Instituto Politécnico. Curso: Tec. Redes de Computadores. Disciplina: Organização de Computadores. Prof.: Fábio Lucena Veloso

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1 Instituto Politécnico Curso: Tec. Redes de Computadores Disciplina: Organização de Computadores Prof.: Fábio Lucena Veloso Curso: Tec. Análise de Sistemas Disciplina: Organização de Computadores Prof.: Roberto Barros

2 Profs. Fábio Lucena Veloso e Roberto Barros Organização básica de sistemas de computação. Qualquer computador conta em cinco elementos ou unidades essenciais; a unidade lógica aritmética (ULA), a unidade de memória, a unidade de controle, a unidade de entrada e a unidade de saída. A interconexão básica destas unidades está mostrada na figura abaixo (fig. ). As setas nestes diagramas indicam a direção na qual os sinais de dados, informações ou controle estão fluindo. São usadas setas de dois tamanhos diferentes; as setas maiores representam dados ou informações que, na verdade, consistem em um número relativamente grande de linhas paralelas, e as setas menores representam sinais de controle que são, normalmente, apenas uma ou algumas linhas. As setas também estão numeradas para permitir uma fácil referência das mesmas nas descrições que virão a seguir. Unidade Central de Processamento (UCP) 5 3 Unidade Lógica Aritmética (ULA) 4 Do mundo exterior 2 Para o mundo exterior Entrada Controle 2 Saída Memória (Fig. ) Organização de um sistema de computação

3 Profs. Fábio Lucena Veloso e Roberto Barros 2 Unidade lógica aritmética Esta é a área do computador onde são realizadas as operações aritméticas e lógicas com os dados. O tipo de operação a ser executada é determinado pelos sinais da unidade de controle (seta ). Os dados a serem operados pela ULA poderão vir tanto da unidade de memória (seta 2) como da unidade de entrada (seta 3). Os resultados das operações realizadas pela ULA podem ser transferidos tanto para a unidade de memória, para armazenamento (seta 4), como para a unidade de saída (seta 5). Unidade de memória A unidade de memória armazena grupos de dígitos binários (palavras) que podem representar instruções (programa), que o computador deverá executar, e os dados a serem operados pelo programa. A memória também serve para o armazenamento de resultados intermediários e finais de operações aritméticas (seta 4): A operação da memória é controlada pela unidade de controle (seta 6), que sinaliza as operações tanto da leitura como de escrita. Uma dada locação na memória é acessada pela unidade de controle; que providencia o código de endereço apropriado (seta 7). As informações podem ser escritas na memória a partir da ULA ou da unidade de entrada (seta 8), novamente sob o controle da unidade de controle. As informações podem ser lidas da memória par a ULA (seta 2) ou para a unidade de saída (seta 9). Unidade de entrada A unidade de entrada é composta por todos os dispositivos utilizados para tomar informações e dados que são externos ao computador, e introduzi-los na unidade de memória (seta 8) ou na ULA (seta 3). A unidade de controle determina para onde esta informação de entrada é enviada (seta ). A unidade de entrada é utilizada para "entrar" o programa e os dados na memória, antes de se dar a "partida" no computador. Esta unidade também é utilizada par entrar dados para a ULA, vindos de algum dispositivo externo, durante a execução de um programa. Alguns dispositivos de entrada mais comuns são: teclados, scanners, unidades de disco, fax-modem, microfone, ou qualquer dispositivo analógico-digital. A unidade de saída Esta unidade é composta pelos dispositivos utilizados para transferir dados e informações do computador para o mundo exterior. Os dispositivos de saída são dirigidos pela unidade de controle (seta 2) e podem receber dados da memória (seta 9) ou da ULA (seta 5), que são, então, colocados na forma apropriada para uso externo, exemplos de alguns dispositivos de saída mais comuns: monitores de vídeo, impressoras, unidades de disco, unidade de fax modem e dispositivos digitaisanalógicos. Unidade de controle Esta unidade dirige a operação de todas as outras unidades, fornecendo sinais de temporização e de controle. Esta unidade contém os circuitos lógicos e de temporização que geram os sinais necessários à execução de cada instrução de um programa. A unidade de controle busca uma instrução na memória, mandando em endereço (seta 7) e um comando de leitura (seta 6) para a unidade de memória. A palavra de instrução armazenada na locação da memória é, então, transferida para a unidade de controle (seta ). Esta palavra de instrução, que é alguma forma de código binário, é decodificada

4 Profs. Fábio Lucena Veloso e Roberto Barros 3 pelos circuitos lógicos na unidade de controle para determinar que instrução está sendo reverenciada. A unidade de controle usa esta informação para gerar os sinais necessários para a execução da instrução. Unidade Central de Processamento Funções básicas da UCP: O processador é o componente vital do sistema de computação, responsável pela realização das operações de processamento (os cálculos matemáticos, etc) e de controle, durante a execução de um programa. Um programa, para ser efetivamente executado pelo processador, deve ser constituído de uma série de instruções. Para que a execução tenha início, as instruções devem ser armazenadas em células sucessivas, na memória principal. A função da UCP consiste, então, em: a) buscar uma instrução na memória (operação de leitura), um de cada vez; b) interpretar que operação a instrução está explicitando (pode ser uma soma de dois números, uma multiplicação, uma operação de entrada ou de saída de dados, ou ainda uma operação de movimentação de um dado de uma célula para outra); c) buscar os dados onde estiverem armazenados, para trazê-los até a UCP; d) executar efetivamente a operação com o(s) dado(s), guardar o resultado (se houver algum) no local definido na instrução; e, finalmente, e) reiniciar o processo apanhando nova instrução. Estas etapas compõem o que se denomina um ciclo de instrução. Este ciclo se repete indefinidamente (fig. 2) até que o sistema seja desligado, ou ocorra algum tipo de erro, ou seja, encontrada uma instrução de parada. Em outras palavras, a UCP é projetada e fabricada com o propósito único de executar sucessivamente pequenas operações matemáticas (ou outras manipulações simples com dados), na ordem e na seqüência definidas pela organização do programa. INÍCIO Buscar a próxima instrução Interpretar a instrução (decodificar) Executar a instrução TÉRMINO (Fig. 2) Fluxo básico (resumido) de um ciclo de instrução.

5 Profs. Fábio Lucena Veloso e Roberto Barros 4 A figura abaixo (fig. 3), mostra o diagrama de blocos de uma UCP, com os principais elementos que compõem cada categoria funcional. O diagrama baseia-se em uma UCP de um microprocessador simples, justamente para facilitar as primeiras explicações sobre o assunto. Foram inseridos apenas os elementos básicos de uma UCP. Um processador real e moderno possui muitos outros elementos complementares, porém os que estão mostrados no diagrama da figura permanecem válidos. UCP Barramento de dados RDM (MBR) ULA ACC Registradores a R- CI (PC) REM (MAR) MP Barramento de endereços RI (IR) Relógio UC Decodificador de instruções Barramento de controle controle dados / endereço (Fig. 3) Esquema simplificado de uma UCP As atividades realizadas pela UCP podem ser divididas em duas grandes categorias funcionais: - Função processamento - Função controle A função processamento se encarrega de realizar as atividades relacionadas com a efetiva execução de uma operação, ou seja, processar. Processamento de dados foi definido como a ação de manipular um ou mais valores (dados) em uma certa seqüência de ações, de modo a produzir um resultado útil. O resultado muda conforme o tipo de operação realizada (ou seja, de acordo com a seqüência de ações de acordo com instrução específica). Processar o dado é executar com ele uma ação que produza algum tipo de resultado. Esta é, pois, a atividade fim do sistema; ele existe para processar dados. Entre as tarefas comuns a esta função (processamento) podemos citar: operações aritméticas (somar, subtrair, multiplicar, dividir); operações lógicas (and, or, xor, etc.); movimentação de dados (memória UCP, UCP memória, registrador registrador, etc.); desvios (alteração de seqüência de execução de instruções); operações de entrada ou saída.

6 Profs. Fábio Lucena Veloso e Roberto Barros 5 O dispositivo principal desta área de atividades de uma UCP é chamado de ULA Unidade Lógica e Aritmética. Os demais componentes relacionados com a função processamento são os registradores, que servem para armazenar dados (ou para guardar resultados) a serem usados pela ULA. A interligação entre estes componentes é efetuada pelo barramento interno da UCP. Unidade Lógica Aritmética (ULA) A ULA é o dispositivo da UCP que executa realmente as operações matemáticas com os dados. Tais operações podem ser: Soma; Multiplicação; Subtração; Divisão; Operação lógica AND; Operação lógica OR; Operação lógica XOR; Operação de complemento; Deslocamento à direita; Deslocamento à esquerda Incremento; Decremento. A ULA é um aglomerado de circuitos lógicos e componentes eletrônicos simples que, integrados, realizam as operações já mencionadas. Registradores Para que um dado possa ser transferido para a ULA, é necessário que ele permaneça, mesmo que por um breve instante, armazenado em um registrador. Além disso, o resultado de uma operação aritmética ou lógica realizada na ULA deve ser armazenado temporariamente, de modo que possa ser reutilizado mais adiante (por outra instrução) ou apenas para ser, em seguida, transferido para a memória. Para atender a esses propósitos, a UCP é fabricada com uma certa quantidade de registradores, destinados ao armazenamento de dados. Servem, pois, de memória auxiliar da ULA. Existem sistemas nos quais um desses registradores, denominado acumulador (ACC), além de armazenar dados, serve de elemento de ligação da ULA com os restantes dos dispositivos da UCP. A função controle é exercida pelos componentes da UCP que se encarregam das atividades de busca, interpretação e controle da execução das instruções, bem como do controle da ação dos demais componentes do sistema de computação (memória, entrada/saída). A área de controle de uma UCP é a parte funcional que realiza as atividades de: a) Buscar da instrução que será executada, armazenando-a em um registrador especialmente projetado para esta finalidade. b) Interpretação das ações a serem desencadeadas com a execução da instrução. c) Geração dos sinais de controle apropriados para a ativação das atividades requeridas para a execução propriamente dita da instrução identificada. Esses sinais de controle são enviados aos diversos componentes do sistema, sejam internos da UCP ou externos. Os dispositivos principais que fazem parte desta área funcional são: Unidade de Controle: É o dispositivo mais complexo da UCP. Além de possuir a lógica necessária para realizar a movimentação de dados e instruções de e para a UCP, através dos sinais de

7 Profs. Fábio Lucena Veloso e Roberto Barros 6 controle que emite instantes de tempo programados, esse dispositivo controla a ação da ULA. Os sinais de controle emitidos pela unidade de controle ocorrem em vários instantes durante o período de realização de um ciclo de instrução e, de modo geral, todos possuem uma duração fixa e igual, originada em um gerador de sinais usualmente conhecido como relógio (CLOCK). Relógio (CLOCK): É o dispositivo gerador de pulsos cuja duração é chamada de ciclo. A quantidade de vezes em que este pulso básico se repete em um segundo define a unidade de medida do relógio, denominada freqüência, a qual também usamos para definir a velocidade da UCP. Um ciclo de relógio ou de máquina é o intervalo de tempo entre o início de um pulso e o início do seguinte. Este ciclo está relacionado à realização de uma operação elementar, durante o ciclo de uma instrução. No entanto, mesmo esta operação elementar não se realiza em um só passo e, por esta razão, costuma-se dividir o ciclo de máquina em ciclos menores defasados no tempo, de modo que cada um aciona um passo diferente da operação elementar. Registrador de instrução (RI): É o registrador que tem a função específica de armazenar a instrução a ser executada pela UCP. Ao se iniciar um ciclo de instrução, a unidade controle emite o sinal de controle que acarretará a realização de um ciclo de leitura para buscar a instrução na memória, e que, via barramento de dados e registrador de dados memória (EDM), será armazenada no registrador de instruções. Contador de programas (PC): É o registrador cuja função específica é armazenar o endereço da próxima instrução a ser executada. Tão logo a instrução que vai ser executada seja buscada (lida) da memória para a UCP, o sistema providencia a modificação do conteúdo do contador de programas de modo que ele passe a armazenar o endereço da próxima instrução na seqüência. Por isso, é comum definir a função do contador de programas como sendo a de armazenas o endereço da próxima instrução, que é o que realmente ele faz durante a maior parte da realização de um ciclo de instrução. Decodificador de instruções (DI): É o dispositivo utilizado para identificar as operações a serem realizadas, que estão correlacionadas à instrução em execução. Em outras palavras, cada instrução é uma ordem para que a UCP realize uma determinada operação. Este registrador pega a instrução sob a forma de um código e a interpreta para o conjunto de instruções do processador. A unidade de controle está, por sua vez, preparada para sinalizar adequadamente aos diversos dispositivos da UCP, conforme ela tenha identificado a instrução a ser executada. Registrador de dados de memória (RDM): Este armazena temporariamente a informação (conteúdo de uma ou mais células) que está sendo transferida da memória principal para a UCP (em uma operação de leitura) ou da UCP para a memória principal (em uma operação de escrita). Em seguida, a referida informação é reencaminhada para um outro elemento da CUP para processamento ou para uma célula da memória principal, conforme o tipo da operação

8 Profs. Fábio Lucena Veloso e Roberto Barros 7 de transferência. Permite armazenar a mesma quantidade de bits do barramento de dados. Registrador de endereços de memória (REM): Armazena temporariamente o endereço de acesso a uma posição de memória, ao se iniciar uma operação de leitura ou de escrita. Em seguida, o referido endereço é encaminhado à área de controle da memória principal para decodificação e localização da célula desejada. Permite armazenar a mesma quantidade de bis do barramento de endereços. Barramento de dados: Esta é uma via bidirecional, que interliga o RDM a memória principal e aos dispositivos de entrada e saída. Sua função é a transferência de dados (informações) entre a UCP e a memória principal e os dispositivos de entrada e saída. Barramento de endereços: Esta é uma via unidirecional, cuja função é a transferência de bits que representam um determinado endereço. Esta via liga a UCP a memória principal e aos dispositivos de entrada e saída. Barramento de controle: Esta é uma via bidirecional que serve para o transporte de sinais de controle utilizados para controlar as atividades dos diversos elementos do computador. OPERAÇÃO SIMPLIFICADA DE UM MICROCOMPUTADOR Como exemplo de uma operação em microcomputador, refira-se à Fig. abaixo (Fig. 4). Neste exemplo, ilustra-se o seguinte procedimento:. Pressione a tecla A do teclado. 2. Armazene a letra A na memória. 3. Imprima a letra A na tela do monitor de vídeo. O procedimento de entrada-armazenamento-saída delineado na figura é uma típica operação de microcomputador. A eletrônica (hardware) usada num sistema como o da Figura é bem complicada. Entretanto, a transferência de dados dentro do sistema auxiliará a explicação do uso das diversas unidades dentro do microcomputador.

9 Profs. Fábio Lucena Veloso e Roberto Barros 8 Pressione A Teclado Microcomputador Armazene A 2 Entrada UCP Memória Saída Monitor de vídeo A Imprima A 3 (Fig. 4) Operação típica de um microcomputador Um diagrama mais detalhado será apresentado abaixo (Fig. 5) e auxiliará na compreensão do procedimento típico de entrada-armazenamento-saída de um microcomputador. Em primeiro lugar, observe cuidadosamente os conteúdos da memória de programa da Fig. 5, note que as instruções já forma carregadas nas seis primeiras posições de memória. Da Fig. 5, determina-se que as instruções correntemente presentes na memória de programa são:. ENTRE com dados da porta de entrada. 2. ARMAZENE os dados da porta na posição ou endereço 2 de memória. 3. SAIA com os dados para a porta de saída.

10 Profs. Fábio Lucena Veloso e Roberto Barros 9 A no teclado 5 5 Porta de entrada Acumulador UMP Registrador de instrução Micropocessador 6 Barramento de endereço e linhas de controle Endereço 2 3 Conteúdos Entre com dados da porta ARMAZENE os dados no endereço 2 de memória Barramento de dados SAIA com os dados para a porta 3 5 Memória de programa Endereço 2 Conteúdos A Memória de dados 6 Porta de saída 6 A para o monitor de vídeo (Fig. 5) Operação passo a passo da execução de instruções da memória do programa Observe que há apenas três instruções no programa acima. Na Fig. 5, parece haver seis instruções na memória de programa. A razão para tal é que as instruções são usualmente divididas em partes. A primeira parte da instrução acima é ENTRE com dados. A segunda parte diz de onde os dados vêm (da porta ). A primeira parte da instrução que define a ação é chamada de operação e a segunda parte, de operando. A operação e o operando estão localizados em posições diferentes na memória de programa da Fig. 5. No caso da primeira instrução da Fig. 5, a posição ou endereço da memória de programa contém a operação ENTRE, enquanto a posição contém o operando (porta ), que diz por onde a informação será introduzida. Na Fig. 5, duas novas partes foram identificadas dentro do microprocessador. São os registradores. Estes registradores especiais são o acumulador e o registrador de instrução.

11 Profs. Fábio Lucena Veloso e Roberto Barros A seqüência de eventos dentro do microcomputador para o caso do exemplo de entradaarmazenamento-saída da Fig. 4 está delineada na Fig. 5, o fluxo de instruções e dados será seguido com base nos círculos numerados do diagrama. Lembre-se de que o microprocessador é o centro de todas as operações e transferências de dados. Para todos os passos abaixo, refira-se à Fig. 5. Passo : O microprocessador envia o endereço para o barramento de endereço. Uma linha de controle habilita (ativa) a entrada a ler do circuito integrado com a memória de programa (ler significa copiar uma informação de uma posição de memória). Na Fig. 5, este passo está indicado pelo círculo. Passo 2: A memória de programa coloca a primeira instrução ENTRE com dados no barramento de dados e o microprocessador aceita esta mensagem codificada. A instrução é colocada numa posição especial de memorização dentro do microprocessador chamada de registrador de instrução. O microprocessador decodifica (interpreta) a instrução e determina que falta saber qual é o operando da instrução ENTRE com dados. Passo 3: O microprocessador envia o endereço para o barramento de endereço. A linha de controle habilita a entrada de leitura da memória de programa. Passo 4: A memória de programa coloca o operando da porta no barramento de dados. O operando estava no endereço da memória de programa. Esta mensagem codificada (o endereço para a porta ) é recebida através do barramento de dados e colocada no registrador de instrução do microprocessador. Este passa a decodificar a instrução ENTRE com dados da porta como um todo. Passo 5: Através do barramento de endereço e das linhas de controle, o microprocessador obriga a porta a se abrir recebendo os dados da unidade de entrada, no caso, o teclado. A forma codificada da letra A é introduzida e armazenada no acumulador do microprocessador. É importante notar que o microprocessador sempre segue uma seqüência buscardecodificar-executar. Primeiramente, ele busca a instrução na memória de programa. A seguir, o microprocessador decodifica a instrução. Em terceiro lugar, ele executa a instrução. Tente acompanhar esta seqüência buscar-decodificar-executar nas duas próximas instruções. Continue acompanhando o programa listado na memória de programa da Fig. 5. Passo 6: O microprocessador lança o valor 2 no barramento de endereço. Usando as linhas de controle, o microprocessador ativa a linha de leitura na memória de programa. Passo 7: O código da instrução ARMAZENE os dados é posto no barramento de dados e aceito e transferido para o registrador de instrução pelo microprocessador. Passo 8: O microprocessador decodifica a instrução ARMAZENE os dados e determina que falta o operando. O microprocessador endereça a próxima posição (3) de memória e habilita a linha de leitura da memória de programa.

12 Profs. Fábio Lucena Veloso e Roberto Barros Passo 9: O código no endereço 2 de memória é colocado no barramento de dados pela memória de programa. O microprocessador aceita este operando e o coloca no registrador de instrução. A instrução inteira ARMAZENE os dados no endereço 2 de memória foi buscada na memória e decodificada. Passo : Agora começa o processo de execução. O microprocessador lança o valor 2 no barramento de endereço e habilita a linha de escrever da memória de dados (escrever significa copiar dados numa posição de memória). Passo : O microprocessador coloca a informação armazenada no acumulador no barramento de dados (a forma codificada da letra A). A letra A é escrita na posição 2 da memória de dados. A segunda instrução acaba de ser executada. Este processo de ARMAZENE não destruiu os conteúdos do acumulador. O acumulador ainda contém também a forma codificada da letra A. Passo 2: O microprocessador deve buscar a próxima instrução. Ele endereça a posição 4 e habilita a linha de leitura da memória de programa. Passo 3: O código de instrução SAIA com os dados é colocado no barramento de dados. O microprocessador aceita a instrução, colocando-a em seu registrador de instrução. O microprocessador decodifica a instrução e determina que falta o operando. Passo 4: O microprocessador coloca o valor 5 no barramento de endereço e habilita a linha de leitura da memória de programa. Passo 5: A memória de programa coloca o código para a porta (operando) no barramento de dados. O microprocessador aceita este código, colocando-o no seu registrador de instrução. Passo 6: O microprocessador decodifica a instrução inteira SAIA com os dados para a porta. Usando o barramento de endereço e as linhas de controle, o microprocessador ativa a porta ligando-se com a unidade de saída. O microprocessador coloca o código da letra A (ainda armazenado no acumulador) no barramento de dados. A letra A é transmitida para o monitor de vídeo através da porta. A maioria dos microprocessadores transfere a informação de modo semelhante ao detalhado na Fig. 5, as maiores diferenças serão encontradas provavelmente nas seções de entrada e saída. Para que elas operem adequadamente, pode-se necessitar de um número bem maior de passos. É importante notar que o microprocessador centraliza e controla todas as operações. Ele segue a seqüência buscar-decodificar-executar. Entretanto, as operações que serão realizadas efetivamente são ditadas pelas instruções listadas na memória do programa.

13 Profs. Fábio Lucena Veloso e Roberto Barros 2 Memórias. Os circuitos integrados de memória armazenam informações binárias em grupos chamados palavras. Uma palavra é a unidade básica de informação utilizada por um computador. O número de bits que constitui uma palavra varia de computador para computador. A memória é o componente de um sistema de computação cuja função é armazenar as informações que são, foram ou serão manipuladas pelo sistema. Conceitualmente, a memória é um componente muito simples; na verdade pode ser visto como um depósito onde estão guardados certos elementos (informações) para serem usados quando desejado (recuperação da informação armazenada). No entanto, na prática, a memória de computador possui tantas várias características, tais como: velocidade, capacidade de armazenamento, tecnologia de construção e alguns outros. A figura abaixo (fig. 6) mostra um esquema conceitual de um tipo qualquer de memória, imaginado como se fosse um depósito para uso de algum tipo armazenar (escrita) leitura (recuperar) Cada caixa de correio tem um endereço (Fig. 6) Conforme pode ser observado na figura acima (fig. 6), existem duas únicas ações que podem ser realizadas em um depósito (memória). A primeira é a ação de guardar um elemento (ou um grupo de elementos). Em computação, esta ação é genericamente denominada de armazenar e a operação em si realizada é chamada de escrita. A segunda é a ação de recuperação do elemento guardado (ou grupo de elementos) para um uso qualquer. Em computação esta ação se denomina recuperar e a operação para realizá-la chama-se leitura. Características das memórias. A seguir serão definidos os principais parâmetros para análise das características das memórias:

14 Profs. Fábio Lucena Veloso e Roberto Barros 3 Tempo de acesso: indica quanto tempo a memória gasta para colocar uma informação na barra de dados após uma determinada posição ter sido endereçada. Isto é, o período de tempo decorrido desde o instante em que foi iniciada a operação de acesso até que a informação requerida tenha sido efetivamente transferida. Volatilidade: as memórias podem ser do tipo volátil ou não volátil. Voláteis são aquelas que perdem suas informações armazenadas quando ha falta de energia elétrica. Já as memórias não voláteis são aquelas que não perdem suas informações mesmo quando não existe energia elétrica. Acesso: as memórias podem acessar uma informação através de dois modos. Acesso seqüencial ou aleatório. No acesso seqüencial para se chegar a uma determinada posição tem de passar por todas as posições intermediárias. Já no acesso aleatório vai-se direto à informação desejada sem ter de passar por nenhuma outra informação anteriormente. Temporariedade: trata-se de uma característica que indica o conceito de tempo de permanência da informação em um dado tipo de memória. Memórias estáticas são aquelas que uma vez inserido um dado em uma determinada localidade, este lá permanece. Já as memórias dinâmicas a informação tem de ser inserida de tempos em tempos, pois devido às características do material, este se perde. Organização da memória principal. Essencialmente o espaço de armazenamento da memória principal é um grupo de N células cada uma podendo armazenar um grupo de M bits. Esta é a memória de trabalho da UCP e, portanto, deve permitir o armazenamento de instruções e dados (operação de leitura) e também a leitura destas mesmas instruções e dados. Chama-se a isso memória do tipo leitura e escrita.

15 Profs. Fábio Lucena Veloso e Roberto Barros 4 MP endereço endereço endereço 2 endereço 3 M bits M bits M bits N células endereço N-2 endereço N- Todas as células têm a mesma quantidade M de bits bit bit bit m- Organização básica da memória principal Considerações sobre a organização da memória principal. Quantidade de bits de uma célula: Como já foi mencionado, cada célula é constituída de um conjunto de circuitos eletrônicos que permitem o armazenamento de valor ou, os quais representam um dado ou uma instrução. A quantidade de bits que pode ser armazenada em cada celular é definida pelo fabricante. Uma célula contendo M bits permite o armazenamento de 2 M combinações de valores, um de cada vez. A figura abaixo (fig. 7) demonstra alguns exemplos de memória com diferentes tamanhos de células.

16 Profs. Fábio Lucena Veloso e Roberto Barros 5 MP MP 2 MP 3 end. 2 bits end. 6 bits end. 8 bits end. 2 bits end. 6 bits end. 8 bits end. 254 end bits 2 bits end. 254 end bits 6 bits end. 254 end bits 8 bits (a) (b) (c) (Fig. 7) Relação endereço X conteúdo de uma célula: A figura acima (fig. 7) mostra exemplos de memórias com diferentes tamanhos de célula, porém com a mesma quantidade de células, endereçadas de () a 255 () ou de (6) a FF (6) ou ainda (2) a (2). A próxima figura (fig. 8) mostra outros exemplos de organização de memória, desta vez com memórias de mesmo tamanho de células, porém, com quantidades diferentes de células. MP MP 2 MP 3 end. end. end. 2 end. end. end. end. end. AC5 B5 end. 32A57B C3 end. A35C 24 end. FFFE end. FFFF end. FFFFFE end. FFFFFF end. FFFFFFFE end. FFFFFFFF (a) (b) (c) (Fig. 8) A comparação entre essas duas figuras (fig. 7 e 8) indica que os valores de endereço e conteúdo de célula embora associados, ou seja, o endereço AC5 está associado ao conteúdo B5 no exemplo da fig. 8 (a) tem origens diversas. Em outras palavras, a quantidade de bits do número que representa um determinado endereço, por exemplo, 6 bits do número AC5 no exemplo da figura 8 (a) define a quantidade máxima de endereços que uma memória principal pode ter, bem como de endereçamento. No exemplo citado, de endereçamento ou capacidade máxima na memória é: 64 K células, porque 2 6 = 2 6 x 2 = 64 K Como todas as células tem tamanho de byte, a quantidade de células é sempre igual à quantidade de bytes.

17 Profs. Fábio Lucena Veloso e Roberto Barros 6 Capacidade da memória principal. Conforme já vimos, as memórias são organizadas em conjuntos de células, cada uma podendo armazenar uma certa quantidade de bits. A informação em si seja a uma instrução (ou parte dela) ou um dado (ou parte dele). Considerando que instruções e dados precisam estar armazenados na memória principal para que o programa possa ser executado pela UCP, e considerando ainda que é possível, e bastante desejável, que vários programas possam ser executados concorrentemente pela UCP, é importante conceituar o que seja capacidade de uma memória e como podemos calcular e entender aumentos de capacidade e outras informações concernentes. Capacidade de memória refere-se genericamente a quantidade de informações que nela podem ser amarzenadas em um instante de tempo. Tratando-se de um computador, cuja unidade básica de representação de informação é o bit, pode-se imaginar este elemento como unidade de medida de capacidade. Neste caso, poder-se-ia expressar a capacidade de uma memória por valores do tipo: 52 bits 6384 bits bits. À medida que os valores crescem, torna-se mais complicado e pouco prático indicar-se o valor pela sua completa quantidade de algarismos. Por isso utilizamos múltiplos e submúltiplos para simplificar a informação. Como exemplo utilizamos o K (quilo) => (2 = 24) o M (mega) => (2 2 = 48576) e outros múltiplos. Deste modo os mesmos valores indicados acima podem ser escritos de forma simplificada: 52 bits 6 K bits 8 M bits. Uma outra forma de se expressar valores muito utilizada é a utilização do termo byte ao invés de bit, a unidade byte corresponde ao conjunto de 8 bits. Não há uma padronização para indicar valores de capacidade de memória, embora seja mais comum se usar quantidade de bytes em vez de por ex., quantidade de palavras ou mesmo quantidade de bits. Vamos exemplificar abaixo formas comuns de representar capacidade de memória. 2 K bytes = 2 x 2 = 248 bytes 384 K células = 384 x 2 = células

18 Profs. Fábio Lucena Veloso e Roberto Barros 7 Cálculos com capacidade da memória principal. Como já vimos uma memória RAM é um conjunto de N células cada um armazenando um valor de M bits, então a quantidade de endereços contida no espaço endereçável de memória é também igual a N visto que cada conteúdo de células está associado a um número que é o seu endereço. O valor de N representa a capacidade da memória através da quantidade de células ou de endereços, o valor de M indica a quantidade de bits que podem ser armazenados em uma determinada célula. Como um bit representa apenas um entre dois valores (binário) podemos concluir que se pode armazenar em cada célula um valor entre e 2 M-, porém, um de cada vez, são 2 M combinações. Já o número de endereços pode ser relacionado à fórmula N = 2 E que é igual à quantidade de bits que representa cada um dos N endereços. O total de bits que pode ser armazenado em nossa memória e T = N x M ou T = 2 E x M. Exercícios: Uma memória RAM tem um espaço máximo de endereçamento de 2 K e cada célula pode armazenar 6 bits. Calcule o valor total de bits desta memória e qual o tamanho de cada endereço. 2 Uma memória RAM é fabricada com a possibilidade de armazenar um máximo de 256 K bits, cada célula armazenando 8 bits. Qual o tamanho de cada endereço, escreva o endereço inicial e final desta memória (em binário e em hexadecimal) e qual o total de célula que pode ser utilizado. 3 Um computador cuja memória principal tem uma capacidade máxima de 2 K palavras de 6 bits cada. Calcule o tamanho dos registradores RDM e REM, o valor do último endereço desta memória (em binário e em decimal) e qual a quantidade total de bits que podem ser armazenados. 4 Uma memória com um total de bits armazenados de bits com 4K células, deseja-se calcular o tamanho de cada célula, o endereço final e inicial em binário, hexadecimal e décima. 5 Uma memória com capacidade máxima de armazenamento de bytes com cada célula armazenando 6 bits, calcule seu RDM, REM, endereço inicial em binário e hexadecimal e endereço final em decimal e hexadecimal. 6 Uma memória de bytes cujo tamanho de cada célula é de 8 bytes, desejase saber o tamanho do RDM, REM, endereço inicial em hexadecimal e final em decimal.

19 Profs. Fábio Lucena Veloso e Roberto Barros 8 Operações com a memória principal. Conforme já observamos é possível realizar duas operações em uma memória: escrita, ou seja, armazenar informações na memória ou leitura, recuperar informações armazenadas na memória. Uma operação de leitura não destrói o conteúdo da memória, ela apenas providencia a transferência de uma cópia do que está armazenado para um destino selecionado, enquanto a informação desejada continua intacta. Somente uma operação de escrita destrói as informações que estavam armazenadas, pois esta copia uma nova informação por cima da antiga. Veremos abaixo os elementos que compões a estrutura UCP / MEMÓRIA PRINCIPAL e que são utilizados nas operações de leitura e escrita. UCP MP RDM REM UC Barramento de controle Barramento de endereços Barramento de dados

20 Profs. Fábio Lucena Veloso e Roberto Barros 9 Operação de leitura. No primeiro passo, a unidade de controle inicia a operação de leitura através da transferência do endereço que deseja acessar através do PC para o REM e coloca um sinal de leitura (READ) na barramento de controle para indicar a memória o que fazer em seguida. A memória decodifica o endereço recebido e transfere seu conteúdo para o RDM através do barramento de dados. Do RDM a informação desejada é transferida para o elemento da UCP de destina final. UCP end. MP outro reg. PC RDM REM UC end. FFFF barramento de controle barramento de endereços 5C barramento de dados

Unidade Central de Processamento

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