AULA_6_Modelo_Von_Neumann_

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FACULDADE ESTÁCIO 
 
SISTEMAS DE INFORMAÇÃO / REDES DE COMPUTADORES
AULA 6 – Modelo de Von Neumann
Organização de Computadores 
PROF :DJACIR MACIEL
maciel.estacio@gmail.com
1.Breve Histórico 
Componentes do computador 
1.Breve Histórico – ENIAC – Estrutura 
Componentes do computador 
2.Princípios Básicos 
Operação 
Operando 
Componentes do computador 
 INSTRUÇÃO 
2.Princípios Básicos 
Programa – Conjuntos de Instruções 
Memória – Endereço 
Componentes do computador 
2.Princípios Básicos 
Programa 
Componentes do computador 
Princípios Básicos 
Instruções e dados são executadas em uma sequência determinada por suas posições de memórias; 
Instruções e dados são distribuídos em posições de memórias; 
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2.Princípios Básicos 
A unidade lógica e aritmética realiza ações indicada nas instruções, executando operações numéricas (aritméticas) e não numéricas lógicas;
Além da preparação de informações para desvios do programa.
O controle do programa e a unidade lógica e aritmética formam a unidade central de processamento (UCP em inglês ou CPU), ou simplesmente processador.
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2.Princípios Básicos 
Quando um sequencia de execução de instruções tem início, a instrução cujo o endereço está no contador de instruções é trazida da memória para o registrador de instrução;
Esse processo é conhecido como Busca de Instrução.
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A instrução é interpretada por circuitos de decodificação que fazem com que sinais eletrônicos sejam gerados no processador como resultado do valor do campo de operação; 
Isto é,Decodificam a informação correspondente à operação a ser realizada
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Esses sinais, ou essa sequencia de sinais, resultam na execução da instrução;
Execução é a aplicação da função do operador nos operandos. 
Quando a execução de uma instrução é terminada, o contador de instruções é atualizado para o endereço de memória da próxima instrução; 
Esta instrução é então trazida da memória para o registrador de instruções e executada, repetindo-se assim o ciclo de busca decodificação execução.
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3.Elementos funcionais básicos
A unidade operacional e a unidade de controle tem cada uma funções especificas;
Reunidas,entretanto, recebem no seu conjunto a denominação de unidade central de processamento (UCP) ou processador
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Circuito de dados de um processador
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3.Elementos funcionais básicos
Memórias, unidades operacionais, unidades de controle e dispositivos de entrada e saída são formados por elementos de menor complexidade, tais como registradores,contadores, multiplexadores, seletores, decodificadores, somadores e portas lógicas (AND, OR,INVERSOR);
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Registradores são elementos digitais com capacidade de armazenar dados;
Elementos digitais necessitam ser ativados ou habilitados para operação;
Os sinais responsáveis pela ativação ou habilitação de conhecidos como Sinais de Controle.
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3.Elementos funcionais básicos
Dados são transferidos, entre os diversos elementos de um computador, por caminhos físicos chamados Barramentos;
Memória
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3.Elementos funcionais básicos
Unidade operacional : Executa as transformações sobre dados especificadas pelas instruções de um computador; 
Compõe-se basicamente de uma unidade lógica e aritmética, de registradores de uso geral e específico e dos barramentos que interligam todos esses elementos.
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3.Elementos funcionais básicos
Unidade lógica e aritmética (ULA)
A ULA realiza operações aritméticas e operações lógicas sobre um ou mais operandos.
São exemplos de operações realizadas pela ULA: 
Soma de dois operandos; 
Negação de um operando;
Inversão de um operando;
AND ("E" lógico) de dois operandos; 
OR ("OU" lógico) de dois.
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3.Elementos funcionais básicos
A ULA fornece o resultado da operação e também algumas indicações sobre a operação realizada;
Tais indicações são chamadas códigos de condição;
Exemplos de alguns códigos de condição comumente gerados na ULA são:
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3.Elementos funcionais básicos
Overflow : estouro de campo 
Sinal : indica se o resultado da operação é negativo ou positivo;
Carry: representa o bit de deslocamento em uma operação binária;
Zero: Indica se o resultado realizada é nulo. 
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3.Elementos funcionais básicos
Modelo estrutural da unidade lógica e aritmética
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3.Elementos funcionais básicos
Uma ULA se caracteriza por : 
Comprimento em bits dos operandos;
Número e tipo de operações;
Códigos de condição gerados.
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3.Elementos funcionais básicos
Acumulador
O acumulador é um registrador e tem por função armazenar um operando e/ou um resultado fornecido pela ULA;
Nos computadores mais simples é encontrado apenas um acumulador; 
Em algumas arquiteturas mais complexas vários registradores podem desempenhar as funções de um acumulador.
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3.Elementos funcionais básicos
Unidade de controle
Para gerenciar o fluxo interno de dados e o instante preciso em que ocorrem as transferências entre uma unidade e outra são necessários sinais de controle;
Esses sinais são fornecidos por um elemento conhecido por unidade de controle.
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3.Elementos funcionais básicos
Unidades de controle são máquinas de estado finitas (FSM) realizadas por lógica sequencial.
Lógica Sequencial : Os sinais de saída são obtidos a partir dos sinais de entrada e do estado anterior do sistema; 
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3.Elementos funcionais básicos
Lógica combinacional: os sinais de saída são obtidos exclusivamente pelos sinais de entrada; 
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Formas de Implementação da lógica Sequencial : 
Organização convencional : A unidade de controle é formada por componentes digitais como flip-flops,contadores e decodificadores;
Organização microprogramada: Neste forma de implementação, os sinais de controles estão armazenados em uma memória denominada de Memória de Controle
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3.Elementos funcionais básicos
A unidade de controle, baseada em sinais de entrada obtidos do registrador de estado (RST) e do registrador de instruções (RI), gera como saída todos os sinais de controle necessários para a unidade operacional.
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3.Elementos funcionais básicos
Registradores especiais -Apontador de instruções : 
O apontador de instruções é um registrador e tem por função manter atualizado o endereço de memória da próxima instrução que deve ser executada. 
 Também é chamado de contador do programa (ou pC, do inglês Program Counter).
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3.Elementos funcionais básicos
Registradores especiais -Registrador de instruções (RI): 
Ele armazena a instrução que está sendo executada;
Em função do conteúdo desse registrador, a unidade de controle determina quais os sinais de controle devem ser gerados para executar as operações determinadas pela instrução.
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3.Elementos funcionais básicos
Registradores especiais -Registrador de estado (RST):
Ele armazena códigos de condição gerados pela unidade lógica e aritmética e ocasionalmente por outros elementos, como os sinais de interrupção gerados por dispositivos de entrada e saída).
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3.Elementos funcionais básicos
Conjunto de instruções e modos de endereçamento
Uma instrução é um conjunto de bits devidamente codificados que indica ao computador que sequencia de microoperações ele deve realizar;
Instruções são classificadas por semelhança de propósito e formato. 
Componentes
do computador 
3.Elementos funcionais básicos
Classificações comuns incluem, entre outras: 
Instruções de transferência de dados
Instruções aritméticas e lógicas
Instruções de teste e desvio
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Um conjunto de todas as instruções que um determinado computador reconhece e pode executar é chamado de conjunto de instruções;
Qualquer sequencia finita de instruções de um determinado conjunto de instruções compõe um programa; 
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 Programação de um processador:
A única linguagem que um processador entende e tem condições de executar é a linguagem de máquina; 
Linguagem de máquina é uma imagem numérica (binária) que representa a codificação do conjunto de instruções de um Computador; 
Todos os programas objeto de um computador estão representados e armazenados em linguagem de máquina.
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Programação de um processador:
Para facilitar as tarefas de programação e depuração, mnemônicos (em inglês) foram associados aos códigos das instruções, nomes aos operandos e rótulos (labels) às posições ocupadas pelo programa;
Um programa escrito com auxílio de símbolos, ou seja em linguagem simbólica, precisa ser traduzido em linguagem de máquina para que possa ser executado; 
Essa tradução recebe o nome de Montagem e, quando automatizada, o programa que a realiza recebe o nome de Montador.
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Modelo de Computador – O EDVAC 
No ENIAC, assim como nas máquinas que o antecederam, os programas e os dados eram armazenados em memórias separadas; 
O armazenamento inicial de programas e sua alteração constituía-se em uma atividade extremamente cansativa; 
A ideia de armazenar programas e dados na mesma unidade de memória - que corresponde ao conceito de programa armazenado é atribuída ao matemático húngaro John von Neumann. 
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Sua proposta foi publicada em 1945 para um computador novo, o EDVAC (Electronic Discrete Variable Computer); 
Além de facilitar o processo de programação, o conceito de programa armazenado torna possível ao programa modificar suas próprias instruções.
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Além de ser um computador de programa armazenado, o EDVAC trazia outras inovações:
Memória de capacidade bastante aumentada (principal com 1024 palavras de 44 bits cada, implementada através de uma linha de atraso em mercúrio, e secundária magnética de 20K palavras);
Representação interna em binário; 
E circuitos aritméticos binários seriais, devido à entrada de dados serial.
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Estrutura do EDVAC 
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O formato da instrução, a arquitetura e a organização escolhidas para a implementação do EDVAC resultaram em alguns problemas: 
Vamos considerar uma instrução matemática,que no EDVAC tem a seguinte forma : 
A(1)A(2)A(3)A(4)OP 
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A(1)A(2)A(3)A(4)OP 
Significa a operação OP com os conteúdos das posições A(1) e A(2), colocar o resultado em A(3), e depois vá para a próxima instrução que está em A(4); 
Todos os operandos correspondem a endereços de memória : dois são endereços de parcela,um é endereço de armazenamento do resultado final e o outro é endereço da próxima instrução;
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O que significa um grande número de interações com a memória. 
Como havia apenas um barramento para trafegar as informações,o que acontecia : 
Vai endereço da instrução e volta instrução;
Vai endereços dos operandos;
Vão e volta os operandos.
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O fato de existir somente um barramento de sistema que interliga seus componentes acarreta o chamado Gargalo de Von Neumann;
Isto porque a cada ciclo do computador somente uma instrução ou um dado trafega pelo barramento do sistema;
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O fato de instruções e dados utilizarem o mesmo caminho para serem transferidos da memória principal para a CPU inviabiliza a possibilidade de se explorar o paralelismo de operações para acelerar o processamento;
Para se eliminar o gargalo se propôs : 
Manter Informações na CPU;
Diminuir tamanho de bits das informações 
Inclusão de registradores.
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4. Modelo de von Neumann: o computador IAS
Em 1946, von Neumann e sua equipe iniciaram o projeto de um novo computador de programa armazenado: O computador IAS, elaborado no lnstituto de Estudos Avançados de Princeton(Princeton lnstitute for Advanced Studies);
Esta máquina influenciou de sobremaneira o projeto subsequente de outras máquinas. 
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Os blocos básicos componentes do IAS são:
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Uma unidade de processamento central, para execução de operações aritméticas e lógicas;
Uma unidade de controle de programa, para determinar o sequenciamento das instruções a serem executadas e gerar os sinais de controle para as outras unidades;
Estes sinais determinam as ações a serem executadas;
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Uma unidade de memória principal, com capacidade de 4096 palavras;
Uma unidade de entrada e saída.
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Na unidade central de processamento do IAS existe um novo elemento de armazenamento de dados, que é o acumulador (AC).
Este elemento atua como uma memória rápida que guarda de forma imediata o resultado das operações realizadas na unidade lógico-aritmética.
O acumulador é empregado intensamente em instruções que realizam estas operações.
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Suponha-se a realização de um programa que executa a soma de dois números.
Os dois números a serem somados estão armazenados nas posições 100 e 101 de memória. 
O resultado deve ser guardado na posição 102. 
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Exemplo de soma no IAS 
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Conjunto de Instruções
As instruções são divididas em agrupamentos de acordo com a sua função: instruções de transferência, de desvio condicional e incondicional, aritméticas e de modificação de endereço.
As instruções de transferência possibilitam a transferência entre posições de memória e registradores da UCP, sem que haja modificação nas informações (exceto nos casos em que é alterado o sinal). 
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As instruções de desvio fazem com que seja buscado um novo endereço, para a próxima instrução, na memória (se atendida uma condição, no caso do desvio condicional).
Estas instruções portanto permitem a alteração da sequencia de execução de um programa
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As instruções aritméticas fornecem os comandos básicos de processamento de informações ao computador.
As instruções de modificação de endereço permitem a manipulação de endereços na unidade lógico-aritmética e sua inserção posterior em instruções armazenadas na memória;
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Organização da UCP
A UCP do IAS contém alguns registradores para armazenamento temporário de instruções,endereços de memória e dados. 
O processamento de dados é realizado pelos circuitos lógico-aritméticos.
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Os circuitos de controle decodificam instruções, direcionam a informação através do sistema, e fornecem a temporização dos sinais para todas as ações.
Existe um relógio para a sincronização da operação do sistema. 
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Basicamente, existem as seguintes estruturas, cujas funções são descritas resumidamente:
Memória principal M: para o armazenamento de programas e dados;
Registrador de dados DR (com 40 bits): recebe dados lidos da posição X da memória (DR <- M(X)) ou fornece dados que serão gravados na posição X da memória (M(X) <- DR);
Também pode ser usado para armazenar dados temporariamente, durante a execução de uma instrução;
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Registrador de endereços AR (com 12 bits): armazena o endereço que servirá para apontar posições da memória;
Acumulador AC: armazenamento
temporário de operandos;
Registrador multiplicador-quociente MQ: armazenamento temporário de operandos;
Contador de programa PC ou registrador de endereço da instrução: armazena o endereço da próxima instrução a ser executada.
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Arquiteturas de 4, 3, 2, 1 e 0 endereços
Enquanto o EDVAC trabalhava basicamente com 4 endereços, o IAS apresentava somente um endereço; 
Mesmo assim, ambas as arquiteturas possuíam as mesmas capacidades. 
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Vamos fazer um estudo com relação a influência de endereços de memória nas instruções; 
Ao invés de uma análise detalhada de arquiteturas típicas de cada caso, será apresentada unicamente a programação de uma equação aritmética;
A = ((B + C)*D + E- F) / (G + H)
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As letras A até H denotam posições de memória (endereços), e supõe-se que a arquitetura analisada possui as quatro operações aritméticas (ADD para soma, SUB para subtração, MUL para multiplicação e DIV para divisão); 
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Arquitetura de 4 endereços
Em uma arquitetura típica de 4 endereços, as instruções apresentam o formato : 
OP E(1) E(2) E(3) E(4) 
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A prática demonstrou que normalmente os programas eram escritos seqüencialmente, isto é, uma instrução seguindo a anterior. 
Com isto modificou-se o mecanismo de
sequenciamento das instruções, o que deu origem às arquiteturas de três endereços.
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Arquitetura de 3 endereços
Em uma arquitetura típica de 3 endereços, as instruções apresentam o formato : 
 OP E(1) E(2) E(3)
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Instruções de três endereços, entretanto, ainda consomem muita memória; 
Além disto,observando-se o programa acima, nota-se que na maioria da vezes um dos operandos fonte e o operando destino indicam o mesmo endereço (como é o caso do operando A); 
Com isto modificou-se de maneira de indicar os operandos, o que deu origem às arquiteturas de dois endereços.
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Arquitetura de 02 endereços
Em uma arquitetura típica de 2 endereços, as instruções apresentam o formato: 
OP E(1) E(2) 
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Comparando este programa corn o da arquitetura de três endereços, nota-se que a primeira instrução (ADD B C A) foi substituída por outras duas, uma de movimentação (MOV A B) e outra de manipulação de dados (ADD A C).
O resultado final é o mesmo, mas o programa
possui mais instruções.
Entretanto, as instruções são menores, o que em termos finais proporciona uma grande economia de bits
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Arquitetura de um endereço
Em uma arquitetura típica de um endereço, as instruções apresentam o formato : 
OP E(1) 
Onde OP representa a operação a ser realizada e E(1) indica a localização de um operando de memória (normalmente um dos operandos fontes da operação). 
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O outro operando é: implicitamente assumido como sendo um registrador –específico,o Acumulador (normalmente abreviado por AC); 
O Acumulador assume os papéis de um dos operandos fonte e do operando destino.
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Arquitetura de um endereço
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Comparando-se este programa com o da arquitetura de três endereços, nota-se que existem duas instruções adicionais de transferência de dados, uma no início do programa (LDA B) e outra no fim (STA A); 
A grande vantagem deste tipo de arquitetura está na economia dos acessos à memória: praticamente cada operando foi lido ou escrito uma única vez, o que não ocorre nasarquiteturas anteriores.
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Este é justamente o papel dos registradores locais (ou acumuladores):
Permitir que resultados intermediários ou dados muito utilizados não precisem ser lidos ou escritos da memória a cada vez que forem utilizados.
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Arquitetura de zero endereços 
Em uma arquitetura típica de zero endereços, as instruções apresentam o formato : 
 OP 
Não existe nenhuma referência explícita a endereços de memória onde estejam localizados os operandos
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Uma possível solução para determinar a posição dos operandos é colocá-los em uma região específica de memória, com determinado mecanismo de acesso;
Uma estrutura muito utilizada para estes fins é uma pilha: os operandos são sempre retirados do topo da pilha, e o resultado da operação sempre é colocado no topo da pilha. 
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Para facilitar a operação desta estrutura de pilha, as equações são escritas utilizando-se notação polonesa reversa, onde o símbolo da operação é escrito após os dois operandos; 
Assim, por exemplo, A+B seria escrito AB+;
Com isto a equação exemplo fica : 
HCFEDCB+*+-//
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Arquitetura de zero endereços 
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Note-se que duas instruções (PUSH e POP) na realidade utilizam endereços.
Estas são, entretanto, as duas únicas instruções que necessitam referenciar endereços, e são somente operações de transferência de dados.
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Arquiteturas puras de zero endereços não apresentam vantagens marcantes sobre arquiteturas de um ou dois endereços, e por causa disto não são muito difundidas.
Os computadores atuais, entretanto, possuem estruturas do tipo pilha para propósitos específicos.
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Uso de Push / Pop em pilha – Estrutura de Dados 
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 OBRIGADO !!