Introdução à Arquitetura de Computadores. Prof.ª Ms. Elaine Cecília Gatto

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1 Introdução à Arquitetura de Computadores Prof.ª Ms. Elaine Cecília Gatto 1

2 O nome refere-se ao matemático John Von Neumann, que foi considerado o criador dos computadores da forma como são projetados até hoje. Entretanto, outras pessoas também estiverem envolvidas no processo. A idéia do modelo surgiu da necessidade de armazenar programas em um computador, pois, até então, ainda não haviam formas de armazenamento de programas em um computador. Von Neumann e outros pesquisadores descobriram que, utilizando dispositivos de memória em formas de linha de retardo de mercúrio, poderiam armazenar instruções de programas. 2

3 A proposta inicial de um computador de programa armazenado, denominado IAS (Princeton Institute for Advanced Studies), relatada pelo próprio von Neumann era: Primeira Parte Específica Central Arithmetic ou CA: O dispositivo deve realizar as operações elementares da aritmética mais frequentemente, e por este motivo, deve ter unidades especializadas apenas para essas operações; Segunda Parte Específica Control Center ou CC: A sequenciação apropriada das operações pode ser executado, de forma mais eficiente, por um controle central; 3

4 Terceira Parte Específica: Memória ou M: Qualquer dispositivo que tiver que executar longas e complicadas sequencias de operações precisa ter uma memória considerável. Recording ou R: deve ser capaz de manter contato de entrada e saída, que são os neuronios correspondentes sensoriais e motores do cérebro humano. Quarta Parte Específica Input I: é necessário ter unidades para transferencia de informações de R para M. Quinta Parte Específica Output O: é necessário ter unidades para transferencia de informações de M para R. 4

5 O modelo de Von Neumann é também chamado de sistemas de von Neumann ou arquitetura de von Neumann e são denominados de computadores com programas armazenados. As características destas máquinas são as seguintes: 3 sistemas de hardware: 1. UCP ou CPU Unidade Central de Processamento que contém: Uma unidade de controle (UC); Uma unidade lógica aritmética (ULA); Vários registradores (memórias internas da CPU); Um contador de programa (PC); 2. Sistema de Memória Principal; 3. Sistema de Entrada/Saída; Capacidade para executar instruções sequencialmente; Possui apenas um caminho de dados entre a UCP e a memória principal (chamado de Gargalo de von Neumann) 5

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7 Ciclo de execução de von Neumann: Ciclo de busca-decodificação-execução de instruções, isto é, busca uma instrução, decodifica-a e a executa; Descreve como a máquina (o hardware) trabalha com as instruções que devem ser executadas. A CPU tem como função: Executar programas que estão armazenados na memória principal; Buscar as instruções desses programas; Examinar essas instruções; Executar as instruções uma após a outra (sequencia); A unidade de controle tem como função: Buscar instruções na memória principal; Determinar o tipo dessas instruções; 7

8 A unidade lógica aritmética tem como função: Efetuar operações aritméticas; Efetuar operações booleanas (e, ou, not, etc) Essas operações são necessárias para a execução das instruções dos programas; Registradores da CPU: São memórias de alta velocidade; Armazenam resultados temporários dentro da CPU; São usados para controlar as informações; Cada registrador tem uma função e um tamanho (em bits e/ou bytes); São lidos e escritos em alta velocidade pois são internos à CPU; 8

9 OBS.: a CPU não consegue manter todos os valores manipulados por um programa apenas em registradores, por isso necessita de uma memória para o armazenamento das informações. Mais detalhes serão discutidos à frente. Contador de programa ou Programm Counter: É o registrador mais importante da CPU; Indica a próxima instrução a ser buscada para execução; Registrador de Instrução (IR): Contém a instrução que está sendo executada no momento em questão; Como esses dispositivos eletrônicos conversam? Barramentos! Barramento: é um conjunto de fios paralelos (condutores de energia) que transmistem endereços da memória e dos registradores, dados e também sinais de controle; é por onde transitam os bits 9

10 Barramentos internos à CPU: quando estão dentro da pastilha da CPU; Barramentos externos à CPU: são aqueles que conectam a memória e os dispositivos de E/S à CPU. Conceitos importantes sobre barramentos: Largura do barramento: é o número de bits que são transportados em uma operação. Exemplo: a largura do barramento do 486 era de 32 bits. Frequencia de operação: é a velocidade com que os dados são transmitidos no barramento. Exemplo: o barramento externo do Pentium I operava a 66Mhz. 10

11 Exemplo de execução de uma instrução em máquinas do modelo de von Neumann: A unidade de controle busca a próxima instrução do programa na memória principal; O contador de programa é usado pela unidade de controle para determinar onde a instrução está localizada; A instrução é decodificada para uma linguagem que a unidade lógica aritmética possa entender; Os operandos de dados requeridos para executar a instrução são carregados da memória e colocados em registradores; A unidade lógica aritmética executa a instrução e coloca os resultados em registradores ou na memória. 11

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14 Referencias 1. MONTEIRO, Mario A. Introdução a Organização de Computadores. 5ª ed. Rio de Janeiro: LTC, TANENBAUM, Andrew S. Organização Estruturada de Computadores. 5ª ed. São Paulo: Pearson Prentice Hall, STALLINGS, William. Arquitetura e Organização de Computadores. 8ª ed. São Paulo: Pearson Prentice Hall, NULL, Linda. Princípios Básicos de Arquitetura e Organização de Computadores. 2ª ed. Porto Alegre: Bookman, LORIN, Harold. Introducao a Arquitetura e Organizacao de Computadores. Rio de Janeiro: Campus,

15 Referencias 1. PATTERSON, David A.; HENNESSY, John L. Computer Organization and Design: The Hardware And Software Interface. 2ª ed. San Francisco, USA: Morgan Kaufmann, PATTERSON, David A.; HENNESSY, John L. Organização e Projeto de Computadores: A Interface Hardware e Software. 2ª ed. Rio de Janeiro: LTC, WEBER, Raul Fernando. Fundamentos de Arquitetura de Computadores. 3ª ed. Porto Alegre, RS: Bookman, Instituto de Informatica da UFRGS, TANENBAUM, Andrew S. Organização Estruturada de Computadores. 4ª ed. Rio de Janeiro: LTC, TANENBAUM, Andrew S. Organização Estruturada de Computadores. 5ª ed. São Paulo: Pearson Prentice Hall,

16 Referencias 1. HENNESSY, JOHAN L. Arquitetura de Computadores: uma abordagem quantitativa. Rio de Janeiro: Campus, REBONATO, MARCELO T. Organização de Computadores: notas de aula. Universidade de Passo Fundo. 3. RICARTE, IVAN l. M. Organização de Computadores. Universidade Estadual de Campinas. 16

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