Aula 15 - Organização e Arquitetura de Computadores

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CCT0307 - Organização e Arquitetura de Computadores
Aula 15: Revisão
Processamento de dados – Aula 1
Dado e informação: Dado é a matéria- prima obtida na etapa de coleta (entrada) e informação é o resultado obtido pelo tratamento destes dados (saída). Esse “tratamento” feito pelo computador é o processamento, realizado através de programas (sequência de instruções)
DADOS
PROCESSAMENTO
INFORMAÇÃO
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Componentes do computador – Aula 1
Hardware: Componentes físicos de um computador como placas, processador, memória, etc.
Software:  Programas que permitem a interação com o computador. Estes programas são escritos, utilizando-se uma linguagem de programação e são então convertidos para um formato compreensível para o processador 
 
Sistema Operacional: conjunto de programas que permite a interação entre o usuário e o computador
USUÁRIOS
HARDWARE
UCP
DISPOSITIVOS
DE E/S
RAM
SISTEMA
OPERACIONAL
DEVICE DRIVERS
SOFTWARE
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Linguagem de programação – Aula 2
O computador possui uma linguagem própria (linguagem binária ou linguagem de máquina) para receber ordens. No entanto, programar em linguagem binária  não é tarefa fácil para seres humanos, pois utilizam apenas dois caracteres (0 e 1), chamados bits (binary digits) 
Para tornar a programação possível foram desenvolvidas linguagens de alto nível, ou seja, mais próximas do entendimento humano, chamadas genericamente de linguagens de programação. Alguns exemplos: Pascal, Java, C, C++, Cobol, Delphi
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Unidades de informação – Aula 2
Bit: unidade para composição de uma informação. Os bits 0 e 1 são os algarismos na numeração binária e com estes dois algarismos todos os demais números podem ser representados
Byte: unidade mínima de informação composta por 8 bits (octeto)
Word: unidade de armazenamento e recuperação de uma informação; múltiplo de byte
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Bases e seus algarismos – Aula 3
Utilizamos o sistema decimal (base 10) em nosso cotidiano, no qual temos algarismos de 0 a 9 representando valores de unidades, dezenas, centenas, etc. 
	Algarismos na base decimal (10): 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
Mas, existem outras bases (sistemas) de numeração com os quais o computador opera. Os algarismos dessas bases são:
	Algarismos na base binária (2): 0 1
	Algarismos na base hexadecimal (16): 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A B C D E F
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Notação posicional – Aula 3
A representação dos números nas bases binária e hexadecimal obedece às mesmas regras da representação na base decimal (notação posicional)
Esta forma pode ser generalizada pelo somatório de cada algarismo multiplicado pela potência da base equivalente a sua posição 
 	10102 = 1* 23 +  0* 22 +  1* 21 +  0* 20  = 10 na base decimal
 
 	A2516 = A * 162  +  2* 161 + 5 *160 = 2597 na base decimal
 	Obs: A equivale ao número 10 na base decimal
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Conversão entre bases – Aula 4
A conversão entre bases, consiste em representar um número em uma outra base e para isso serão apresentados algoritmos de conversão.
DA BASE DECIMAL PARA OUTRA BASE
REPITA
Dividir o número decimal pela base 
Extrair o resto como algarismo e colocá-lo à esquerda do anterior (ou, ao final, juntar os restos de “trás pra frente” para formar o número na nova base
ATÉ quociente da divisão igual a 0
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Binário para hexadecimal – Aula 4
De binário para hexadecimal
Cada conjunto de 4 bits representa um digito em hexadecimal, pois com 4 bits podemos escrever 16 números diferentes (24 = 16)
De hexadecimal para binário
Analogamente ao item anterior, cada dígito em hexadecimal é convertido em 4 dígitos binários
Exemplo: 0 0 0 1 1 1 0 0 0 0 1 12 = 1C316
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Portas e operações lógicas – Aula 5
Os circuitos digitais são formados por elementos capazes de manipular apenas grandezas binárias, chamados de portas lógicas
Esses elementos de hardware recebem (um ou mais) sinais de entrada e produzem um sinal de saída
Valores lógicos (booleanos):
Falso (F) = bit 0
Verdadeiro (V) = bit 1
Valores lógicos
Portas lógicas
Not, (n)and, (n/x)or 
Resultado lógico
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Portas e operações lógicas – Aula 5
As seguintes operações lógicas serão apresentadas, cada uma representada por uma porta lógica:
AND: Produz resultado verdade se e somente se todas as entradas forem verdade
 
OR: Produz resultado verdade se pelo menos uma das entradas for verdade
NOT: Inverte o valor da entrada 
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Portas e operações lógicas – Aula 5
As seguintes operações lógicas serão apresentadas, cada uma representada por uma porta lógica:
NAND: Produz o inverso da saída AND equivalente
NOR: Produz resultado verdade se e somente se todas as entradas forem falsas 
XOR: Produz resultado verdade se os valores de sua entrada forem diferentes
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Álgebra de Boole – Aula 6
Vimos na aula passada que os circuitos digitais são representados por expressões, cujas entradas são combinadas e a saídas analisadas através da tabela-verdade
Mas, será que podemos reduzir o tamanho dessas expressões – e, consequentemente, os circuitos – sem alterar os resultados obtidos na saída?
É exatamente nesse contexto que iremos estudar as regras (22 no total) de simplificação da Álgebra de Boole
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Regras de simplificação – Aula 6
1) X + 0 = X 
2) X + 1 = 1 
3) X + X = X 
4) X + X = 1 
5) X * 0 = 0 
6) X * 1 = X 
7) X * X = X 
8) X * X = 0 
9) X = X 
10) X + Y = Y + X
11) X + X = 0
12) X * Y = Y * X 
13) X + (Y + Z) = (X + Y) + Z 
14) X * (Y * Z) = (X * Y) * Z 
15) X * (Y + Z) = X * Y + X * Z 
16) X + X * Z = X 
17) X * (X + Y) = X 
18) (X + Y) * (X +Z) = X + Y * Z 
19) X + X * Y = X + Y 
20) X * Y + Y * Z + Y * Z = X * Y + Z
21) (X + Y) = X * Y 
22) (X * Y) = X + Y 
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Características do Modelo Von Neumann – Aula 7
Dados e instruções armazenados em uma única memória utilizada tanto para leitura quanto para escrita
Os dados armazenados na memória podem ser acessados através de endereços
A execução de um programa ocorre sequencialmente, por ordem de endereços, exceto se for feita algum desvio explicito no programa
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Representação do Modelo Von Neumann – Aula 7
MEMÓRIA
ENTRADA e SAÍDA
PROCESSADOR
John Von Neumann, matemático húngaro (1903-1957), contribuiu para a matemática e a física. Foi professor da Universidade de Princeton e um dos construtores do ENIAC
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Conceito de Instruções – Aula 8
São as ordens que o computador entende
Cada família de processadores tem o seu próprio conjunto de instruções, chamado (instruction set)
Quem usa essas instruções? 
O programador Assembly, os compiladores
Ninguém programa utilizando as instruções do processador! 
Programas são desenvolvidos em linguagens de alto nível.
Instruções podem ter formatos diferentes, dependendo do número de operandos
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Modos de endereçamento – Aula 8
IMEDIATO
Utiliza um valor como operando e não um endereço na memória
ADD #A,R1
DIRETO
Indica o endereço de memória onde está o operando
ADD (A), R1
INDIRETO
Indica um ponteiro para o operando
ADD (R1),R2
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Modos de endereçamento – Aula 8
REGISTRADOR
O endereço se refere a um registrador
ADD R,OP1
DESLOCAMENTO
Obtido pela soma do operando com o conteúdo de um registrador base
ADD (A)R1, R2
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Processador e as instruções – Aula 9
Buscar uma instrução na memória
1.
Decodificar operação
2.
Buscar os operandos
3.
Executar a operação
4.
Guardar o resultado (se for o caso)
5.
Reiniciar o ciclo
6.
Início
Busca da 
próxima 
instrução
Parada
Executa
instrução
Ciclo de busca
Ciclo de execução
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Funções do processador – Aula 9
CONTROLE
Busca, interpretação e controle de execução das instruções
Unidade de controle 
Registrador de instruções (IR)
Decodificador de instruções 
Contador de instruções (PC)
Reg. End. Memória (REM)
Reg. Dados Memória (RDM)
PROCESSAMENTO
Operações aritméticas, operações lógicas, movimento de dados, desvios e operações de entrada ou saída
UAL (ALU) 
 Acumulador (ACC)
 Registradores de dados
 Registrador de estado (PSW)
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Operação de leitura na memória – Aula 10
REM  endereço em outro registrador
O endereço é colocado no barramento de endereço
Sinal de leitura no barramento de controle
Decodificação de endereço e localização da célula
RDM  MP pelo barramento de dados
Outro registrador  RDM
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Operação de escrita na memória – Aula 10
REM  endereço em outro registrador
O endereço é colocado no barramento de endereço
RDM  Outro registrador
Sinal de escrita no barramento de controle
Decodificação de endereço e localização da célula
MP (REM)  RDM
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Tipos de memória – Aula 11
A RAM (Random Access Memory) é construída com tecnologia que lhes garante atualmente tempos de acesso na faixa dos nanossegundos e igual para qualquer uma das células
TIPOS DE RAM
Leitura e escrita
	Exemplos: SRAM e DRAM
Somente Leitura
	Exemplos: ROM, PROM, EPROM, EEPROM
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Conceitos relacionados a memória – Aula 11
Organização da memória principal  células
Palavra  conjunto de células com significado
Unidade de transferência  quantidade de bits transferidos de/para a memória
Capacidade de memória  quantidade de informações armazenadas
	N = número de células * tamanho da célula 
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Memória cache – Aula 12
O acesso a cache é transparente para a aplicação e para o sistema operacional, uma vez que todo o gerenciamento da memória cache é feito por hardware
O processador inicia a operação de leitura para o endereço desejado da Memória Principal
O sistema de controle da cache intercepta o endereço e conclui se o dado solicitado está ou não armazenado na cache. Um acerto é denominado cache hit e a falta é denominada cache miss
Se ocorrer um cache miss o controlador da memória principal é acionado para localizar o dado na memória, transferindo-o para a cache. Um novo acesso é feito a memória cache
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Funcionamento da memória cache – Aula 12
PRINCÍPIO DA LOCALIDADE
TEMPORAL
	Se um item é referenciado, tende a ser referenciado novamente.
	Exemplo: loops (instruções e dados)
	
ESPACIAL
	Se um item é referenciado, itens cujos endereços são próximos tendem a 	ser referenciados em seguida.
	Exemplo: acesso a dados de um array
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Conceitos de E/S – Aula 13
Entrada e Saída (E/S): Atividade de troca de informações entre o computador e o meio externo
Um Sistema de E/S deve ser capaz  receber e enviar informações  ao meio externo e converter as informações de forma que ser tornem legíveis para o computador ou para o usuário
A Arquitetura de E/S deve especificar um método para identificação do dispositivo, o endereço do dado a ser transportado, a quantidade  de dados a serem transportados e um método que identifique o término da operação de E/S
Conceitos
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Controle das operações de E/S – Aula 13
E/S programada: Operações de E/S controladas inteiramente pela CPU podem ser implementadas com poucas instruções? IN e OUT
Acesso direto a memória (DMA): Hardware mais complexo, porém a CPU só é interrompida quando o dado já está disponível na memória
Interrupções: Eventos que geram sinais de hardware que provocam a interrupção da tarefa que está sendo executada
Conceitos
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Computador simplificado – Aula 14
Esta aula será baseada na simulação de um computador simplificado
O objetivo dessa simulação é a sedimentação dos conceitos estudados referentes ao hardware e seus componentes:
Processador e seus componentes
Memória
Memória Cache
Dispositivos de E/S
CPU
Memória Principal
Memória Auxiliar
Saída
Entrada
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Computador real – Aula 14
Finalizada a simulação os alunos, com o apoio do professor da disciplina, abrirão um  ou mais computadores e farão a identificação dos componentes simulados na máquina real
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