Arquitetura de Computadores

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ARQUITETURA DE COMPUTADORES
• SISTEMAS DE INFORMAÇÃO
• 3º PERÍODO
• FACULDADES UNIFICADAS DOCTUM
• PROF: OSÉAS TEIXEIRA
Tarefa de um Projetista de Computador
• Determinar quais atributos são importantes para uma nova máquina;
• Projetar uma máquina para maximizar o desempenho;
• Permanecer dentro das restrições de custo e energia.
• O projetista necessita possuir conhecimentos desde compiladores e 
sistemas operacionais até projeto lógico e acondicionamento.
Detalhes de Projetos
• Uma linha de equipamentos contém máquinas com arquiteturas de
conjuntos de instruções idênticas e com organizações quase idênticas,
mas diferem na implementação detalhada do hardware.
• Pentium e Celeron são praticamente idênticos, mas oferecem
diferentes velocidades de clock e diferentes sistemas de memória,
tornando o Celeron mais eficiente para computadores simples.
• O que é Clock?
Pentium II x Intel Celeron
Clock
• É divido em dois tipos: interno e externo.
• Clock Externo: está relacionado com a frequência de comunicação 
com componentes da placa-mãe.
• Clock Interno: Está relacionado com o número de operações que o 
processador realiza por segundos.
• Os projetistas de computadores devem projetar um computador para 
atender a requisitos funcionais, metas de preço, potência e 
desempenho.
Unidade de Medida Hertz
• O hertz (símbolo Hz) é a unidade de medida para frequência, a qual
expressa, em termos de ciclos por segundo, a frequência de um
evento periódico, oscilações (vibrações) ou rotações por segundo.
Tabela Hertz
Gerações de Computadores
• 1ª Geração: Válvulas e Relés
Relé
• Relé: Interruptor eletromecânico.
• Serve para ligar ou desligar dispositivos.
• Funcionamento: A movimentação física deste interruptor ocorre 
quando a corrente elétrica percorre as espiras da bobina do relé, 
criando assim um campo magnético que por sua vez atrai a alavanca 
responsável pela mudança do estado dos contatos.
Válvulas
• Funcionamento: Thomas Edison, percebeu que ao ligar a lâmpada ao polo 
positivo de uma bateria e uma placa metálica ao polo negativo, era 
possível medir uma certa corrente fluindo do filamento da lâmpada à 
chapa metálica, mesmo que os dois estivessem isolados. 
• Havia sido descoberto o efeito termoiônico, o princípio de funcionamento 
das válvulas.
• Termoiônico: é o aumento do fluxo de elétrons que saem de um metal, 
devido ao aumento de temperatura. Ao aumentar-se substancialmente a 
temperatura do metal, há uma facilidade maior para a saída dos elétrons.
• Uma válvula eletrônica regula o fluxo de elétrons (ou corrente elétrica) em 
um condutor elétrico da mesma forma que uma válvula hidráulica regula o 
fluxo de água (ou vazão) em um cano.
Válvula
• Apesar de Thomas Edison não ver nenhuma aplicabilidade em sua 
descoberta, o físico britânico John Ambrose Fleming percebeu que o 
efeito poderia ser usado para detectar ondas de rádio.
2ª Geração Diodo e Transistores
Diodo e Transistores
• Além de amplificar uma corrente elétrica eles podem ser usados em circuitos onde assumem
apenas as duas posições extremas: totalmente “fechados” ou totalmente “abertos”.
• Qual é a vantagem disso para computadores?
• Diodo: O diodo é formado por uma junção entre um cristal tipo P (lado positivo – também 
chamado de ânodo) e outro tipo N (lado negativo – também chamado de cátodo).
• É utilizado para minimizar os riscos de estrago nos aparelhos. 
• Teremos um lado que passa corrente, e um outro que corta a corrente.
• Evitar o dano de uma pilha colocada ao contrário no controle remoto.
• Retificação: é a transformação de corrente alternada (AC) em corrente contínua (CC). Energia que 
saem das tomadas é alternada, sendo que a maioria dos aparelhos utilizam corrente continua.
Visão Funcional de um Computador
• Capacidade de Processar Dados.
• Capacidade de Armazenar Dados: mesmo em processamentos do 
tipo on the fly. (Operação Matemática)
• Capacidade de Transferir dados.
• Quando dados são recebidos ou enviados diretamente a um 
dispositivo conectado a um PC é chamado de Entrada/Saída.
• Quando o dispositivo é remoto é chamado de Comunicação de 
Dados.
• Capacidade de Controlar essas três funções.
Arquitetura de um Computador
Barramentos
• Um barramento é um conjunto de linhas de comunicação (condutor 
elétrico) que permitem a interligação entre periféricos de um sistema 
de computação.
• O desempenho do barramento é medido pela sua largura de banda 
(quantidade de bits que podem ser transmitidos ao mesmo tempo), 
geralmente potências de dois.
• Barramento Interno.
• Barramento Externo.
Barramentos
• Barramento do Processador: É utilizado pelo processador internamente e para
envio de sinais para outros componentes do sistema computacional.
• Barramento de Memória: É o barramento responsável pela conexão da memória
principal ao processador.
• É um barramento de alta velocidade que varia de micro para micro e atualmente
gira em torno de 133 MHz a 1600 MHz.
• Barramento de Entrada e Saída: É o barramento I/O (ou E/S), responsável pela
comunicação das diversas interfaces e periféricos ligados à placa-mãe.
• Barramento de Dados: responsável por transportar informação da instrução,
variável do processamento, ou informação de um periférico de E/S. O tamanho
da via de dados determina respectivamente o máximo número de instruções,
precisão do processamento aritmético e número de símbolos possíveis a ser
representado.
Máquina de Von Neumann
• John Von Neumann: Matemático Húngaro de origem judaica e 
naturalizado americano.
• Além da computação ele se dedicou no desenvolvimento da bomba 
de hidrogênio.
• Foi um dos construtores do Eniac.
• Propôs que as instruções, lidas na época por cartões perfurados, 
fossem gravadas na memória do computador; o que faria sua 
execução e leitura mais rápidas, uma vez que se davam 
eletronicamente.
Máquina de Von Neumann
• Como o dispositivo é, em essência, um computador, deverá executar, 
mais frequentemente, as operações elementares da aritmética: 
adição, subtração, multiplicação e divisão. É razoável, portanto, que 
deva conter componentes especializados para realizar essas 
operações. (Unidade Lógica Aritmética).
• A execução das operações na sequência apropriada, pode ser feito, de 
modo mais eficiente, por meio de um componente de controle 
central.(Unidade de Controle).
• Qualquer dispositivo destinado à execução de longas e complicadas 
sequências de operações (especificamente de cálculos) deve ter uma 
memória considerável.
Conjunto de Instruções
• São as operações que um processador, microprocessador,
microcontrolador, CPU ou outros periféricos programáveis suporta,
fornece ou disponibiliza para o programador.
• É a representação em mnemônicos do código de máquina, com a
finalidade de facilitar o acesso ao componente.
• No caso dos processadores, quando o conjunto de instruções for reduzido
leva-o a ter o nome de RISC e se forem complexas o nome de CISC.
• Arquitetura do conjunto de instruções se distingue da microarquitetura.
• Microarquitetura: é o conjunto de técnicas de design de processadores
usado ​​para implementar o conjunto de instruções.
Conjunto de Instruções
• Um conjunto de instruções complexo (Complex Instruction Set
Computer - CISC) tem muitas instruções especializadas, algumas das
quais raramente serão usadas ​em programas práticos.
• Um conjunto reduzido de instruções (Reduced Instruction Set
Computer - RISC) simplifica o processador implementando somente
as instruções que são frequentemente utilizadas; operações não
usuais são implementadas como sub-rotinas, onde o tempo de
execução extra é compensado pela sua utilização rara.
Fases do Microprocessador• Primeiro: CISC (Complex Instruction Set Computer), que teve muitas
instruções diferentes.
• IBM descobre que muitas instruções poderiam ser eliminadas.
• Segundo: RISC (Reduced Instruction Set Computer), uma arquitetura
que utiliza um conjunto menor de instruções.
Vantagens do RISC x CISC: 
• RISC:
• Um conjunto de instruções mais simples pode oferecer o potencial
para velocidades mais elevadas;
• Redução do tamanho do processador;
• Redução do consumo de energia;
• CISC:
• Otimiza as operações comuns;
• Melhora a eficiência da memória/cache
• Simplifica a programação.
Memórias Auxiliares
REGISTRADORES
Registradores
• A unidade de controle efetua busca das instruções na memória e as
executa, uma de cada vez.
• Tanto a UC quanto a ULA contêm células de armazenamento denominadas
registradores.
• Registradores: é uma unidade de memória capaz de armazenar n bits.
Estão no topo da hierarquia de memória, sendo assim, são o meio mais
rápido e caro de se armazenar um dado.
• Ao se executar as instruções de um programa, os dados são movidos da
memória principal para os registradores.
• Então, as instruções que utilizam estes dados são executadas pelo
processador.
• Finalmente, os dados são movidos de volta para a memória principal.
Classificação de Registradores
• Registrador temporário de dados (Memory Buffer Register - MBR): contém uma palavra
com dados a ser armazenada na memória ou é utilizado para receber uma palavra da
memória.
• Registrador de endereçamento à memoria (Address Register - MAR): especifica o
endereço, na memória, da palavra a ser escrita ou lida no MBR.
• Registrador de instruções (Instruction Register - IR): contém o código de operação de 8
bits que está sendo executado.
• Registrador de armazenamento temporário de instruções (Instruction Buffer Register -
IBR): é utilizado para armazenar temporariamente a instrução contida na porção à direita
de uma palavra da memória.
• Contador do programa (Program Counter PC): contém o endereço de memória do
próximo par de instruções a ser buscado da memória.
• Acumulador (Accumulator - AC) e Quociente de Multiplicação (Multiplier Quotient -
MQ): são utilizados para armazenar temporariamente os operandos e o resultado de
operações efetuadas na ULA.
Conjunto de Instruções
Funcionamento
• A operação IAS (maquina de Von Neumann) consiste na execução
repetida de um ciclo de instruções.
• O ciclo de instruções divide-se em dois subciclos: Busca e Execução.
• Durante o ciclo de busca, o código de operação da próxima instrução
é carregado no IR e a parte correspondente ao endereço é carregada
no MAR.
• Essa instrução pode ser obtida do IBR ou da memória, carregando a
palavra correspondente no MBR e, a partir daí, no IBR, no IR e no
MAR.
• Depois que o código de uma operação é colocado no IR, inicia-se o
ciclo de execução.
• A Unidade de Controle interpreta o código de operação e executa a
instrução, enviando os sinais de controle apropriados, para fazer com
que os dados sejam transferidos ou para que uma operação seja
executada pela ULA.
Leitura do Fluxograma Parcial
• M(X) = conteúdo da posição de memória cujo endereço é X.
• (X : Y) = bits X a Y
Conjunto de Instruções do IAS
• O computador IAS tinha um total de 21 instruções. Elas podem ser agrupadas
como a seguir:
• Transferência de dados: os dados são transferidos entre a memória e os
registradores da ULA ou entre dois registradores da ULA.
• Desvio incondicional: normalmente, a unidade de controle executa as instruções
na sequência em que se encontram na memória. Essa sequência pode ser
alterada por uma instrução de desvio.
• Desvio condicional: o desvio é efetuado dependendo do teste de uma condição,
o que permite a introdução de pontos de decisão.
• Aritmética: operações executadas pela ULA.
• Alteração de endereço: possibilita calcular endereços, utilizando a ULA, para
então inseri-los em instruções armazenadas na memória. Isto permite ao
programa uma considerável flexibilidade de endereçamento.
Tabela Conjunto de Instruções do IAS
Registradores em uma CPU
FIM DO CONTEÚDO DA 1ª ETAPA.
BOA PROVA