Organização Interna de um Computador

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Faculdade São José – TSI
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.
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
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.
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. 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.
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.
MEDIDAS DE DESEMPENHO DE SISTEMADE COMPUTADORES:
A medida geral de desempenho de um sistema de computador depende fundamentalmente da capacidade e velocidade de seus diferentes componentes, da velocidade com que estes se comunicam entre si e do grau de compatibilidade que possa existir entre eles.
Desempenho dos Processadores é medido em termos de sua velocidade de trabalho; como seu trabalho é executar instruções, criou-se a unidade chamada MIPS – milhões de instruções por segundo e também a unidade MFLOPS – milhões de operações de ponto flutuante por segundo, que é uma medida típica de estações de trabalho e de supercomputadores, pois estes costumam trabalhar mais com cálculos matemáticos.
Tempo de Acesso é uma unidade de medida mais apropriada, estando relacionada à
velocidade de cada componente e à do canal de interligação entre os dois (UCP e memória).
Tempo de Resposta é a medida ligada ao desempenho global do sistema e não de um ou outro componente. Trata-se do período de tempo gasto entre o instante em que o usuário iniciou uma solicitação ou interrogação e o instante em que o sistema apresentou ao usuário a sua resposta ou atendeu à sua solicitação. Ex: o intervalo de tempo entre a solicitação de um saldo de conta em um terminal bancário e apresentação no vídeo da resposta (o saldo da conta).
Vazão (throughput) define a quantidade de ações ou transações que podem ser realizadas por um sistema na unidade de tempo. Por exemplo, a quantidade de atualizações que podem ser feitas em um sistema de controle do estoque de uma empresa.
Observação: 
 Palavra é um conjunto de bits que representam uma informação útil, mas estaria associada ao tipo de interação entre a MP (memória principal) e a UCP, que é individual, informação por informação, ou seja, a UCP processa informação por informação, armazena e recupera número a número (cada uma estaria associada a uma palavra).
De modo geral, usam-se dois valores diferentes: um relacionado à unidade de armazenamento – o byte e o outro para indicar a unidade de transferência e processamento – a palavra (que na quase totalidade de computadores, possui um número de bits múltiplo de 1 byte – 16 ou 32 bits é o valor mais comum.
Prof.Marcelo Ribeiro