Arquitetura de Computadores - Ateneu - Aula 07

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Conteúdo Programático
Unidade III - Funções Lógicas 
Introdução; 
Porta AND; 
Porta OR; 
Porta NOT; 
Combinações de Portas Lógicas e Circuitos Lógico; 
Funções AND, OR, NOT; 
Funções/Portas NAND/NOR/XOR.	 
Unidade IV - Unidade Central de Processamento 
Pipelines;
Arquitetura RISC, CISC e Paralelas;
Princípios de projeto de UCP modernas;
Estudo da tecnologia atual dos processadores.
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Unidade Central de Processamento
A UCP tem duas seções:
Unidade de Controle (UC);
Unidade Lógica e Aritmética (ULA).
Um programa se caracteriza por:
Uma série de instruções que o computador deve executar;
As instruções, bem como os dados necessários são encaminhados a memória principal.
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Unidade Central de Processamento
Execução das Instruções:
Para a seção de controle são trazidas uma a uma essas instruções.
Em seguida a análise de cada instrução, se for o caso de utilização de dados, estes são buscados também na memória.
E a instrução é processada na seção lógica e aritmética;
O resultado da instrução se é dado, volta à memória ou é encaminhado a um dispositivo de saída;
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Unidade Central de Processamento
Execução das Instruções:
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Unidade Central de Processamento
Modelo Hipotético de um Computador (analogia):
Operador – só faz o que for ordenado, não toma decisões;
Conjunto de escaninhos – com capacidade para um cartão cada;
Máquina de calcular – executa as operações;
Caixa de entrada – para receber cartões de fora;
Máquina de escrever – para dar saída às informações / resultados.
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Unidade Central de Processamento
Modelo Hipotético de um Computador:
Para que este modelo funcione, deve existir em cada cartão uma INSTRUÇÃO. O operador segue de escaninho em escaninho, fazendo exatamente o que está escrito em cada cartão, até encontrar um cartão contendo uma instrução que manda que ele PARE.
Conjunto de escaninhos
Caixa de entrada
Máquina de calcular
Máquina de escrever
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EXERCÍCIO 1:
E1 : armazene o valor 1 no E10
E2 : leia o conteúdo de E11 (externo - a caixa de entrada)
E3 : multiplique E10 com E11 (usando a máquina de calcular) e armazene o resultado em E10
E4 : subtraia o valor 1 de E11
E5 : se o valor de E11 > 0, volte para E3, senão continue
E6 : imprima o conteúdo de E10 (usando a máquina de escrever)
E7 : PARE
E8 :
E9:
A partir de um sinal externo do tipo COMECE, este modelo inicia do E1 daí por diante prossegue até E8 (o final).
Resolva o exercício; o que faz este algoritmo?
Unidade Central de Processamento
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Este programa calcula o FATORIAL de um número.
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Unidade Central de Processamento
Modelo Hipotético de um Computador:
Instrução – Comando	que define integralmente uma operação a ser executada.
Programa – é uma seqüência de instruções (no modelo hipotético, os cartões);
O programa deve ser escrito numa LINGUAGEM DE PROGRAMAÇÃO - as linguagens naturais têm ambigüidades e podem dar margem a diferentes interpretações;
Hardware – (significa originalmente "ferragens“, em inglês - hardware store significa originalmente "loja de ferragens") é o conjunto de dispositivos físicos do computador, o equipamento;
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Unidade Central de Processamento
Modelo Hipotético de um Computador:
Software – são os programas que permitem que o equipamento saiba o que realizar; Depois surgiram outros termos, aproveitando as mesmas analogias, tais como firmware (indicando programação gravada em dispositivos físicos e não modificável pelo usuário);
Processamento Automático de Dados – Um computador é capaz de executar um programa sozinho, desde que o programa seja previamente armazenado nele, de forma que ele tenha as indicações de onde procurar as instruções;
Memória – (os escaninhos) - Dispositivo físico para armazenar programas e dados;
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Unidade Central de Processamento
Modelo Hipotético de um Computador:
Processador – (operador e máquina de calcular) - Dispositivo que realiza o processamento;
Dispositivos de Entrada e Saída – (caixa de entrada, caixa de saída, máquina de escrever) - Formas de comunicação entre o usuário e o computador;
Sistema – Um conjunto interligado de programas (e, eventualmente, também de equipamentos);
Linguagem de Máquina – é a linguagem que o computador entende, cujo "alfabeto" é composto apenas de 1's e 0's (linguagem binária);
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Unidade Central de Processamento
Modelo Hipotético de um Computador:
Linguagem de Programação – é uma linguagem formal, utilizando termos que se aproximam da linguagem humana, que pode ser traduzida por programas especiais em linguagem de máquina.
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Unidade Central de Processamento
Componentes do Computador:
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Unidade Central de Processamento
Componentes do Computador:
A arquitetura básica de um computador moderno segue ainda 	que de forma geral os conceitos estabelecidos pelo Professor da Universidade de Princeton, John Von Neumann (1903-1957), um dos construtores do EDVAC;
Von Neumann propôs construir computadores que:
Codificassem instruções que pudessem ser armazenadas na memória e sugeriu que usassem cadeias de uns e zeros (binário) para codificá-los;
Armazenassem na memória as instruções e todas as informações que fossem necessárias para a execução da tarefa desejada;
Ao processarem o programa, as instruções fossem buscadas diretamente na memória.
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DMA – deixa a UCP disponível para 	outro processamento em paralelo.
UCP
Troca de informações (dados ou instruções) – fluxo bidirecional.
Sinais de controle – fluxo unidirecional.
Diagrama em bloco de um computador
Unidade Central de Processamento
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Unidade Central de Processamento
Componentes do Computador:
Toda a lógica dos computadores é construída a partir de chaves liga / desliga;
Inicialmente foram usados chaves mecânicas, depois relés eletro-mecânicos - o Z-1 construído por Konrad Zuse em 1941 e o MARK 1 de Howard Aiken em 1944 (capazes de executar até 5 chaveamentos por segundo);
Posteriormente, foram substituídos pelas válvulas no ENIAC em 1946 (capazes de 100.000 de chaveamentos por segundo), e finalmente pelos transistores (semicondutores) inventados em Stanford em 1947. 
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Unidade Central de Processamento
Componentes do Computador:
Os circuitos integrados (ou CI's) são encapsulamentos compactos (LSI - Large Scale Integration e VLSI - Very Large Scale Integration) de circuitos constituídos de minúsculos transistores.
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Unidade Central de Processamento
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Unidade Central de Processamento
Definição:
A Unidade Central de Processamento (em inglês, Central Processing Unity - CPU) é a responsável pelo processamento e execução de programas armazenados na Memória principal.
Funções:
Executar instruções - realizar aquilo que a instrução determina;
Realizar o controle das operações no computador.
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Unidade Central de Processamento
Composição:
Unidade Lógica e Aritmética (ULA) - responsável pela realização das operações lógicas (E, OU, etc) e aritméticas (somar, etc), ou seja, execução das instruções;
Unidade de Controle (UC) - envia sinais de controle para toda a máquina, de forma que todos os circuitos e dispositivos funcionem adequada e de forma sincronizada, ou seja, tem por funções a busca, interpretação e controle de execução das instruções, e o controle dos demais componentes do computador.
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Unidade Central de Processamento
Funções da memória principal e da UCP
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Unidade Central de Processamento
Composição:
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Unidade Central de Processamento
Composição:
Representação gráfica mais detalhada com seus quatro componentes principais destacados de vermelho.
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Unidade Central de Processamento
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Unidade Central de Processamento
Atenção:
Memória e UCP são instalações, elas não executam nada,nelas são executadas tarefas;
Elas pertencem ao hardware, logo, prestam-se como locais de trabalho
A ”vida”, o ”movimento”, a ”alma” do computador são porconta do software;
O SO tem papel primordial de gerenciar os recursos de hardware.
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Unidade Central de Processamento
Registradores:
Registradores são dispositivos que servem como endereços para os operadores presentes em cada operação, além de outros propósitos especiais.
Exemplo:
Transferir o conteúdo do registrador nº 3 para o registrador nº 2.
Adicionar o conteúdo do registrador nº 4 ao conteúdo do registrador nº 1, armazenando o resultado no registrador nº 1.
Subtrair o conteúdo do registrador nº 1 do conteúdo do registrador nº 6, armazenando o resultado no registrador nº 6.
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Unidade Central de Processamento
Registradores:
Antes...
Depois...
Transferir o conteúdo do registrador nº 3 para o registrador nº 2.
Adicionar o conteúdo do registrador nº 4 ao conteúdo do registrador nº 1, armazenando o resultado no registrador nº 1.
Subtrair o conteúdo do registrador nº 1 do conteúdo do registrador nº 6, armazenando o resultado no registrador nº 6.
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Unidade Central de Processamento
Registradores Importantes:
Na UC:
CI - Contador de Instruções (em inglês: PC - Program Counter) - armazena o endereço da próxima instrução a ser executada - tem sempre o mesmo tamanho do REM;
RI - Registrador de Instrução (em inglês: IR - Instruction Register) - armazena a instrução a ser executada;
Na ULA:
ACC Acumulador (em inglês: ACC - Accumulator) - armazena os dados (de entrada e resultados) para as operações na ULA; o acumulador é um dos principais elementos que definem o tamanho da palavra do computador - o tamanho da palavra é igual ao tamanho do acumulador.
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Unidade Central de Processamento
Instruções:
Para que um programa possa ser executado por um computador, ele precisa ser constituído de uma série de instruções de máquina e estar armazenado em células sucessivas na memória principal;
A UCP é responsável pela execução das instruções que estão na memória;
Quem executa um programa é o hardware e o que ele espera encontrar é um programa em linguagem de máquina (uma seqüência de instruções de máquina em código binário);
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Unidade Central de Processamento
Instruções:
A linguagem de máquina é composta de códigos binários, representando instruções, endereços e dados e está totalmente vinculada ao conjunto ("set") de instruções da máquina;
O programa elaborado pelo programador (o código-fonte, composto de instruções complexas) precisa ser "traduzido" em pequenas operações elementares executáveis pelo hardware; 
Cada uma das instruções tem um código binário associado, que é o código da operação.
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Unidade Central de Processamento
Instruções (Analogia):
Um ser humano usa seu conhecimento e inteligência para traduzir uma tarefa complexa (tal como, por exemplo, a tarefa de buscar uma pasta num arquivo) numa série de passos elementares (identificar o móvel e gaveta onde está a pasta, andar até o móvel, abrir a gaveta, encontrar a pasta, retirar a pasta e fechar a gaveta).
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