Capítulo 2 Organização Interna de um Computador

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1 Capítulo 2 Organização Interna de um Computador Vimos que um sistema de computador é um conjunto de componentes que são integrados para funcionar como um único elemento e tem por objetivo realizar manipulações com dados; isto é, realizar algum tipo de operação com os dados de modo a obter informações úteis. 2.1 MODELO DE VON NEUMANN Para podermos entender a importância da arquitetura Von Neumann vamos começar fazendo uma pergunta: qual a diferença entre uma calculadora e um computador? Uma calculadora básica realiza apenas as funções pré-determinadas em seu teclado. Se desejarmos fazer um novo tipo de operação, isto só será possível com a modificação dos circuitos eletrônicos que compõem a calculadora, além do seu teclado, para a inclusão da nova função. Não há, portanto, flexibilidade para realizar alterações na calculadora para se adaptar a novas aplicações. O computador, por sua vez, é um equipamento que oferece a possibilidade de ser configurado facilmente para novas tarefas, de acordo com as necessidades de cada aplicação que for requerida pelo usuário. A grande inovação da proposta de Von Neumann foi uma nova forma de organização para o computador que permitisse um alto grau de flexibilidade, de forma a adaptá-lo facilmente para diversas aplicações. Modelo de Von Neumann

2 O conceito de programa armazenado foi um dos conceitos fundamentais apresentados por Von Neumann que permitiu essa flexibilidade. Em seu modelo de computador foi introduzido o conceito de memória, um dispositivo de armazenamento temporário, para onde programas (e dados) diferentes poderiam ser carregados a partir de uma unidade de entrada, para serem executados pela unidade aritmética e lógica, com os resultados sendo transferidos da memória para uma unidade de saída, tudo isso sob a coordenação de uma unidade de controle. Deste modo, ficava garantida a flexibilidade do computador, que pode ter o seu funcionamento facilmente alterado mediante o uso de programas e dados diferentes, de acordo com a aplicação de cada usuário. Sendo mais formal, os componentes da máquina de Von Neumann (Figura) podem ser descritos assim: Memória: É a unidade onde as instruções, os dados de entrada, as tabelas de referência, e os resultados intermediários devem ser armazenados para permitir a execução de um programa. Controle: É a unidade responsável pelo seqüenciamento das operações e pelo controle das demais unidades do computador. Aritmética: É a unidade que irá executar as operações aritméticas e lógicas tais como: soma, subtração, multiplicação, divisão, raiz quadrada, movimentação entre a unidade aritmética e a memória, verificação do sinal do resultado, conversão de decimal para binário e vice-versa. Um total de 10 operações fundamentais foi definido por Von Neumann. É chamada abreviadamente de UAL. Entrada: É a unidade que transfere a informação (numérica ou não) do meio externo. Todas as transferências devem ser feitas para a memória e nunca diretamente para a unidade de controle. Saída: É a unidade que transfere a informação (numérica ou não) para o meio externo. Todas as transferências devem ser feitas da memória para o meio externo, e nunca diretamente da unidade de controle. Von Neumann, em uma analogia com o comportamento dos neurônios, sugere o uso da numeração binária para a representação interna dos números, ao invés da numeração decimal, pela evidente economia que isto proporciona no tempo gasto nos cálculos e na complexidade dos circuitos. As válvulas foram escolhidas como elementos básicos por serem dispositivos com o menor tempo de chaveamento (mudança do valor lógico 0 para o valor lógico 1) existentes com a tecnologia disponível naquela época. O uso de um sinal elétrico periódico para cadenciar todas as operações do computador foi também proposto, dando origem ao que chamamos de relógio do computador. Este modelo de organização proposto por Von Neumann continua sendo utilizado no projeto dos processadores comerciais nos dias de hoje. O estudo de suas características permite uma compreensão adequada do funcionamento dos computadores utilizados comercialmente hoje em dia.

3 2.2 MODELO DE BARRAMENTO DE SISTEMA Figura 2.1 O modelo de Von Neumann passou por um refinamento que recebeu o nome de modelo de barramento de sistema (Figura acima). Nesse modelo, a unidade de controle e a unidade aritmética são vistas como um só elemento e recebem o nome de processador. As unidades de entrada e saída são vistas também em uma única unidade, chamada agora de unidade de entrada/saída. A memória continua sendo vista com uma unidade independente, com as mesmas funções da arquitetura de Von Neumann. Um elemento novo que surge é o próprio barramento de sistema, que faz a interligação entre o processador, a memória e a unidade de entrada/saída. O barramento de sistema é composto pelos barramentos de endereço, dados e controle. O barramento de endereços transporta os sinais de endereço através de fios ou trilhas até a memória. Sinais estes que vão, principalmente, determinar qual a posição de memória que irá ser lida ou escrita. Os endereços podem ser fornecidos tanto pelo processador como pela unidade de entrada/ saída. A informação dessa posição de memória, que está sendo lida ou escrita na memória, transita pelo barramento de dados, que é bidirecional. Apesar do nome, tanto instruções como os dados propriamente ditos circulam por esse barramento. O barramento de controle indica qual a natureza da operação que vai ser realizada: leitura ou escrita, na maior parte dos casos, e possui também sinais para a arbitragem do barramento, para determinar quem vai utilizar o barramento naquele momento, que pode ser tanto o processador como a unidade de entrada/saída. Eventualmente, nos modernos computadores, existe também um barramento dedicado para ligar os periféricos à unidade de entrada/saída. Isso permite que o acesso do processador à memória se faça com maior eficiência, pela diminuição do tráfego de dados no barramento de sistema.

4 A seguir vamos examinar cada um dos componentes do modelo de barramento de sistema com mais detalhes. Unidade Central de Processamento (Processador) é o componente vital do sistema de computação, responsável pela realização das operações de processamento (os cálculos matemáticos com os dados, etc.) e pelo controle de quando e o que deve ser realizado, durante a execução de um programa. Tal controle é realizado através da emissão de sinais apropriados de controle. A função da UCP consiste, então, em: a) buscar uma instrução na memória, uma de cada vez; b) interpretar que operação a instrução está explicitando (pode ser e soma de dois números, uma multiplicação, etc.); c) buscar os dados onde estiverem armazenados, para trazê-los até a UCP; d) executar efetivamente a operação com os dados, guardar o resultado no local definido na instrução; e) reiniciar o processo apanhando nova instrução. Memória é o componente de um sistema de informação cuja função é armazenar as informações que são, foram ou serão manipuladas pelo sistema. Os programa e os dados são armazenados na memória para execução imediata (memória principal) ou para execução ou uso posterior (memória secundária). Há duas únicas ações que podem ser realizadas: 1) a de guardar um elemento na memória, então chamamos de armazenar e a operação associada a esta ação é de escrita ou gravação ( write ) ou 2) recuperação de um elemento da memória, ação de recuperar, e operação de leitura ( read ). Dispositivos de Entrada e Saída serve basicamente para permitir que o sistema de computação se comunique com o mundo externo, realizando ainda, a interligação, a conversão das linguagens do sistema para a linguagem do meio externo e vice-versa. Os seres humanos entendem símbolos como A, b, *,?, etc. e o computador entende sinais elétricos que podem assumir um valor de +3Volts para representar 1 e ou outro valor, 0 Volts para representar 0. O teclado (dispositivo de ENTRADA) interliga o usuário e o computador, por exemplo, quando pressionamos a tecla A, os circuitos eletrônicos existentes no teclado convertem a pressão mecânica em um grupo de sinais elétricos, alguns com voltagem alta (bit 1) e outras com voltagem baixa (bit 0), que corresponde, para o computador, ao caractere A. Os dispositivos de SAÍDA operam de modo semelhante, porém em sentido inverso, do computador para o mundo exterior, convertendo os sinais elétricos em símbolos conhecidos por nós. 2.3 ORGANIZAÇÃO FUNCIONAL DE UM COMPUTADOR

5 O computador é formado por um grupo de unidades ou equipamentos conectados entre si (ver Figura 2.2). Cada unidade desempenha funções específicas no processamento: Sistema Central: Unidade Central de Processamento (UCP) ou Central Processing Unity (CPU) Unidade de Controle Unidade Aritmética e Lógica Clock Memória Principal Interfaces Unidades de Entrada e Saída (E/S)

6 SISTEMA CENTRAL UCP UNIDADE ARITMÉTICA E LOGICA UNIDADE DE CONTROLE CLOCK Barramento MEMORIA PRINCIPAL MICROPROCESSADOR INTERFACE Barram ento INTERFACE PERIFERICO PERIFERICO Unidades de Entrada e Saída (E/S) Figura Organização Funcional de um Computador Sistema central UCP (ou Microprocessador) Unidade de Controle Controla o fluxo de informações entre todas as unidades do computador e executa as instruções na sequência correta. Unidade Aritmética e Lógica (UAL) ou Arithmetic and Logic Unity (ALU) Realiza operações aritméticas (cálculos) e lógicas (decisões), comandada por instruções armazenadas na memória.

7 A arquitetura dos microprocessadores incorpora, além da ALU, uma FPU (Floating Point Unit) dedicada a operações matemáticas sobre operandos representados em ponto flutuante. Quando a FPU é externa ao microprocessador, ela recebe o nome de coprocessador aritmético. Obs.: O microprocessador fica em uma placa de circuitos chamada placamãe ("motherboard"). Clock (relógio) Os microprocessadores trabalham regidos por um padrão de tempo determinado por um clock (ou relógio). O clock gera pulsos a intervalos regulares. A cada pulso uma ou mais instruções internas são realizadas. Embora a freqüência do clock não seja uma medida definitiva de desempenho de uma máquina, na comparação de máquinas com arquitetura de microprocessador semelhante, um valor de clock mais elevado tenderá a sinalizar uma máquina mais potente Memória Principal Armazena temporariamente as informações (instruções e dados) dos serviços que estão sendo processados no momento. Nela os dados ficam disponíveis ao processamento (pela Unidade Aritmética e Lógica) e disponíveis à transferência para os equipamentos de saída. Está organizada em porções de armazenamento, cada qual com um endereço. Compõe-se de dois tipos de circuito: ROM e RAM. ROM (Read Only Memory ou Memória apenas de Leitura Tipicamente menor que a RAM, é uma porção da memória que não depende de energia para manter o seu conteúdo. Também chamada de memória permanente, nela são armazenadas informações que não podem ser apagadas, e que geralmente vêm gravadas do fabricante. É uma memória apenas de leitura. O usuário pode apenas ler as informações nela gravadas. Nela residem os programas necessários ao funcionamento do computador.

8 Tipos de ROM PROM (Programmable ROM) ROM cujo conteúdo é gravado após sua construção. EPROM (Erasable PROM) ROM que pode ser reprogramada, desde que previamente apagada com raios ultravioleta. EEPROM (Electrically EPROM) Reprogramável por impulsos elétricos especiais. RAM (Random Access Memory) ou Memória de Acesso Randômico Memória de acesso randômico ou aleatório, também chamada de memória temporária, é aquela utilizada pelo usuário para desenvolver seus programas. Seu uso restringe-se ao período em que o equipamento está em funcionamento. Se a máquina não receber energia, mesmo que seja por uma fração de segundos, todo o conteúdo da memória RAM estará perdido. Essa memória é volátil (seu conteúdo pode ser apagado) e serve tanto para armazenar programas e dados, quanto para guardar resultados intermediários do processamento. Nela podem ser lidas ou gravadas informações. Internamente é mais complexa que a memória ROM, pois cada bit em cada byte (ver item 2.2) deve ser passível de alteração Sistema de E/S Os elementos de um computador que garantem a ligação do processador com o mundo externo constituem seu Sistema de Entrada e Saída. Em um sistema de E/S temos:

9 Barramento; Interfaces; Periféricos (ou Unidades de Entrada e Saída). Barramento Conjunto de fios que transportam os sinais de dados, endereço e controle (ver Figura 1.4). Os barramentos ligam o processador à memória principal e o processador às interfaces e controladoras de periféricos. A conexão de elementos a um barramento deve seguir um padrão. Alguns padrões usados para barramentos de expansão em micros: ISA, EISA, VLB, MCA, PCI, SCSI. Dependendo dos componentes envolvidos, uma conexão envolvendo padrões diferentes pode ou não ser possível. CLOCK UCP dados enderecos MEMORIA PRINCIPAL controle Figura Barramento Interfaces Componentes de hardware que coordenam as transferências de dados entre o processador e um ou mais periféricos.

10 Em uma interface, é o controlador que efetua o controle da transferência de dados. Os termos interface, controlador (ou placa controladora) e adaptador podem ser usados como sinônimos. Periféricos (ou Unidades de Entrada e Saída) São dispositivos conectados a um computador que possibilitam a comunicação do computador com o mundo externo. Há dispositivos só de entrada (mouse), só de saída (plotter), bem como uma ampla gama (discos, fitas, etc.) que realiza operações nos dois sentidos. A seguir são indicadas as funções básicas de dispositivos que estejam atuando como unidades de entrada ou saída. Unidades de entrada Permitem que informações sejam introduzidas na memória do computador. Essas informações são convertidas para uma forma armazenável internamente (sinais eletromagnéticos - bits). Unidades de saída Transformam a codificação interna dos dados (resultados) em uma forma legível pelo usuário. 2.3 Unidades de entrada e saída e memória auxiliar O sistema central (UCP e memória) trata informações e produz resultados em forma binária (zeros e uns). Para que os usuários possam entender o quê sai do sistema central e esse possa entender as instruções dos usuários, são necessários dispositivos que concretizem a comunicação homem/máquina. Eles são também chamados de dispositivos de entrada e/ou saída (E/S). As unidades ou dispositivos de entrada convertem a informação de entrada em sinais eletrônicos que o computador pode armazenar e processar. As unidades ou dispositivos de saída convertem a informação que sai, utilizável pela máquina, para formatos utilizáveis externamente: texto, imagem e som. A memória principal (RAM) só armazena dados enquanto está energizada. Quando falta energia (queda de luz, desligamento do equipamento, falha) os dados da memória são perdidos. São, portanto, necessários periféricos que, não afetados pela falta de energia, permitam o armazenamento permanente da

11 informação de forma semelhante àquela em que ela ocorre na memória principal. Esses periféricos são chamados genericamente de memória auxiliar, de massa ou secundária. São basicamente os discos, CDs e fitas. Os dispositivos periféricos têm, portanto, duas funções básicas: realizar operações de E/S; servir como memória auxiliar. A memória auxiliar, secundária ou de massa, armazena instruções e dados que não estão sendo processados no momento. Em relação à memória principal é: mais lenta; menos custosa; de maior capacidade; permanente, não volátil. Meios e dispositivos para armazenamento e registro da informação Meio É onde a informação está efetivamente armazenada ou registrada. Ex.: disco; fita; papel. Dispositivo

12 É o equipamento ou dispositivo que manipula um meio. Ex.: drive de disco; unidade de fita; impressora. Dispositivos/Meios mais usados em microcomputadores: Teclado (E); Monitor de Vídeo (S); Disco (E/S, memória auxiliar); Impressora (S); Mouse (E). CD (E/S, memória auxiliar).

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