Arquitetura de Von Neumann

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Paulo Sintra Barreiro
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1 Arquitetura de Von Neumann Leandro Tonietto Algoritmos e Programação em C++ Curso de Segurança da Informação ltonietto@unisinos.br Fev-2008

2 Introdução John Von Neumann, introduziu o projeto lógico de computadores com programa armazenado na memória. Computadores até então não podiam armazenar programas em memória para interpretá-los. Primeiro computador (EDVAC) com este fim surgiu em O projeto durou e computador foi utilizado até Surge então a expressão Arquitetura de Von Neumann [1]:... Estrutura de computadores digitais com programas armazenados na memória e, portanto, passível de de automodificação e de geração por outros programas. Em 1945, primeiro algoritmo para testar a máquina, cujo objetivo era a classificação de uma série de dados em ordem não decrescente de uma chave. Algoritmo chamado de classificação por intercalação. Objetivo de mostrar que o EDVAC tinha propósitos gerais e não apenas de cálculos científicos. Toda a codificação foi feita em linguagem de máquina.

3 Hardware do computador dividido em 3 partes: Unidade central de processamento Buscar, executar e devolver resultado de instruções para a memória Dispositivos de entrada e saída Entrada e saída de dados. Interação com usuários. Memória Armazenamento de dados e instruções

4 CPU Entrada Memória Saída

5 Dispositivos de entrada e saída: São periféricos/hardware que permitem a entrada de dados e instruções para o computador e exibem o resultado do processamento da CPU. Entrada: teclado, mouse, drive de disquete, drive DVD,... Saída: impressora, monitor, drive de disquete,... Interatividade com o usuário.

6 Memória: Tudo o que é executado é carregado para a memória principal Coleção de posições de memória ou slots de memória. Dados e instruções são acessados através do endereço de memória. Barramentos conectam a memória à CPU

7 CPU central process unit: Unidade central de processamento é dividida em várias subunidades: ULA Unidade lógica e aritmética Coleção de circuitos que realizam as operações (adição, subtração, manipulação de bits,...) sobre os dados. Registradores Posições de memória construídas dentro da CPU. Muito mais rápido do que acesso a memória principal (RAM) UC - Unidade de controle Controla todo o fluxo de execução da CPU. Busca dados e instruções da memória e coordena a troca de dados entre registradores e ULA.

8 Funcionamento da CPU: Tarefas complexas são decompostas em seqüência de instruções simples Cada instrução é executa movendo-se dados dos registradores para a ULA, que executa o cálculo ou operação apropriada e retorna dados para os registradores. Ciclo da CPU: Caminho completo de uma instrução: dos registradores até a ULA e da ULA até os registradores, passando por barramentos. Velocidade do computador é medida em ciclos por segundo.

9 Funcionamento da CPU: Para uma tarefa ser executada, ela deve ser carregada da memória principal (instrução a instrução) na ULA. A ULA executa e devolve o resultado para a memória. Exemplo: Tarefa: c = a + b Seqüência de execução na CPU: R0 recebe o valor de a R1 recebe o valor de b R0 e R1 são passados para ULA ULA executa a soma Resultado é devolvido para R2 Posição de memória associada a c recebe o resultado

10 Execução: O programa é carregado para a memória O sistema operacional controla a seqüência das operações e alocação de memória. E os programas são lidos a partir da primeira instrução até chegar a uma instrução de stop ou parar. Unidade de controle recebe cada uma das instruções, interpreta e dá seqüência a fluxo de execução operativa (registradores ULA)

11 Programação: O conjunto de instruções possíveis que uma CPU pode executar é chamado de linguagem de máquina. Programadores são aqueles que podem controlar o comportamento do computador através de instruções em linguagens de máquina. Na prática, os programas (conjuntos de instruções em seqüência) são programados em linguagens de programação ditas de alto nível e convertidos para linguagem de máquina por compiladores.

12 Linguagens de programação: Linguagens conjunto finito de comandos que são combinados (programados) de tal forma a produzir um programa, para realizar uma tarefa. Baixo nível são linguagens de máquina, portanto, é o que o computador consegue interpretar e executar. Alto nível são linguagens de aquelas que facilitam a programação por parte do programador, pois estão mais próximas a linguagem humana. Exemplo: C/C++, Java, Pascal,... Compilador é um programa que converte as instruções de um programa escrito em uma linguagem alto-nível em instruções de máquina.

13 Linguagem de máquina: São comandos simples que a CPU pode executar. Estão comando são combinados para produzir uma tarefa mais complexa. Exemplos de comandos baixo nível: Registrador R0 recebe um valor Registrador R1 recebe um valor ULA computa operação de soma R2 recebe o resultado da soma feita pela ULA

14 Na prática, cada instrução da ULA está associada a uma seqüência de bits. Por exemplo: Soma poderia ser: Atribuição de variável: Desvio de fluxo: Portanto: impossível programar desta forma! Solução: programar em linguagens de alto nível e deixar o trabalho pesado para o compilador.

15 Exercício. Primeira tarefa de programação: Qual seria o conjunto de instruções (programa) para somar 100 números armazenados na memória? Responda com frases, não é necessário saber programar. Primeiro em alto nível... Depois em linguagem de máquina... Agora, como desafio, tente programar. Associe um comando com cada frase ou instrução necessária.

16 Referências REED, David. A Balanced Introduction to Computer Science and Programming. Prentice Hall. Wikipédia. Arquitetura de Von Neumann KOWALTOWSKI, Tomas. A Obra e o Legado de John Von Neumann. Estudos Avançados, V. 10, no. 26, São Paulo, 1996.

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