Figura 8: modelo de Von Neumann

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1 3. ORGANIZAÇÃO DE SISTEMA DE COMPUTADORES Olá, caro aluno! Neste capítulo vamos ver como são organizados os componentes que formam um sistema computacional. O conceito é histórico, mas é aplicado até os dias de hoje. Boa leitura! A teoria sobre a organização dos computadores é bastante extensa e complexa. Para este curso falaremos apenas sobre alguns aspectos mais relevantes, abordando inicialmente o seu modelo teórico e mostrando a seguir a estruturação do hardware atualmente adotado MODELO LÓGICO COMPUTACIONAL DE VON NEUMANN O modelo de Von Neumann é composto basicamente por processador, memória e dispositivos de E/S. O processador executa sequencialmente instruções armazenadas na memória, de acordo com a ordem ditada por uma unidade de controle. Figura 8: modelo de Von Neumann A máquina de Von Neumann é uma máquina de utilização genérica, isto é, permite resolver qualquer problema que se possa exprimir sob a forma de um algoritmo. Permite-nos especificar programas que indicam as desejadas sequências de operações que devem ser realizadas sobre a informação representada em binário. Página 29

2 No exemplo da figura 8 temos um modelo expandido da visão de Von Neumann: o processador (cpu) desdobra-se em: Unidade de Controle (UC), necessária ao sincronismo da tarefa; ULA (Unidade Lógica e Aritmética), responsável pelos cálculos e os registradores (reg), para armazenar temporariamente os resultados; a memória, responsável por armazenar o resultado final da operação; dispositivos de entrada e saída para a comunicação do sistema com o meio externo. Os componentes do modelo são interligados através de uma arquitetura de barramentos. Figura 9: barramento interligando os componentes. O barramento da figura 9 é uma estrutura interna que deve operar a velocidades altas e interligar os principais componentes do modelo Neumann Unidade de Controle A unidade de controle é responsável pela busca de instruções da memória principal e determinar seus tipos. Também é responsável por gerar os sinais que controlam as operações no exterior da CPU e ainda por dar as instruções para o correto funcionamento interno da CPU. A unidade de controle executa três ações básicas programadas pelo fabricante do processador, são elas: busca, decodificação e execução das instruções contidas na memória Unidade de Lógica e Aritmética A ULA unidade de lógica e aritmética (ou ALU Arithmetic and Logical Unit) é responsável por cálculos aritméticos, como soma e subtração, e por comparações lógicas. Página 30

3 Figura 10: Unidade Lógica e Aritmética A figura 10 mostra o funcionamento da ULA junto com os registradores. O processador, onde existe uma ULA, executa seus cálculos de acordo com os seguintes passos: os registradores inicialmente mostram a operação a ser efetuada (a+b) e os dados (a, b); os registradores de entrada da ULA recebem os dados e os enviam para o cálculo. O cálculo é realizado e o resultado temporário vai novamente para os registradores e depois para a memória principal Memória Principal A unidade de memória principal serve para guardar programas e dados, sob a forma de uma representação binária. Cada instrução da máquina é codificada como uma sequência de bits e cada valor também é codificado por uma determinada sequência de bits. Figura 11: memória principal Página 31

4 A memória é a parte do computador onde programas e dados são armazenados. Sem ela não existiria o conceito de computador digital de programa armazenado Unidades de Entrada e Saída As unidades periféricas destinam-se a suportar as ações de comunicação da CPU e memória com o exterior, daí a sua designação de unidades de entrada e saída (ou I/O input/output). São exemplos: o teclado, o monitor, o mouse, a impressora, as interfaces de comunicação com redes de computadores. Também há unidades periféricas destinadas ao armazenamento de dados que são depois apresentados ao usuário sob a forma de arquivos, geridos pelos programas do Sistema Operacional. Exemplos são os discos rígidos, discos ópticos (CD/DVD), discos flexíveis e as fitas magnéticas. Você acha que as principais características do modelo de Von Neumann tiveram alterações significativas para o modelo computacional atual? 3.2. ARQUITETURA DE PROCESSADORES RISC E CISC Um processador CISC (Complex Instruction Set Computer, ou computador com um conjunto complexo de instruções ) é capaz de executar várias centenas de instruções complexas diferentes, sendo extremamente versátil. Exemplos de processadores CISC são o 386 e o 486. No começo da década de 80, a tendência era construir chips com conjuntos de instruções cada vez mais complexos. Alguns fabricantes, porém, resolveram seguir o caminho oposto, criando o padrão RISC (Reduced Instruction Set Computer, ou computador com um conjunto reduzido de instruções ). Ao contrário dos complexos CISC, os processadores RISC são capazes de executar apenas algumas poucas instruções simples. Justamente por isso, os chips baseados nesta arquitetura são mais simples e muito mais baratos. A idéia principal é que, apesar de um processador CISC ser capaz de executar centenas de instruções diferentes, apenas algumas são usadas frequentemente. Poderíamos então criar um processador otimizado para executar apenas instruções simples que são usadas mais frequentemente. Em conjunto com um software adequado, este processador seria capaz de desempenhar quase todas as funções de um processador CISC, acabando por compensar suas limitações com uma maior velocidade de processamento. Página 32

5 Você pode comparar a idéia de RISC e CISC assim: imagine que você é um professor de matemática e tem todas as fórmulas matemáticas na cabeça. Este é o processador RISC. Agora imagine que o aluno só sabe fazer as quatro operações básicas: somar, subtrair, multiplicar e dividir. Este é o processador RISC ARQUITETURA DAS MÁQUINAS ATUAIS Com a evolução tecnológica dos modelos apresentados, os processadores ficaram muito rápidos. Novas tecnologias foram adicionadas a eles: CISC e RISC juntos no mesmo processador, múltiplas unidades de execução trabalhando numa sinérgica complexidade, o que faz com que os computadores atuais sejam extremamente velozes. Exemplos dessa sinergia são a evolução da forma como os processadores executam as instruções e também sua quantidade, através da inserção de vários processadores em apenas uma pastilha e o uso de instruções complexas e reduzidas de forma combinada Arquitetura de 32 bits Arquitetura de 32 bits refere-se ao tamanho das instruções que o computador executa. Tanto que existiram processadores de 32 bits com barramento de 16 bits (família de processadores 386sx), 32 bits (386dx, 486) e 64 bits (processadores Intel Pentium em diante). Barramentos maiores aumentam a velocidade de transmissão sem precisar aumentar o clock (frequência) de operação do processador. O barramento é o caminho por onde os dados devem fluir até chegar aos dispositivos necessários (memória, processador, dispositivo de entrada e saída). Barramentos maiores influenciam na velocidade total do sistema, já que mais bits podem passar num mesmo instante de tempo ou ciclo de máquina Arquitetura de 64 bits Em termos de arquitetura de computadores, o termo 64 bits é uma expressão usada para descrever inteiros, endereços de memória ou qualquer outro tipo de dado que tenha um tamanho de 64 bits, ou então para descrever arquiteturas de CPU e ALU baseadas em registradores, barramentos de dados e endereços com o tamanho de 64 bits. Embora uma CPU possa ser de 64 bits internamente, seu barramento pode ter tamanho diferente para comunicação com outros dispositivos, como memórias e chipsets. O contrário também pode ocorrer. Algumas Página 33

6 CPUs de 32 bits e que utilizam barramentos de 64 bits (por exemplo, para acesso à memória) às vezes são tratadas como CPUs de 64 bits, confundindo os usuários. Sem uma qualificação definida, podemos dizer que uma arquitetura de computador descrita como sendo de 64 bits tem registradores inteiros de 64 bits e suporta dados (de 64 bits) tanto interna como externamente. Podemos imaginar as arquiteturas de 32 e 64 bits da seguinte forma: imagine que você (o processador) consegue pegar na cozinha (memória) 32 copos (dados e instruções) e colocá-los numa bandeja e assim servir seus convidados. Agora imagine que sua bandeja caiba o dobro de copos, ou seja, 64. Neste caso, você não precisa voltar à cozinha para pegar mais 32 copos, entendeu? Arquitetura com múltiplos processadores O limite superior de desempenho de máquinas monoprocessadoras está vinculado ao número de unidades funcionais existentes internamente e ao ciclo de máquina possível com a tecnologia existente. Para que se obtenham sistemas com desempenho de pico ainda superior, a única alternativa é conectar diversos processadores formando sistemas mais complexos. O desempenho teórico de pico num sistema de múltiplos processadores é a soma dos valores de cada processador. O desempenho real que se obtém desse sistema, entretanto, pode ser bem menor do que o valor de pico. O elemento limitante para o desempenho final será a forma de comunicação utilizada pelos processadores e como acessarão a memória. A inclusão de múltiplos processadores num sistema constitui o que chamamos de paralelismo. Atualmente estes sistemas são denominados como plataforma computacional multicore. Comercialmente e atualmente, estes modelos referem-se aos processadores Dual Core, Quad-Core, X2, dentre outras nomenclaturas adotas pelas fabricantes, como AMD e Intel. Página 34

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