ -\begin{array}{ccl} -MIPS&=& \frac{Clock}{CPI * M} \\ -\\ -MIPS&=& \frac{40M}{2,43 * M} \\ -\\ -MIPS&=& 16,46 -\end{array} -\]
-

Ou seja, para o programa examinado, o processador teve um desempenho -de 16,46 milhões de instruções por segundo. -Se o objetivo for calcular o MIPS geral, e não específico para esse -programa, deve-se utilizar a média aritmética de todos os CPI -calculados, e não a média ponderada.

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Para calcular o MFLOPS seguimos a mesma estratégia, mas dessa vez -utilizamos apenas o CPI para instruções de ponto flutuante. -Ou seja:

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\[ -\begin{array}{ccl} -MFLOPS&=& \frac{Clock}{CPI_{f} * M} \\ -\\ -MFLOPS&=& \frac{40M}{2 * M} \\ -\\ -MFLOPS&=& 20 -\end{array} -\]
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Isso significa que esse processador apresentou um desempenho de 20 -milhões de instruções de ponto flutuante por segundo.

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Recapitulando

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Vimos em mais detalhe neste capítulo como os processadores executam -nossos programas, e como alguns aspectos de organização e -arquitetura são importantes. -Não apenas a frequência do clock do processador é relevante, mas -como o Pipeline é aplicado, se há muitas interrupções e se o -programa é bem escrito a ponto de explorar melhor o Pipeline. -Também foram apresentados três diferentes métricas para se avaliar -o desempenho de um sistema, o CPI, o MIPS e o MFLOPS.

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No próximo capítulo vamos estudar mais profundamente a CPU através -do estudo de sua Unidade de Controle e como ela faz para decodificar -e executar instruções.

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Unidade de Controle

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Objetivos do capítulo
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Ao final deste capítulo você deverá ser capaz de:

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    -Conhecer o funcionamento da Unidade de Controle em mais detalhes -

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    • -
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    -Apresentar como as instruções são executadas pela CPU -

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    • -
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Neste capítulo vamos entrar mais a fundo no estudo das CPUs e vamos -apresentar a Unidade de Controle, principal unidade dos -processadores. Conhecer a Unidade de Controle é essencial para o -entendimento de como as instruções são executadas pelo computador.

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Introdução

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A Unidade de Controle, como visto no capítulo anterior, é a unidade -interna à CPU responsável (como o próprio nome já diz) pelo -controle da execução das instruções. -Como a CPU é uma máquina de executar instruções, a Unidade de -Controle é quem controla o principal funcionamento do computador.

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O projeto de uma Unidade de Controle varia de arquitetura para -arquitetura, mas há alguns pontos que são comuns a todas elas. Toda -Unidade de Controle trabalha com a execução de Microoperações. -Como pode ser visto na [fig_execucao], um programa é sempre -executado instrução por instrução. Essas seriam instruções de -máquina, compiladas a partir de Assembly, ou antes a partir de uma -linguagem de alto nível e depois compiladas para Assembly. -Cada instrução é executada através de um Ciclo de Instrução, -como visto no capítulo anterior. -Nessa ilustração o ciclo de instrução foi apresentado em cinco -estágios (Carrega instrução, decodifica, executa, salva resultados -e checa interrupção). -Mas ele pode variar de acordo com a arquitetura da Unidade de -Controle e também de acordo com o tipo de instrução. -Uma instrução com vários parâmetros que estão na memória, por -exemplo, pode necessitar de um estágio a mais antes da execução -para buscar os dados na memória. -Já outra que utiliza apenas dados de registradores pode omitir esse -passo e executá-lo no próprio estágio de execução.

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-images/cap3/fig_execucao.eps -
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Figura 14. Execução em Microoperações
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Microoperações

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Ainda na [fig_execucao] pode ser visto que cada estágio do Ciclo -de Instrução é quebrado em sub-estágios, chamados de -Microoperações. -A Microoperação é a operação atômica (indivisível) realizada -pela Unidade de Controle para a execução de cada estágio. -Cada vez que um estágio do Ciclo de Instrução for executado, as -devidas Microoperações são executadas pela Unidade de Controle.

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Essa organização é necessária para melhorar a organização da -CPU e facilitar o projeto das Unidades de Controle. -Além disso, nos projetos de Unidades de Controle modernas, é -possível reutilizar Microoperações de um estágio em outro. -Por exemplo, para executar uma instrução, é necessário executar -uma Microoperação para buscar um dado que está em um registrador -(ou memória) para a ULA. -Se houver vários dados envolvidos, a única tarefa a ser realizada -é pedir para a Unidade de Controle executar a mesma Microoperação -de buscar dado, mas agora com endereço diferente.

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Dessa maneira, todas instruções que chegam à Unidade de Controle -são quebradas em estágios (lembre-se do Pipeline), que por sua vez, -separados em sequências de Microoperações e, só então, são -executadas. -Agora vamos apresentar alguns exemplos de como os principais -estágios de execução são organizados em Microoperações.

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Busca de Instrução

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Neste estágio uma nova instrução deve ser buscada da memória e -trazida para a CPU para que possa ser decodificada e executada em -seguida. -O endereço da instrução a ser buscada está sempre no Contador de -Programa (PC) e a instrução buscada da memória é armazenada no -Registrador de Instrução (IR). -Vamos então apresentar como seriam as Microoperações para realizar -a Busca de Instrução.

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A seguir cada Microoperação é apresentada ao lado de uma -determinação do tempo em que ela será realizada. -Nesse caso, três unidades de tempo são necessárias (t1, t2 e t3). -Imagine que cada unidade de tempo é 1 ciclo de clock (as -microoperações mais complexas levam mais tempo do que isso).

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t1:     MAR <- (PC)
-        Memória <- fetch;
-t2:     MBR <- (memória)
-        PC <- (PC) + 1
-t3:     IR <- (MBR)
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No tempo t1 o endereço guardado no registrador PC é copiado para o -registrador MAR, que é o registrador conectado ao Barramento de -Endereço. -Ao mesmo tempo, a CPU envia para a memória um sinal de “fetch”, -indicando que precisa ser trazida uma nova instrução. -No tempo t2 a memória lê o endereço contigo no Barramento de -Endereço (que é sempre o mesmo de MAR), busca a instrução e a -escreve no Barramento de Dados. -Como o MBR sempre reflete aquilo que está no Barramento de Dados, o -MBR agora contém a instrução trazida da memória. -Esta tarefa é realizada essencialmente pela memória, a ULA está -livre para executar outra Microoperação, e aproveita para adicionar -1 ao endereço do PC. -Esta operação de incremento vai garantir que a próxima instrução -a ser buscada será a do endereço seguinte da memória. -Finalmente, no tempo t3, a instrução que foi trazida da memória e -salva em MBR pode ser agora salva em IR.

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A instrução precisa sempre estar em IR porque na faze de -decodificarão, a Unidade de Controle vai buscar lá que instrução -deve executar.

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Observe que a mesma Microoperação poderia ser executada de forma -diferente, como mostrada a seguir.

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t1:     MAR <- (PC)
-        Memória <- fetch;
-t2:     MBR <- (memória)
-t3:     PC <- (PC) +1
-        IR <- (MBR)
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Nesta segunda opção, o incremento de PC foi passado para o tempo -t3, ao invés de t2, o que gera o mesmo resultado.

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A quantidade de Microoperações que podem ser executadas no mesmo -ciclo de clock depende da arquitetura do processador. -Por exemplo, se há apenas uma ULA, então só é possível executar -uma única operação lógica, ou aritmética a cada ciclo de clock. -O mesmo serve para o uso acesso à memória com MAR e MBR. Se houver -um barramento exclusivo para instruções, separado do barramento de -dados e uma memória de instrução separada da memória de dados -(quase todos processadores hoje possuem), e então é possível -buscar uma instrução no mesmo ciclo de clock que se busca um dado.

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Busca indireta

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Outro tipo de Microoperação muito utilizado é a Busca Indireta. -Ela trata de buscar um dado que está na memória e trazer para a CPU -para ser utilizado pela instrução. -O termo “indireta” indica que o dado não está diretamente na -CPU (em um registrador) mas na memória.

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Imagine que a instrução em questão seja a soma de 2 números A e -B, ambos na memória. -Esta instrução foi buscada no estágio anterior, portanto no ciclo -seguinte ela estará no registrador IR. -Então, os endereços de A e B estão presentes na instrução que -agora está em IR. -A Busca Indireta deve então ser realizada para A e depois para B, da -seguinte forma:

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t1:     MAR <- (IRendereco)
-        Memória <- read
-t2:     MBR <- (memória)
-t3:     ACC <- (MBR)
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No primeiro instante t1 o endereço do dado contido em IR é passado -para o registrador de endereço MAR. -Ao mesmo tempo a CPU envia para a memória um sinal de leitura -(read), avisando que deve ser feita uma busca indireta. -No instante seguinte, t2, o conteúdo do dado é trazido da memória -para o MBR através do Barramento de Dados, e no último passo, em -t3, o conteúdo agora em MBR é levado para um registrador para que -seja utilizado na operação, geralmente o Acumulador (ACC).

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Execução

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Após a busca da instrução e dos dados necessários, é hora de -executar a instrução na Microoperação de execução. -Mantendo o exemplo da soma A e B apresentado anteriormente, a Unidade -de Controle terá que fazer a Busca Indireta de A e B para depois -realizar a soma. -Supondo que A seja salvo em ACC, ele deve ser transferido para outro -registrador, digamos R1 antes de Busca Indireta por B. -Assim, a execução seria:

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t1:     R1 <- ACC
-// Busca indireta por B:
-t2:     MAR <- (IRendereco)
-        Memória <- read
-t3:     MBR <- (memória)
-t4:     ACC <- MBR
-t5:     ACC = R1 + ACC
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-

Em t1 o conteúdo de A salvo em ACC será transferido para o -registrador R1. -Nos intervalos de t2 até t4 seria feita a Busca Indireta por B. -E, finalmente, no instante t5 a soma de R1 e ACC seria realizada e -salva no acumulador ACC.

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Salvar resultado

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Após esse último passo, o conteúdo de ACC com o resultado da -operação deve ser transferido para o local de destino. -Isso é feito no estágio de Salvar Resultado. -Se o resultado for salvo num registrador, a operação é direta e -feita num único ciclo de clock. -Mas se precisar salvar o resultado na memória, uma escrita indireta -deverá ser realizada para salvar o conteúdo de ACC na memória.

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t1:     MAR <- (IRendereco)
-t2:     MBR <- ACC
-        Memória <- write
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Para tal, inicialmente em t1 o endereço da variável de memória que -precisa ser salva é passado para o MAR. -O conteúdo de ACC é passado para o MBR no ciclo seguinte (t2), ao -mesmo tempo em que a CPU envia para a memória um sinal de escrita. -Ao receber esse sinal, a memória traz o conteúdo de MBR e o salva -no endereço representado por MAR.

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Salto condicional

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Uma instrução muito comum executada pelos computadores são os -saltos condicionais. -Ela indica que se uma determinada condição for satisfeita, a -execução não deve ser a da instrução seguinte, mas a indicada -pela instrução. -Imagine uma instrução “Salta se zero”, com dois parâmetros, X -e Y. -O X seria a variável a ser testada e o Y o endereço para onde a -execução deve saltar caso o valor de X seja 0.

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Desta forma, as microoperações seriam as seguinte:

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// Busca indireta por X:
-t1:     MAR <- (IRenderecoX)
-        Memória <- read
-t2:     MBR <- (Memória)
-t3:     ACC <- (MBR)
-
-t4:     se ACC == 0, PC = (IRenderecoY)
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-

Inicialmente, de t1 a t3, seria buscado o conteúdo de X na memória. -No último ciclo t4, o conteúdo de ACC seria comparado com 0 e se -forem iguais, o conteúdo de PC será o endereço da variável Y, -também presente em IR. -Observe que, caso contrário, nada precisa ser feito, o PC -continuará como antes e a próxima instrução depois da atual será -executada.

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Tipos de Microoperações

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Como já foi possível observar através dos exemplos apresentados, -há quatro tipos básicos de Microoperações de uma Unidade de -Controle. São eles:

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    -
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    -Transferência de dados entre registradores -

    -
    • -
  • -

    -Transferência de dados de registrador para o exterior da CPU -

    -
    • -
  • -

    -Transferência de dados do exterior da CPU para um registrador -

    -
    • -
  • -

    -Operação lógica e aritmética -

    -
    • -
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A transferência de dados de um registrador para outro é a mais -simples das Microoperações e geralmente é feita num único ciclo -de clock. -Já a movimentação de dados de ou para o exterior da CPU pode ser -mais complexa. -Para facilitar muitos computadores mapeiam todos dispositivos de -Entrada e Saída com se fossem memória. -Ou seja, para a CPU, enviar um dado para um dispositivo seria como -escrever um dado na memória, bastando usar um endereço diferente. -Isso facilita bastante a operação da Unidade de Controle, mas pode -limitar a quantidade de endereços de memória disponíveis para os -programas. -As operações de transferência de dados são complexas também -porque levam um tempo não conhecido para serem executadas. -Se o dado estiver na memória Cache o acesso é mais rápido, se -estiver na Memória Principal levará mais tempo, e se tiver num -dispositivo externo, um Disco Rígido, por exemplo, pode levar ainda -mais.

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As operações lógica e aritméticas podem ser mais rápidas ou mais -lentas dependendo de cada uma delas. -Operações com números de Ponto Flutuante tendem a levar mais tempo -do que aquelas com números inteiros. -Já as operações trigonométricas são as mais lentas que o -computador pode operar.

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Decodificação

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A execução das Microoperações é sempre ordenada pela Unidade de -Controle. -Isso é feito no estágio de Decodificação, a partir da leitura da -instrução presente em IR. -O primeiro da decodificarão é ler o código da instrução para -conhecer seu tipo. -Dependendo do tipo, a instrução é quebrada numa quantidade -específica de Estágios e cada estágio no seu respectivo grupo de -Microoperações. -Cada vez uma que Microoperação se encerra, a Unidade de Controle -checa qual será a próxima e envia os sinais para os devidos -registradores, para ULA e dispositivos envolvidos, como memória ou -dispositivos de Entrada e Saída.

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Dessa forma, podemos dizer que a Unidade de Controle possui duas -funções principais, a execução e o sequenciamento das -instruções. -Nessa última função a Unidade de Controle deve saber o exato -momento que uma Microoperação concluiu para executar a próxima, e -quando a última Microoperação for executada, iniciar um novo -Estágio, e quando o último Estágio for concluído, executar a -próxima instrução do programa.

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Exemplo

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Como exemplo, vamos visualizar como seria a execução de um pequeno -programa na forma de microoperações. -Para tal, considere um processador que executa suas instruções em -cinco estágios de execução:

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    -
  • -

    -Busca de Instrução -

    -
    • -
  • -

    -Decodifica Instrução -

    -
    • -
  • -

    -Busca de Dados -

    -
    • -
  • -

    -Executa Instrução -

    -
    • -
  • -

    -Salva Resultados -

    -
    • -
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Cada instrução do programa é decomposta em microoperações que -são executadas, geralmente, uma a cada ciclo de clock.

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Sendo, assim, suponha que o programa a ser executado está na -memória de acordo com a [tabela_exemplo] a seguir. -Cada instrução fica armazenada em um endereço de memória, assim -como as variáveis envolvidas.

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Tabela 2. Exemplo de um programa de duas instruções armazenado na memória
Endereço Instrução ou Dado

FF01

A = B * C

FF02

B = A + 2

FF03

15 // valor de A

FF04

2 // valor de B

FF05

4 // valor de C

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A seguir serão apresentadas as microoperações executadas para a -primeira instrução.

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Busca de Instrução

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Para que esse programa seja executado, é necessário que o -registrador PC contenha o endereço FF01 para que a primeira -instrução do nosso programa nessa buscada e executa. -O início de execução de um programa é causado por uma ação do -usuário (quando ele clica no ícone de um programa, por exemplo), -pelo Sistema Operacional ou um por um outro programa.

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Uma vez que o PC tenha o endereço FF01, na próxima instrução a -ser buscada, a Unidade de Controle irá executar as seguintes -instruções:

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t1:     MAR <- PC
-        Memória <- fetch;
-t2:     MBR <- ‘A = B * C’
-        PC <- PC + 1
-t3:     IR <- MBR
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Neste exemplo, no tempo t1, MAR recebeu o endereço contido em PC, ou -seja, FF01. -Nesse mesmo instante, a Unidade de Controle envia o sinal ‘fetch’ -para memória, que por sua vez, passa o conteúdo do endereço FF01 -para o registrador MBR no instante t2 seguinte. -Aproveitando o tempo, enquanto o conteúdo da memória era trazido -para o MBR, a Unidade de Controle incrementou o endereço de PC para -FF02. -Só no tempo t3 a instrução está pronta em MBR e é então copiada -para IR para que possa ser Decodificada na próxima microoperação.

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Decodificação

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Durante a decodificação não são executadas Microoperações. -A instrução que acabou de ser copiada para IR é analisada e a -Unidade de Controle vai então escolher que Microoperações serão -executadas nas etapas seguintes.

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Busca de Dados

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Nas próximas etapas, será necessário buscar os dados necessários -para a execução da instrução. -Como os dados envolvidos (B e C) estão na memória, e não em -registradores, serão necessárias duas Buscas Indiretas. -A instrução na verdade nunca chega como sendo ‘A = B * C’. -Ao invés disso, ela seria armazenada como ‘(FF03) = (FF04) * -(FF05). -Por questões didáticas, utilizamos ainda as variáveis A, B e C.

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Para buscar o conteúdo da variável B, as seguintes Microoperações -são executadas.

-

Na etapa de Decodificação, a instr

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t4:     MAR <- (FF04)
-        Memória <- read
-t5:     MBR <- 2
-t6:     ACC <- MBR
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-

Aqui, o endereço FF04 é passado para o MAR para que seja buscado na -memória no tempo t4, em seguida é enviado um sinal de leitura para -a memória. -Ao receber o sinal de leitura, a memória busca o conteúdo do -endereço FF04 e o copia para dentro da CPU, no registrador MBR no -instante t5. -Finalmente, no tempo t6, o conteúdo de MBR (valor 2) é copiado para -o registrador acumulador (ACC).

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- - - -
-
Nota
-		Note que usamos sempre parêntesis para indicar que se trata de -um endereço, e sem os parêntesis quando se trata de um dado.
-
-

O próximo passo seria buscar o conteúdo da variável C de forma -análoga a utilizada para buscar B.

-
-
-
t7:     MAR <- (FF05)
-        Memória <- read
-t8:     MBR <- 4
-t9:     R1 <- MBR
-
-

Perceba que na última Microoperação o conteúdo de C foi copiado -para R1, para não sobreescrever e perder o conteúdo da variável B -que foi armazenado em ACC.

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-
-

Execução

-

No próximo passo, a instrução precisa ser executada. -Isso é feito em um único passo no tempo t10, onde ACC, que agora -mantém o conteúdo da variável B é multiplicado por R1, que possui -o conteúdo da variável C.

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-
-
t10:     ACC <- ACC * R1
-
-
-
-

Salva Resultados

-

Finalmente, o resultado da operação precisa ser salvo na variável -A. -Para tal, o endereço de A (FF03) é copiado para o registrador de -endereço (MAR) no instante t11. -No instante t12 seguinte, o resultado da operação aritmética -armazenado em ACC é copiado para o registrador de dados (MBR). -Neste mesmo instante, a Unidade de Controle envia o sinal de escrita -para a memória, que localiza o endereço FF03 e escreve nele o -resultado da operação aritmética que foi salvo em ACC, ou seja, -oito (8).

-
-
-
t11:    MAR <- (FF03)
-t12:    MBR <- ACC
-        Memória <- write
-
-
-
-

Instrução completa

-

Podemos agora visualizar a seguir como a primeira instrução do -programa (A = B * C) foi executada em microoperações.

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// Busca de Instrução
-t1:     MAR <- PC
-        Memória <- fetch;
-t2:     MBR <- ‘A = B * C’
-        PC <- PC + 1
-t3:     IR <- MBR
-
-//Busca de Dados (B)
-t4:     MAR <- (FF04)
-        Memória <- read
-t5:     MBR <- 2
-t6:     ACC <- MBR
-
-//Busca de Dados (C)
-t7:     MAR <- (FF05)
-        Memória <- read
-t8:     MBR <- 4
-t9:     R1 <- MBR
-
-//Execução
-t10:    ACC <- ACC * R1
-
-//Salva resultados
-t11:    MAR <- (FF03)
-t12:    MBR <- ACC
-        Memória <- write
-
-

A primeira instrução foi finalizada em 12 passos. -Se cada passo for 1 ciclo de clock, então temos 12 ciclos do -relógio para concluir essa instrução. -A segunda instrução do programa (B = A + 2) é muito semelhante, e -também precisará de 12 passos para ser executada. -Esse é um ótimo exercício para você praticar. -Ao final a memória estará diferente de como iniciou, e deverá -estar com os conteúdos apresentados na [tabela_exemplo2].

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Tabela 3. Memória após execução do programa.
Endereço Instrução ou Dado

FF01

A = B * C

FF02

B = A + 2

FF03

8 // valor de A

FF04

10 // valor de B

FF05

4 // valor de C

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Recapitulando

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Neste capítulo vimos que a Unidade de Controle é responsável por -controlar como e quando as instruções dos programas são executadas. -Elas fazem isso quebrando as intrusões em estágios e os estágios -em Microoperações. -Desta forma, as Microoperações tornam-se as menores unidades de -execução do computador. -Como são muito simples, as Microoperações são mais fáceis de -serem implementadas pelo hardware e o projeto de uma CPU pode ser -reutilizado em diversas ocasiões.

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Conjunto de Instruções

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Objetivos do capítulo
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Ao final deste capítulo você deverá ser capaz de:

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    -
  • -

    -Listar as principais características de um conjunto de instrução -

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    • -
  • -

    -Definir e elencar os prós e contras das arquiteturas RISC e CISC -

    -
    • -
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-
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Neste capítulo vamos estudar o que é o Conjunto de Instruções e sua relevância no projeto de um processador. -Sua características repercutem em todas principais características do processador, se tornando a principal e primeira decisão de projeto a ser tomada.

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Introdução

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O termo Conjunto de Instruções vem do inglês Instruction Set Architecture (ISA). -ISA é a interface entre os softwares que serão executados pelo processador e o próprio processador. -Ele define todas instruções de máquina serão interpretadas pela Unidade de Controle e executadas. -Podemos então definir Conjunto de Instruções como sendo a coleção completa de todas instruções reconhecidas e executadas pela CPU. -Essas instruções são também chamadas de Código de Máquina, e são o ponto inicial para o projeto de uma arquitetura e é essencial na definição de qualidade do sistema como um todo.

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O projeto de um Conjunto de Instruções

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Arquitetura

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Um Conjunto de Instruções pode ser classificado como uma das quatro arquiteturas:

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    -
  • -

    -Arquitetura de Pilha -

    -
    • -
  • -

    -Baseada em Acumulador -

    -
    • -
  • -

    -Registrador-Registrador ou Load/Store -

    -
    • -
  • -

    -Registrador-Memória -

    -
    • -
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A arquitetura de Pilha é a mais simples possível. -Como pode ser observado na [fig_pilha], os dados necessários para a execução das operações pela ULA são provenientes de registradores especiais organizados na forma de uma pilha. -Note que toda operação é realizada entre o registrador que indica o Topo de Pilha (apontado pelo registrador TOS) e o registrador seguinte. -Esse conjunto de instruções é muito simples porque a Unidade de Controle nunca precisa decodificar a instrução para saber quais registradores serão utilizados nas operações lógicas e aritméticas. -Sempre será o topo da pilha e o registrador seguinte.

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Figura 15. ISA baseado em Pilha
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Já na arquitetura baseada em Acumulador ([fig_acumulador]) uma complexidade é adicionada. -Um dos dados vem sempre do registrador Acumulador, mas o outro é mais livre. -Na figura esse segundo dado vem da memória, mas poderia vir de um outro registrador designado na instrução. -Neste caso, a instrução a ser decodificada pela Unidade de Controle precisará trazer de onde vem o segundo dado a ser utilizado, já que o primeiro é sempre proveniente do Acumulador.

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Figura 16. ISA baseado em Acumulador
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Na sequência, a terceira arquitetura mais complexa é chamada Arquitetura Load/Store ou Registrador-Registrador ([fig_regreg]). -Nesta arquitetura, todas operações lógicas e aritméticas executadas pela ULA são provenientes de dois registradores a serem determinados pela instrução. -A única forma de acessar dados da memória é através de instruções especiais para escrever na memória (store) ou para trazer um dado da memória para um registrador (load). -Assim, toda instrução a ser decodificada pela CPU deverá indicar o endereço de dois registradores que serão utilizados na operação lógica ou aritmética, ou um endereço de memória se a instrução for um load ou um store.

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Figura 17. ISA Registrador-Registrador
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-

Por último, a mais complexa arquitetura é a Registrador-Memória ([fig_regmem]). -Esta arquitetura permite que a ULA execute operações lógicas e aritméticas envolvendo ao mesmo tempo um registrador indicado pela instrução e um conteúdo proveniente da memória. -Esse tipo de instrução deve então trazer em seu conteúdo o código do registrador a ser utilizado e o endereço de memória do segundo dado.

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Figura 18. ISA Registrador-Memória
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É muito importante aqui observar que arquiteturas mais simples, como a de Pilha por exemplo, fazem com as instruções a serem decodificadas pela Unidade de Controle sejam muito simples. -Com instruções simples, a própria Unidade de Controle será simples, pequena e barata de produzir. -Por outro lado, instruções simples resultam em operações limitadas. -Assim, uma tarefa básica, como somar dois números, em uma Arquitetura de Pilha vai necessitar que pelo menos 4 operações sejam realizadas: colocar na pilha o primeiro dado, colocar na pilha o segundo dado, somar os dois elementos da pilha, salvar o resultado na pilha. -Essa mesma operação numa arquitetura Registrador-Memória seria executada numa instrução única, indicando o registrador utilizado para ser o primeiro dado, o endereço de memória do segundo dado e o registrador que vai guardar o resultado.

-

A escolha da arquitetura é uma questão importantíssima de projeto e geralmente baseia-se na relação entre o desempenho que se quer atingir e o preço do processador ao final.

-

Após definida a arquitetura do Conjunto de Instruções, o projetista deve cuidar do projeto das instruções propriamente ditas. -Neste projeto cinco pontos devem ser projetados:

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    -
  • -

    -Modelo de Memória -

    -
    • -
  • -

    -Tipos de Dados -

    -
    • -
  • -

    -Formato das Instruções -

    -
    • -
  • -

    -Tipo de Instruções -

    -
    • -
  • -

    -Modo de Endereçamento -

    -
    • -
-
-
-

Modelo de Memória

-

O modelo de memória define para cada instrução de onde vem e para onde vão os dados. -Os dados podem vir da memória principal, ou memória Cache, de um registrador, ou de um dispositivo de Entrada e Saída. -Além disso, o projeto do ISA deve definir alguns pontos cruciais.

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-
Memória alinhada x não alinhada
-

As memórias geralmente são organizadas em bytes. -Isso significa que o byte é a menor unidade de acesso à memória, e assim, cada endereço de memória acessa um byte. -A [tabela_memoria] apresenta um exemplo de organização de memória por bytes. -Neste caso, o endereço 0 diz respeito ao Byte 0 da primeira linha. -Já o endereço 1 ao Byte 1, o endereço 2 ao Byte 2 e o endereço 3 ao Byte 3. -Enquanto que os endereços de 4 a 7 já dizem respeitos aos bytes da segunda linha.

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Tabela 4. Exemplo de uma memória organizada por bytes
Endereço Byte 0 Byte 1 Byte 2 Byte 3

0

4

13

23

8

12

16

. . .

-
-

A memória é organizada desta forma, mas há diferentes tipos de dados. -Uma variável inteira, por exemplo, pode ser declarada como um byte, ou um inteiro curto de 2 bytes, um inteiro de 4 bytes, ou até mesmo um inteiro longo de 8 bytes. -Se o conjunto de instruções fixar que a memória será apenas acessada de forma alinhada, significa que um dado não pode ultrapassar uma linha. -Assim, os dados de 4 bytes deverão obrigatoriamente ser armazenados nos endereços 0, 4, 8, 12, 16 etc.

-

Esta decisão visa facilitar e acelerar o trabalho do processador ao acessar a memória. -Cada vez que a memória precisar ser acessada para buscar um número de 4 bytes, o processador deve apenas verificar se o endereço é um múltiplo de 4. -Se ele não for, o acesso é negado e o programa é encerrado. -A desvantagem desta abordagem é que muitas áreas podem ficar desperdiçadas. -Por exemplo, se um dado de 2 bytes é armazenado no endereço 4 (como mostra a [tabela_memoria]), os Bytes 0 e 1 são utilizados, mas os Bytes 2 e ficam disponíveis. -Mesmo assim, se um dado de 4 bytes precisar ser armazenado, ele não poderá ser feito em uma posição livre múltipla de 4 (0, 8, 12, 6 etc.), como por exemplo, salvando os dois primeiros bytes nos endereços 6 e 7 (segunda linha) e os outros 2 bytes nos endereços 8 e 9 (terceira linha).

-

Já se o conjunto de instruções permitir o acesso não alinhado à memória, todas essas restrições se acabam e os dados podem ser acessados em quaisquer posições. -O uso da memória termina tendo um maior aproveitamento, já que menos áreas livres existirão. -O problema agora é com o desempenho. -Todo processador acessa a memória através de um barramento. -Para otimizar o acesso, os barramentos geralmente são largos o suficiente para trazer uma linha inteira de memória, ou mais. -Com a memória alinhada fica mais fácil, porque para buscar um dado a CPU só precisa saber em que linha ele está, daí é só trazê-la para a CPU.

-

Já na memória não alinhada, quando um dado é buscado a CPU precisa saber em que linha ele está, em que posição exatamente começa, se ele invade a próxima linha, e onde termina. -Esta operação é mais uma responsabilidade para a CPU e torna o processo de leitura mais lento.

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Processadores da arquitetura Intel, por exemplo, utilizam memórias alinhadas, porque percebeu-se que o ganho com o desperdício de memória não compensa o tempo gasto buscando dados em linhas diferentes.

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-
Memória para dados e instruções
-

Outra decisão importante com relação ao acesso à memória é se a faixa de endereços da memória de dados será a mesmo da memória de instruções. -Desde a criação das Arquiteturas Harvard (em substituição às de Von Neumann) que os dados são armazenados em áreas de memória separadas das instruções. -Isso ajuda principalmente no Pipeline, porque a CPU pode no mesmo ciclo buscar uma instrução e buscar os dados de uma outra instrução.

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Na definição do Conjunto de Instruções o projetista deve decidir como serão os endereços de dessas áreas de memória. -Por exemplo, se uma memória tiver 2 milhões de bytes (2MB), como cada byte possui um endereço, ela terá endereços de 0 a 1.999.999. -Digamos que a primeira parte de memória seja para os dados e a segunda para as instruções. -Neste caso, haverá duas opções. -A memória pode ser organizada como uma faixa única de endereços, então os endereços de 0 a 999.999 serão utilizados para armazenar os dados, e os endereços de 1.000.000 a 1.999.999 armazenarão as instruções.

-

O problema desta abordagem, seguindo o mesmo exemplo, é que neste sistema só poderá haver 1 milhão de dados 1 milhão de instruções. -Não será possível o armazenamento de nenhuma instrução a mais do que isso, mesmo que a área de dados esteja com posições disponíveis.

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Como solução, o Conjunto de Instruções pode definir instruções especiais para buscar dados e instruções para buscar instruções. -Quando uma instrução de busca for decodificada a Unidade de Controle saberá que se trata de um dado ou um endereço e vai buscar a informação exatamente na memória especificada. -No exemplo dado, as instruções ficariam armazenadas na memória de instrução nos endereços de entre 0 e 1.999.999, e os dados na memória de dados também no endereço de 0 e 1.999.999. -Mas observe que a memória do exemplo só possui 2 milhões de bytes (2MB), mesmo assim, neste exemplo, o sistema seria capaz de endereçar 4 milhões de bytes (4MB). -Isso a tornaria pronta para um aumento futuro do espaço de memória.

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-
Ordem dos bytes
-

No início do desenvolvimento dos computadores, os engenheiros projetistas tiveram que tomar uma decisão simples, mas muito importante. -Quando temos dados que ocupam mais de um byte devemos começar salvando os bytes mais significativos, ou os menos significativos? -Esta decisão não afeta em nada o desempenho ou o custo dos sistemas. -É simplesmente uma decisão que precisa ser tomada.

-

Aqueles projetos que adotaram a abordagem de salvar os dados a partir dos bytes mais significativos foram chamados de Big Endian, enquanto que aqueles que adotaram iniciar pelo byte menos significativo foram chamados de Little Endian.

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Imagine que uma instrução pede para que a palavra UFPB seja salva no endereço 8 da memória. -Uma palavra pode ser vista como um vetor de caracteres, onde cada caracter ocupa 1 byte. -Na [tabela_big] é apresentada a abordagem Big Endian. -Neste caso, o byte mais significativo (o mais a esquerda) é o que representa a letra U. -Desta forma, ele é armazenado no Byte mais a esquerda, seguido pela letra F, a letra P e a letra B.

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- - ------ - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
Tabela 5. Exemplo de uma memória Big Endian
Endereço Byte 0 Byte 1 Byte 2 Byte 3

0

4

8

U

F

P

B

12

16

. . .

-
-

Já na abordagem Little Endian mostrada na [tabela_little] a mesma palavra é armazenada iniciando pelo byte menos significativo, da direita para a esquerda. -Apesar de parecer estranho, note que o que muda é a localização dos Bytes 0, 1, 2 e 3. -Comparando as abordagens Big Endian e Little Endian no exemplo, em ambos a letra U é armazenada no Byte 0, a F no Byte 1, a P no Byte 2 e a B no Byte 3. -A diferença é que no Little Endian os bytes são contados da direita para a esquerda.

-
- - ------ - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
Tabela 6. Exemplo de uma memória Little Endian
Endereço Byte 3 Byte 2 Byte 1 Byte 0

0

4

8

B

P

F

U

12

16

. . .

-
-

[IMPORTANT] O importante é observar que se um computador Little Endian precisar trocar dados com um computador Big Endian, eles precisarão antes ser convertidos para evitar problemas. -A palavra UFPB salva num computador Big Endian, por exemplo, se for transmitida para um Little Endian, deve antes ser convertida para BPFU para evitar incompatibilidade.

-

[NOTE] Computadores Intel, AMD e outras arquiteturas mais populares utilizam o modelo Little Endian, enquanto que a arquitetura da Internet (TCP/IP) e máquinas IBM adotam o Big Endian.

-
-
-
Acesso aos registradores
-

A forma de acesso aos registradores também é essencial para a definição das instruções de máquina. -Cada endereço é referenciado através de um código, como se fosse um endereço, assim como nas memórias. -O Conjunto de Instruções deve definir quantos endereços de registradores serão possíveis e o tamanho deles, e as políticas de acesso. -Essas decisões são de extrema importância para o projeto do Conjunto de Instruções e do processador como um todo.

-
-
-
-

Tipos de Dados

-

Quando escrevemos programas em linguagens de programação somos habituados a utilizar diversos tipos de dados, como inteiros, caracteres, pontos flutuantes e endereços. -O que muitos esquecem, ou não sabem, é esses tipos são definidos pelo processador, no momento do projeto do Conjunto de Instruções. -Os tipos mais comuns de dados são:

-
    -
  • -

    -Inteiros -

    -
    • -
  • -

    -Decimais -

    -
    • -
  • -

    -Pontos flutuantes -

    -
    • -
  • -

    -Caracteres -

    -
    • -
  • -

    -Dados lógicos -

    -
    • -
-

Cada um destes dados pode ainda possuir diversas variantes, como por exemplo:

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    -
  • -

    -Inteiros e Pontos flutuantes: com e sem sinal, curto, médio ou grande -

    -
    • -
  • -

    -Caracteres: ASCII, Unicode ou outras -

    -
    • -
  • -

    -Dados lógicos: booleanos ou mapas de bits -

    -
    • -
-

O Conjunto de Instruções de máquina pode adotar todos os tipos e variedades, ou um subconjunto delas. -Se um processador não utilizar um tipo de dado, o compilador deverá oferecer uma alternativa ao programador e, no momento de compilação, fazer a relação entre o tipo utilizado na linguagem de programação e o tipo existente na linguagem de máquina.

-

Sempre que for determinado que um tipo de dado será utilizado pelo processador, é também necessário que se criem instruções para manipular esses dados. -Por exemplo, se for definido que a arquitetura vai suportar números de ponto flutuante de 32 bits, será necessário também criar instruções para executar operações aritméticas com esses números, criar registradores para armazena-los e barramentos para transporta-los. -É uma decisão que impacto em todo o projeto do processador.

-
-
-

Formato das Instruções

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Em seguida, é preciso também definir quais serão os formatos de instrução aceitos pela Unidade de Controle. -No geral, toda instrução de máquina deve ter pelo menos o código da operação (ou Opcode) e os endereços para os parâmetros necessários, que podem ser registradores, posições de memória ou endereços de dispositivos de Entrada e Saída.

-

Nesta definição de formatos é necessário que se defina quantos endereços cada instrução poderá trazer. -Para ilustrar, suponha que na linguagem de alto nível a operação A = B + C seja escrita e precise ser compilada. -Se o Conjunto de Instruções adotar instruções com 3 endereços, fica simples. -O código da operação de soma é ADD e com 3 endereços ela ficaria algo semelhante a:

-
-
-
ADD A, B, C
-
-

Onde A, B e C são endereços que podem ser de memória, registrador ou dispositivo de Entrada e Saída. -Isso não vem ao caso neste momento.

-

Mas se o Conjunto de Instruções suportar apenas 2 endereços, ele pode adotar que o resultado sempre será salvo no endereço do primeiro parâmetro, sendo assim, a instrução teria que ser compilada da seguinte forma:

-
-
-
MOV B, R
-ADD R, C
-MOV R, A
-
-

A instrução MOV teve que ser adicionada para copiar o conteúdo de B para R (um registrador qualquer). -Em seguida a instrução ADD R, C é executa, que soma o conteúdo de R com C e salva o resultado em R. -No final, a instrução MOV é chamada novamente para salvar o resultado de R em A e finalizar a instrução. -Note que todas instruções neste exemplo utilizaram no máximo 2 endereços.

-

Já se a arquitetura utilizar instruções de apenas 1 endereço, será necessário utilizar uma arquitetura baseada em Acumulador e toda operação será entre o Acumulador e um endereço, e o resultado será também salvo no acumulador. -Assim, a instrução seria compilada como:

-
-
-
ZER ACC
-ADD B
-ADD C
-STO A
-
-

Aqui, quatro instruções foram necessárias. -A primeira zeta o conteúdo do Acumulador (ACC). -A segunda soma o Acumulador com o conteúdo apontado pelo endereço B e salva o resultado no Acumulador. -A terceira soma o conteúdo do Acumulador com C e salva no Acumulador e, por fim, a última instrução transfere o resultado do Acumulador para o endereço de A. -Note aqui também que todas instruções não passaram de um endereço para os parâmetros.

-

A última opção seria não utilizar endereços em suas instruções principais. -Isso é possível se for utilizada uma Arquitetura Baseada em Pilha. -Neste caso, duas instruções são adicionadas: POP e PUSH. -A instrução PUSH adiciona um valor ao topo da pilha, enquanto que POP remove um elemento do topo da pilha e adiciona seu conteúdo em um endereço. -Dessa forma, a instrução seria compilada assim:

-
-
-
POP B
-POP C
-ADD
-PUSH A
-
-

Neste caso a primeira instrução colocou o conteúdo do endereço de B na pilha, a segunda instrução fez o mesmo com C. -A terceira instrução é a única que não precisa de endereço. -Ela faz a soma com os dois últimos valores adicionados à pilha (B e C, no caso) e salva o resultado de volta na pilha. -A instrução PUSH vai remover o último valor da pilha (resultado da soma) e salvar na variável endereçada por A.

-

É possível perceber que quanto menos endereços, mais simples são as instruções. -Isso é bom porque a Unidade de Controle não precisará de muito processamento para executa-las. -Por outro lado, o programa compilado se torna maior e termina consumindo mais ciclos. -A decisão se as instruções serão mais simples ou mais complexas é muito importantes e vamos tratar dela mais a frente neste capítulo.

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Geralmente as arquiteturas adotam abordagem mistas. -Por exemplo, aquelas que suportam instruções com 2 endereços geralmente também suportam instruções com 1 endereço e com nenhum. -Isso é também bem interessante, porque torna o processador bastante versátil. -Por outro lado, é mais complexidade à Unidade de Controle. -Cada instrução que for ser executada precisa antes ser classificada e depois despachada para uma unidade de execução específica.

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Tipos de Instruções

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Além de definir como serão as instruções, é necessário também definir que tipos de instruções serão executadas pelo processador.

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Os principais tipos de instrução são:

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    -
  • -

    -Movimentação de dados: como os dados serão transferidos interna e externamente ao processador -

    -
    • -
  • -

    -Aritméticas: que operações serão realizadas, como exponenciais, trigonométricas, cálculos com pontos flutuantes, com e sem sinais, com números curtos e longos etc. -

    -
    • -
  • -

    -Lógicas: AND, OR, NOT e XOR -

    -
    • -
  • -

    -Conversão: de caracteres para números, de inteiros para reais, decimal para binário etc. -

    -
    • -
  • -

    -Entrada e Saída: haverá instruções específicas ou haverá um controlador específico, como um DMA (Direct Memory Access) -

    -
    • -
  • -

    -Controle: instruções para controlar os dispositivos diversos do computador -

    -
    • -
  • -

    -Transferência de Controle: como a execução deixará um programa para passar para outro, para interromper um programa, chamar subprogramas, instruções de desvio e de interrupção. -

    -
    • -
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-
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Modos de Endereçamento

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Por último, no projeto de um Conjunto de Instruções é necessário determinar de que forma os endereços das instruções serão acessados. -Ou seja, o que cada endereço de parâmetros de uma instrução podem representar.

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Os principais modos de endereçamento são:

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    -
  • -

    -Imediato -

    -
    • -
  • -

    -Direto -

    -
    • -
  • -

    -Direto por Registrador -

    -
    • -
  • -

    -Indireto -

    -
    • -
  • -

    -Indireto por Registrador -

    -
    • -
  • -

    -Indexado -

    -
    • -
  • -

    -Indexado por Registrador -

    -
    • -
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O endereçamento Imediato é o mais simples possível e indica que o endereço na verdade é uma constante e pode ser utilizada imediatamente.

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Por exemplo, na instrução a seguir:

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ADD A, 5, 7
-
-

Significa que a variável A deve receber o conteúdo da soma de 5 com 7. -O endereços 5 e 7 são considerados Imediatos, já que não representam um endereço, e sim uma constante.

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No endereçamento Direto o endereço representa um endereço de memória, como mostrado na instrução a seguir.

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ADD A, B, 7
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Neste exemplo, o valor 7 continua sendo endereçamento de forma imediata, mas os endereços de A e B são endereços de memória e por isso, são chamados de Endereços Diretos.

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No endereçamento Direto por Registrador os endereços representam registradores, e poderíamos ver o exemplo citado da seguinte forma:

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-
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ADD R1, R2, C
-
-

Neste exemplo R1 e R2 são códigos para registradores e o endereçamento é chamado Direto por Registrador, enquanto que C é acessado através de Endereçamento Direto.

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Já o endereçamento Indireto é aplicado quando é necessário que um acesso Direto seja feito antes para buscar o endereço alvo e só então o acesso é feito. -O exemplo a seguir mostra um caso onde este endereçamento é utilizado.

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ADD A, (B), 7
-
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Neste exemplo o endereço B entre parêntesis representa o acesso indireto. -Isso indica que primeiramente o endereço de B deve ser acessado, mas lá não está o conteúdo a ser somado com 7, mas o endereço de memória onde o valor deverá ser encontrado. -Este tipo de endereçamento é muito utilizado nas linguagens de programação para representar variáveis dinâmicas através de apontadores (ou ponteiros).

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O endereçamento Indireto também pode ser feito por Registrador. -No exemplo a seguir o valor sete não é somado ao conteúdo de R1, mas ao dado que está na memória no endereço apontado por R1.

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ADD A, (R1), 7
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Outro endereçamento possível é o Indexado. -Neste modo de endereçamento é necessário indicar o endereço do dado e um valor chamado Deslocamento. -No exemplo a seguir, o endereçamento Indexado é aplicado para B[5].

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ADD A, B[5], 7
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Isso indica que o dado a ser utilizado está no endereço B de memória adicionado de 5 posições. -Ou seja, se a variável B estiver no endereço 1002 de memória, o valor B[5] estará no endereço 1007. -O endereço de B é chamado de Endereço Base e o valor 5 é chamado de Deslocamento. -Para realizar um endereçamento Indexado é necessário um somados que não seja a ULA para agilizar o processamento e realizar cada deslocamento. -Este tipo de endereçamento é utilizado quando são utilizadas instruções de acesso a vetores.

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Há também a possibilidade de realizar o endereçamento Indexado por Registrador, que utiliza um registrador ao invés da memória para armazenar o Endereço Base, como exibido a seguir:

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ADD A, R1[5], 7
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RISC x CISC

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O projeto do Conjunto de Instruções inicia com a escolha de uma entre duas abordagens, a abordagem RISC e a CISC. -O termo RISC é a abreviação de Reduced Instruction Set Computer, ou Computador de Conjunto de Instruções Reduzido e CISC vem de Complex Instruction Set Computer, ou Computador de Conjunto de Instruções Complexo. -Um computador RISC parte do pressuposto de que um conjunto simples de instruções vai resultar numa Unidade de Controle simples, barata e rápida. -Já os computadores CISC visam criar arquiteturas complexas o bastante a ponto de facilitar a vida dos compiladores, assim, programas complexos são compilados em programas de máquina mais curtos. -Com programas mais curtos, os computadores CISC precisariam acessar menos a memória para buscar instruções e seriam mais rápidos.

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A [tabela_risc_cisc] resume as principais características dos computadores RISC em comparação com os CISC. -Os processadores RISC geralmente adotam arquiteturas mais simples e que acessam menos a memória, em favor do acesso aos registradores. -A arquitetura Registrador-Registrador é mais adotada, enquanto que os computadores CISC utilizam arquiteturas Registrador-Memória.

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Tabela 7. Arquiteturas RISC x CISC
Características RISC CISC

Arquitetura

Registrador-Registrador

Registrador-Memória

Tipos de Dados

Pouca variedade

Muito variada

Formato das Instruções

Instruções poucos endereços

Instruções com muitos endereços

Modo de Endereçamento

Pouca variedade

Muita variedade

Estágios de Pipeline

Entre 4 e 10

Entre 20 e 30

Acesso aos dados

Via registradores

Via memória

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Como as arquiteturas RISC visam Unidades de Controle mais simples, rápidas e baratas, elas geralmente optam por instruções mais simples possível, com pouca variedade e com poucos endereços. -A pouca variedade dos tipos de instrução e dos modos de endereçamento, além de demandar uma Unidade de Controle mais simples, também traz outro importante benefício, que é a previsibilidade. -Como as intrusões variam pouco de uma para outra, é mais fácil para a Unidade de Controle prever quantos ciclos serão necessários para executa-las. -Esta previsibilidade traz benefícios diretos para o ganho de desempenho com o Pipeline. -Ao saber quantos ciclos serão necessários para executar um estágio de uma instrução, a Unidade de Controle saberá exatamente quando será possível iniciar o estágio de uma próxima instrução.

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Já as arquiteturas CISC investem em Unidades de Controle poderosas e capazes de executar tarefas complexas como a Execução Fora de Ordem e a Execução Superescalar. -Na execução Fora de Ordem, a Unidade de Controle analisa uma sequência de instruções ao mesmo tempo. -Muitas vezes há dependências entre uma instrução e a seguinte, impossibilitando que elas sejam executadas em Pipeline. -Assim, a Unidade de Controle busca outras instruções para serem executadas que não são as próximas da sequência e que não sejam dependentes das instruções atualmente executadas. -Isso faz com que um programa não seja executado na mesma ordem em que foi compilado. -A Execução Superescalar é a organização do processador em diversas unidades de execução, como Unidades de Pontos Flutuante e Unidades de Inteiros. -Essas unidades trabalham simultaneamente. -Enquanto uma instrução é executada por uma das unidades de inteiros, outra pode ser executada por uma das unidades de Pontos Flutuantes. -Com a execução Fora de Ordem junto com a Superescalar, instruções que não estão na sequência definida podem ser executadas para evitar que as unidades de execução fiquem ociosas.

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Estas características de complexidade tornam os estágios de Pipeline dos processadores CISC mais longos, em torno de 20 a 30 estágios. -Isto porque estas abordagens de aceleração de execução devem ser adicionadas no processo de execução. -Já os processadores RISC trabalham com estágios mais curtos, em torno de 4 a 10 estágios.

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Os processadores CISC também utilizam mais memória principal e Cache, enquanto que os processadores RISC utilizam mais registradores. -Isso porque os processadores CISC trabalham com um maior volume de instruções e dados simultaneamente. -Esses dados não poderiam ser armazenados em registradores, devido à sua elevada quantidade e são, geralmente, armazenados em memória Cache. -Enquanto que os processadores RISC trabalham com menos instruções e dados por vez, o que possibilita a utilização predominante de registradores.

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Afinal, qual a melhor abordagem?

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Sempre que este assunto é apresentado aos alunos, surge a pergunta crucial sobre qual é a melhor abordagem, a RISC e a CISC. -Esta é uma pergunta difícil e sem resposta definitiva. -A melhor resposta que acho é de que depende do uso que se quer fazer do processador.

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Processadores RISC geralmente resultam em projetos menores, mais baratos e que consumem menos energia. -Isso torna-os muito interessante para dispositivos móveis e computadores portáteis mais simples. -Já os processadores CISC trabalham com clock muito elevado, são mais caros e mais poderosos no que diz respeito a desempenho. -Entretanto, eles são maiores e consomem mais energia, o que os torna mais indicados para computadores de mesa e notebooks mais poderosos, além de servidores e computadores profissionais.

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Os processadores CISC iniciaram com processadores mais simples e depois foram incorporando mais funcionalidades a esses processadores. -Os fabricantes, como a Intel e a AMD precisavam sempre criar novos projetos mas mantendo a compatibilidade com as gerações anteriores. -Ou seja, o Conjunto de Instruções executado pelo 486 precisa também ser executado pelo Pentium para os programas continuassem compatíveis. -O Pentium IV precisou se manter compatível ao Pentium e o Duo Core é compatível com o Pentium IV. -Isso tornou o projeto dos processadores da Intel e AMD muito complexos, mas não pouco eficientes. -Os computadores líderes mundiais em competições de desempenho computacional utilizam processadores CISC.

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Já o foco dos processadores RISC está na simplicidade e previsibilidade. -Além do benefício da previsibilidade do tempo de execução ao Pipeline, ele também é muito interessante para aplicações industriais. -Algumas dessas aplicações são chamadas de Aplicações de Tempo Real. -Essas aplicações possuem como seu requisito principal o tempo para realizar as tarefas. -Assim, o Sistema Operacional precisa saber com quantos milissegundos um programa será executado. -Isso só é possível com processadores RISC, com poucos estágios de Pipeline, poucos tipos de instrução, execução em ordem etc. -Mesmo que os processadores RISC sejam mais lentos do que os CISC, eles são mais utilizados nessas aplicações críticas e de tempo real, como aplicações industriais, de automação e robótica.

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Recapitulando

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Este capítulo apresentou uma etapa de extrema importância no projeto de um processador, que é a definição do Conjunto de Instruções. -O Conjunto de Instruções define não apenas como os programas serão compilados, mas também características críticas e de mercado, como tamanho, consumo de energia e preço.

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Atividades

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  1. -

    -Texto da atividade. -

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  2. -

    -Texto da atividade. -

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    3. -
  3. -

    -Texto da atividade. -

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Glossário

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- PC (Program Counter) -
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-Contador de Programas ([sec_registradores]). -

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- IR (Instruction Register) -
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-Registrador de Instrução ([sec_registradores]). -

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- MAR (Memory Address Register) -
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-Registrador de Endereço ([sec_registradores]). -

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- MBR (Memory Buffer Register) -
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-Registrador de Dados ([sec_registradores]). -

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- ULA -
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-Unidade Lógica e Aritmética ([sec_ULA]). -

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- UC -
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-Unidade de Controle ([sec_UC]). -

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- FI -
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-Ciclo carregar instrução. Traz a instrução da memória para o -processador, armazena em [IR] (essa etapa também é chamada de Fetch -de Instrução) e a decodifica para execução no passo seguinte. ([sec_pipeline_desempenho]) -

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- FO (Fetch operands) -
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-Clico carregar operandos. Traz os operandos da operação dos -registradores para a ULA, para que a operação seja realizada sobre -eles, também chamada de Fetch de Operandos. ([sec_pipeline_desempenho]) -

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- EI (Execute Instructions) -
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-Ciclo executar instruções. Executa operação lógica ou aritmética -propriamente dita. ([sec_pipeline_desempenho]) -

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- WM (Write to memory):: Ciclo escrever em memória -
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-Escreve o resultado da operação em -memória, se necessário. ([sec_pipeline_desempenho]) -

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- WR (Write to register) -
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-Ciclo escrever em registrador. Escreve o resultado da operação -em um dos registradores, se necessário. ([sec_pipeline_desempenho]) -

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