07 - Arquitetura de von Neumann

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Arquitetura de Computadores
Aula 06 – Arquitetura de von Neumann
Professores:
Ivanildo Melo
ivanildo.melo@paulista.ifpe.edu.br
Rosangela Melo
rosangela.melo@paulista.ifpe.edu.br
Arquitetura de von Neumann
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O material dessa aula segue o conteúdo literal e em alguns pontos adaptado das
seguintes fontes:
• MONTEIRO, Mario A. Introdução a Organização de Computadores. 5ª ed. Rio de Janeiro: LTC, 2007.
• BARBOSA, Luiz Sérgio de O. Arquitetura e Organização de Computadores. (Apostila) PROINOVALAB-
Amazonas. Universidade do Estado do Amazonas (UEA).
• GATTO, Elaine C. Arquitetura de John Von Neumann. Disponível em:
<https://www.embarcados.com.br/arquitetura-de-john-von-neumann/>. Site EMBRACADOS. Acesso em: 10
jan. 2020.
• TANENBAUM, Andrew S. Organização Estruturada de Computadores. 5ª ed. São Paulo: Pearson Prentice Hall,
2010.
• STALLINGS, William. Arquitetura e Organização de Computadores. 8ª ed. São Paulo: Pearson Prentice Hall,
2010.
Arquitetura de von Neumann
A Arquitetura de von Neumann (de
John von Neumann, pronunciado
Nóimánn) é uma arquitetura de
computador que se caracteriza pela
possibilidade de uma máquina
digital armazenar seus programas no
mesmo espaço de memória que os
dados, podendo assim manipular tais
programas.
Esta arquitetura é um projeto modelo
de um computador digital de
programa armazenado que utiliza
uma unidade de processamento
(CPU) e uma de armazenamento
("memória") para comportar,
respectivamente, instruções e dados.
BUSCAR
DECODIFICAR EXECUTAR
1
2
3
Princípio de Funcionamento da Arquitetura de von Neumann
Arquitetura de von Neumann
A máquina proposta por Von Neumann
reune os seguintes componentes:
• Uma unidade central de processamento
(CPU), composta por: (1)
• Registradores (2)
• Uma unidade aritmética e lógica
(ALU) (3)
• Uma Unidade de Controle (4)
• Uma memória (5)
• Sistema de Entrada e Saída (6)
(5)(1)
(2)
(3) (4)
(6)
Unidade 
de Controle
Sistemas de 
Entrada e Saída
Arquitetura de von Neumann
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Unidade Central de Processamento (UCP)
ou Central Processing Unit (CPU):
A CPU deve ser composta por uma unidade
de controle (UC), uma unidade lógica
aritmética (ULA), vários registradores
(memórias internas da CPU) e um contador
de programa (PC);
FUNÇÃO DA CPU: A unidade central de
processamento tem como função executar
programas que estão armazenados na
memória principal (5), buscar as instruções
desses programas, examinar essas
instruções e executar as instruções uma
após a outra (sequência).
(5)(1)
(2)
(3) (4)
(6)
Unidade 
de Controle
Sistemas de 
Entrada e Saída
Arquitetura de von Neumann
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FUNÇÃO DOS REGISTRADORES:
Os registradores (2) da unidade central de
processamento são memórias de altíssima
velocidade que armazenam resultados temporários.
Alguns registradores têm uma função e um tamanho
específico (em bits e/ou bytes) e são lidos/escritos
em alta velocidade pois são internos à CPU.
A CPU não consegue manter todos os valores
manipulados por um programa apenas em
registradores, por isso necessita de uma memória
para o armazenamento das informações.
FUNÇÃO DO PC:
A função do Contador de programa (2.1), ou
Programm Counter, é o de indicar a próxima
instrução a ser buscada para execução pela CPU.
Esse é um exemplo de registrador com função
específica
(5)(1)
(2)
(3) (4)
(6)
(2.1)
Unidade 
de Controle
Sistemas de 
Entrada e Saída
Arquitetura de von Neumann
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Unidade Lógica Aritmética (ULA) - (3)
O dispositivo deve ser capaz de realizar as operações
elementares da aritmética mais frequentemente, e
por este motivo deve ter unidades especializadas
apenas para essas operações.
FUNÇÃO DA ALU OU ULA:
A Unidade Lógica Aritmética (ULA) tem como função
efetuar operações aritméticas e efetuar operações
booleanas (E, OU, NOT entre outras).
(5)(1)
(2)
(3) (4)
(6)
(2.1)
Unidade 
de Controle
Sistemas de 
Entrada e Saída
Arquitetura de von Neumann
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Unidade de Controle (4)
Gerencia a sequenciação apropriada das
operações pode ser executada, de forma mais
eficiente, por um controle central.
FUNÇÃO DA UC: A unidade de controle tem
como função buscar instruções na memória
principal e determinar o tipo dessas instruções,
decodificando instruções, buscando operandos,
controla o ponto de execução e possíveis
desvios.
(5)(1)
(2)
(3) (4)
(6)
(2.1)
busca endereços das 
instruções
Unidade 
de Controle
Sistemas de 
Entrada e Saída
Arquitetura de von Neumann
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Memória Principal (5)
Qualquer dispositivo que tiver que executar
longas e complicadas sequências de operações
precisa ter uma quantidade de memória
considerável
FUNÇÃO DA MEMÓRIA PRINCIPAL:
A memória principal, também chamada de
memória real, são memórias que o processador
pode endereçar diretamente, sem as quais o
computador não pode funcionar.
A sua função principal é a de conter a
informação necessária para o processador num
determinado momento; esta informação pode
ser, por exemplo, os programas em execução.
(5)(1)
(2)
(3) (4)
(6)
(2.1)
busca endereços das 
instruções
Unidade 
de Controle
Sistemas de 
Entrada e Saída
Busca dados e 
instruções
Arquitetura de von Neumann
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Sistemas de Entrada e Saída (6)
FUNÇÃO DOS SISTEMAS DE ENTRADA E SAÍDA:
Chamamos de dispositivos de entrada e saída
aos dispositivos encarregados de incorporar e
extrair informação de um computador. Eles se
enquadram dentro da denominada Arquitetura
de Von Neumann, que explica as principais
partes de um computador.
Estes dispositivos evoluíram com o tempo,
existindo na atualidade muitas variantes que no
início da informática pareciam impossíveis.
(5)(1)
(2)
(3) (4)
(6)
(2.1)
busca endereços das 
instruções
Unidade 
de Controle
Sistemas de 
Entrada e Saída
Busca dados e 
instruções
Arquitetura de von Neumann
Ciclo de Máquina
A Unidade de Controle desempenha
uma importante função na operação
mais básica e fundamental da UCP,
chamada ciclo de máquina. Um ciclo de
máquina tem duas fases:
• CICLO de INSTRUÇÃO
• CICLO de EXECUÇÃO
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Unidade 
de Controle
Sistemas de 
Entrada e Saída
(5)(1)
(2)
(3) (4)
(6)
(2.1)
busca endereços das 
instruções
Busca dados e 
instruções
Unidade 
de Controle
Sistemas de 
Entrada e Saída
Arquitetura de von Neumann
CICLO DE INSTRUÇÃO
Essa fase se compõe de duas etapas chamadas:
a) BUSCA - (fetch) Obtém a próxima instrução
b) DECODIFICAÇÃO - identifica a instrução
CICLO DE EXECUÇÃO
Essa fase se compõe de duas etapas chamadas:
a) EXECUÇÃO - execução da ação propriamente dita;
b) GRAVAÇÃO - grava os resultados para um novo ciclo.
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Arquitetura de von Neumann
Ciclo de Instrução
Um ciclo de instrução (também chamado de
ciclo de busca e execução ou ciclo busca-
execução) é o período de tempo no qual um
computador lê e processa uma instrução em
linguagem de máquina da sua memória ou a
sequência de ações que a CPU realiza para
executar cada instrução em código de
máquina num programa.
A expressão "ciclo de busca e execução"
também é muito usada, pois descreve em
essência o modo como um computador
funciona: a instrução deve ser buscada na
memória principal e depois executada pela
CPU. Deste ciclo emergem todas as funções
do computador que são familiares para o
usuário final. 13
Unidade 
de Controle
Sistemas de 
Entrada e Saída
(5)(1)
(2)
(3) (4)
(6)
(2.1)
busca endereços das 
instruções
Busca dados e 
instruções
Unidade 
de Controle
Sistemas de 
Entrada e Saída
Arquitetura de von Neumann
Ciclo de Execução
O ciclo de execução diz respeito à
forma com que uma instrução é
executada pela CPU, os caminhos que
ela deve fazer e as unidades funcionais
pelas quais ela passará, ou seja,
descreve como o hardware trabalha
com as instruções que serão
executadas.
Estes dispositivos evoluíram com o
tempo, existindo na atualidade muitas
variantes que no início da informática
pareciam impossíveis.
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Unidade 
de Controle
Sistemas de 
Entrada e Saída
(5)(1)
(2)
(3) (4)
(6)
(2.1)
busca endereços das 
instruções
Busca dados e 
instruções
Unidade 
de Controle
Sistemas de 
Entradae Saída
Arquitetura de von Neumann
Ciclo de Execução
O ciclo de execução diz respeito à
forma com que uma instrução é
executada pela CPU, os caminhos que
ela deve fazer e as unidades funcionais
pelas quais ela passará, ou seja,
descreve como o hardware trabalha
com as instruções que serão
executadas.
Estes dispositivos evoluíram com o
tempo, existindo na atualidade muitas
variantes que no início da informática
pareciam impossíveis.
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Unidade 
de Controle
Sistemas de 
Entrada e Saída
(5)(1)
(2)
(3) (4)
(6)
(2.1)
busca endereços das 
instruções
Busca dados e 
instruções
Unidade 
de Controle
Sistemas de 
Entrada e Saída
Arquitetura de von Neumann
Ciclo de Execução
1. A unidade de controle busca a
próxima instrução do programa na
memória principal;
2. O contador de programa é usado pela
unidade de controle para determinar
onde a instrução está localizada;
3. A instrução é decodificada para uma
linguagem que a unidade lógica
aritmética possa entender;
4. Os operandos de dados requeridos
para executar a instrução são
carregados da memória e colocados
em registradores;
5. A unidade lógica aritmética executa a
instrução e coloca os resultados em
registradores ou na memória.
Fonte: Adaptado de Gatto (2018)
Unidade 
de Controle
Sistemas de 
Entrada e Saída
Arquitetura de von Neumann
Exemplo 01
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Unidade 
de Controle
Sistemas de 
Entrada e Saída
[SOMAR 10 + 20]
1. Um comando de entrada inicial é iniciado ( Entrada do Dado)
2. A unidade de controle verifica na memória principal se existe
algum dado de entrada em uma de suas posições.
3. Uma vez identificado o dado, o mesmo é inserido em uma
posição no Registrador A. (Valor 10)
4. Inicia-se um novo ciclo de instrução
5. Uma vez identificado o novo dado, o mesmo é inserido em
uma posição no Registrador B. (Valor 20)
6. Inicia-se um novo ciclo de instrução
7. Uma vez identificado o novo dado, o mesmo é inserido em
uma posição no Registrador C. (Função SOMA)
8. A ULA entra em ação (decodifica) tendo em vista que se trata
de uma operação aritmética
9. A ULA executa a operação soma e armazena no Registrador D
10. Inicia-se um novo ciclo de instrução
11. Um comando de entrada solicitando a exibição do resultado é
iniciado ( Entrada do Dado)
12. O resultado da soma é exibido
Registrador A
Registrador B
Registrador C
Registrador D
Arquitetura de von Neumann
Exemplo 02 – [SOMAR 1 + 2]
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Comandos em Linguagem Assembly
Arquitetura de von Neumann
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OBSERVAÇÕES:
Um computador digital moderno lê
metodicamente um programa de computador e o
executa, uma instrução de cada vez, em ordem
sequencial.
Pode haver MILHÕES OU CENTENAS DE MILHÕES
DE CICLOS DE MÁQUINA a serem executados em
um programa.
Entretanto, como a máquina funciona com muita
rapidez processando milhões de instruções por
segundo, programas extremamente grandes
podem ser executados em poucos instantes.
Os computadores grandes são medidos
em CICLOS DE MÁQUINA, OU EM MIP'S
(MILHÕES DE INSTRUÇÕES POR SEGUNDO).
Ciclo de Máquina - Resumo
Arquitetura de von Neumann
Gargalo de von Neumann
O gargalo de von Neumann é caracterizado pela maior
velocidade de processamento do processador em
relação ao que a memória pode servir a ele. Isso
acontece devido a memória não conseguir trabalhar em
frequências tão altas quanto a CPU, fazendo com que a
CPU fique ociosa por um certo tempo.
Computadores Desktops, Notebooks, Smartphones,
SmartTV entre outros utilizam de arquiteturas derivadas
a de Von Neumann. A maioria deles possuem uma CPU,
Memória e dispositivos de entrada e saída. Entretanto,
com algumas diferenças como a separação em seu
funcionamento da memória RAM e a do HD.
Essa estratégia visa separar o carregamento dos
programas em execução e outra para salvar os dados e os
programas, além de trabalhar em frequências altíssimas
comparadas a da época.
(5)(1)
(2)
(3) (4)
(6)
(2.1)
Unidade 
de Controle
Sistemas de 
Entrada e Saída
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Arquitetura de Computadores
Aula 06 – Arquitetura de von Neumann
Professores:
Ivanildo Melo
ivanildo.melo@paulista.ifpe.edu.br
Rosangela Melo
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