Arquitetura de computadores

A evolução da informática foi caracterizada pelo desenvolvimento de computadores com as mais diversas características, traduzidas pelos diferentes parâmetros, cada vez mais conhecidos da maioria de usuários de computador: a CPU adotada, a capacidade de memória, a capacidade do disco rígido, a existência de memória cache e outros menos conhecidos. A definição destes parâmetros e a forma como os diversos componentes de um computador são organizados, define aquilo que é conhecido por arquitetura de computador e vai determinar aspectos relacionados à qualidade, ao desempenho e à aplicação para a qual o computador vai ser orientado.

Existem vários modos de uso do termo, que podem se referir a:

• desenho da arquitetura da CPU do computador, o seu conjunto de instruções, "addressing modes" e técnicas, tais como paralelismo SIMD e MIMD.
• termo também utilizado com significado análogo, ou semelhante, a Arquitetura de microprocessadores (RISC x CISC).
• arquiteturas de hardware mais generalizadas, tais como computação em cluster e arquiteturas NUMA (acesso não-uniforme à memória).
• utilização menos formal do termo, referindo-se a uma descrição dos requisitos (especialmente requisitos de velocidades e interligação) ou implementação do design para as várias partes de um computador, tais como memória, placa-mãe, periféricos eletrônicos ou, mais frequentemente, CPU.

A arquitetura é frequentemente definida como o conjunto de atributos da máquina que um programador deve compreender para que consiga programar o computador específico com sucesso, ou seja, para que consiga compreender o que o programa irá fazer quando da sua execução. Por exemplo, parte da arquitetura são as instruções e o raio de operadores manipulados por elas. De uma maneira semelhante, a frequência em que o sistema opera não é incluída na arquitetura. Esta definição revela as duas principais considerações dos arquitetos de computadores: desenhar hardware que se comporta como o programador pensa que se irá comportar e utilizar implementações existentes de tecnologias (por exemplo, semicondutores), para construir o melhor computador possível. A segunda consideração é frequentemente referida como a microarquitetura.

História

A expressão "arquitetura de computadores", na literatura, pode ser atribuída a Lyle R. Johnson, Muhammad Usman Khan e Frederick P. Brooks, Jr. Em 1959, eram membros do departamento de Organização de Máquinas da IBM.

Johnson teve a oportunidade de escrever uma comunicação de pesquisa proprietária sobre Strech, um supercomputador desenvolvido pela IBM para o Laboratório Nacional de Los Alamos. Na tentativa de caracterizar o seu nível desejado de detalhe, ele observou que sua descrição de formatos, tipos de instruções, os parâmetros de hardware e melhorias de velocidade foi no nível de "arquitetura do sistema" - Um termo que parecia ser mais útil do que "organização de máquina".

Posteriormente, Brooks, um dos projetistas do Strech, começou o capítulo 2 de um livro (Planning a Computer System: Project Stretch, ed W. Buchholz, 1962), escrevendo: "Arquitetura de computadores, como outra arquitetura, é a arte de determinar as necessidades do usuário de uma estrutura e, possível dentro das limitações econômicas e tecnológicas.".

Brooks passou a desempenhar um papel no desenvolvimento do IBM System/360(agora chamado de IBM System z) linha de computadores, onde a "arquitetura" ganhou moeda como um substantivo com a definição como "o que o usuário precisa saber". Mais tarde, o mundo da informática, empregaria o termo, em formas muito menos explícitas.

Memória virtual

Outro problema recorrente envolve a memória virtual.

Historicamente, a memória de acesso aleatório (RAM) foi centenas de vezes mais cara que o armazenamento mecânico rotativo, isto é, discos rígidos, num computador moderno.

O processador só pode executar uma instrução que esteja na memória real. O mecanismo de Memória Virtual divide a memória real em frames e divide um arquivo no disco em páginas de mesmo tamanho dos frames. No disco existem muito mais páginas do que frames na memória. Sempre que for preciso uma página é copiada da memória virtual (arquivo em disco) para um frame da memória real. Surge a necessidade de saber quando é preciso copiar. Surge a necessidade de saber se um frame pode ser descartado ou se precisa ser recopiado para sua página correspondente no arquivo em disco. Sempre que uma instrução é executada a partir de um frame o hardware controlador de memória virtual testa se o dado a que ela se refere já se encontra em algum frame. Se for o caso, uma interrupção ocorre para que a rotina de tratamento cuide de copiar do disco para a memória real uma página completa contendo o dado necessário.

Segmentação das instruções (pipeline)

O conjunto e instruções orienta fortemente como funcionará a segmentação de instruções. A ideia é análoga a linha de produções em série, mas utilizada na execução das instruções. Primeiro divide-se as instruções em pedaços menores de forma que uma instrução em código de máquina demore muitos ciclos curtos para ser executada. Depois disso o controle do microprocessador encarrega-se de executar várias instruções ao mesmo tempo, cada uma utilizando um pedaço distinto do processador. Isto tem como objetivo que na média cada instrução demore um ciclo curto para ser executada. Existem diversas complicações em instruções de desvio (condicionais), que são tratadas por paralelismo de código conhecida como threading (nome comercial da Intel Hyperthreading).

Ligações externas

• ISCA: Proceedings of the International Symposium on Computer Architecture
• Micro: IEEE/ACM International Symposium on Microarchitecture
• HPCA: International Symposium on High Performance Computer Architecture
• ASPLOS: International Conference on Architectural Support for Programming Languages and Operating Systems
• ACM Transactions on Computer Systems
• IEEE Computer Society
• Microprocessor Report