Arquitetura de Computadores - K&S ParteI

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Tecnologia e Computação – Campus Canoas Área: 
Curso: 
Disciplina: 
Cursos de Computação 
 Arquitetura e Organização I Edemar Costa Oliveira Professor : 
Verificação: 
Aula Nº: 1 
G1 G2 
Trabalho 
 
 
Tradução do capítulo 14 de 
"A Balanced Introduction to Computer Science and Programming" 
de David Reed, Creighton University, Prentice Hall 
 
 
Dentro do Computador - A arquitetura de von Neumann 
Parte I 
Como foi estudado, virtualmente todos os computadores modernos tem o mesmo esquema básico, conhecido 
como arquitetura de von Neumann. Este esquema divide o hardware de um computador em três componentes 
principais: 
• Memória, 
• Unidade Central de Processamento (UCP ou CPU) e 
• Dispositivos de entrada e saída. 
A memória armazena dados e instruções de programas. A CPU é encarregada de buscar as instruções e dados da 
memória, executar as instruções e então armazenar os valores resultantes de volta na memória. Os dispositivos 
de entrada (tais como teclado, mouse e microfone) e dispositivos de saída (tais como a tela, alto falantes e 
impressora) possibilitam a interação com o usuário, permitindo que as pessoas forneçam entradas e exibindo 
dados, instruções e os resultados das computações. 
Este capítulo explora os detalhes da arquitetura de von Neumann, descrevendo o funcionamento interno de um 
computador. As explicações são dadas de maneira incremental, partindo de um modelo simples de Parte 
Operativa de CPU e então acrescentando a memória principal e depois uma Unidade de Controle. Quando 
combinados com dispositivos de entrada e de saída, estes componentes representam um modelo preciso (apesar 
de simplificado) de um computador programável moderno. Para facilitar o aprendizado, são utilizados 
simuladores (desenvolvidos por Grant Braught do Dickinson College) para cada modelo. 
Subunidades e Parte Operativa da CPU 
Como visto no capítulo1, a CPU age como o cérebro do computador. Ela é responsável por obter dados e 
instruções a partir da memória, executar as instruções e armazenar os resultados de volta na memória. O 
conjunto de instruções que uma dada CPU de um computador pode entender e executar é conhecido como a 
linguagem de máquina do computador. 
Os programadores podem controlar o comportamento de um computador definindo instruções para sua CPU - 
isto pode ser realizado seja escrevendo programas diretamente em linguagem de máquina ou escrevendo 
programas em uma linguagem de alto nível e então traduzindo para linguagem de máquina. Mesmo programas 
que exibem um comportamento complexo são especificados para a CPU como sequências de instruções simples 
de linguagem de máquina, cada uma executando uma tarefa que não é mais complexa do que somar dois 
números ou copiar dados para uma nova posição na memória. 
No entanto, A CPU pode executar estas instruções de maneira tão rápida que pode ser obtido um 
comportamento complexo do computador. 
 
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Subunidades da CPU 
A CPU é composta de várias subunidades, cada uma com uma função específica na operação do processador 
como um todo. Estas subunidades são a Unidade Logico-Aritmética (ULA), registradores e Unidade de Controle. 
• A Unidade Logico-Aritmética é uma coleção de circuitos que realizam as operações sobre os dados. As 
operações básicas podem incluir adição, subtração e manipulações de bit (tais como deslocamento ou 
combinação de bits) 
• Registradores são posições de memória construídas dentro da CPU. Como os registradores são integrados 
diretamente nos circuitos da CPU, os dados nos registradores podem ser acessados muito mais 
rapidamente (5 a 10 vezes mais rápido) do que dados na memória principal. No entanto, devido ao 
número limitado de registradores na CPU (usualmente 16 ou 32 registradores), estas posições de 
memória são reservadas para dados que a CPU está usando em um dado momento. Para funcionar de 
maneira efetiva, o computador deve copiar dados constantemente entre os registradores e a memória. 
Estas transferências ocorrem através de coleção de conexões chamadas barramentos, que conectam os 
registradores com a ULA e com a memória principal. 
• A Unidade de Controle Unit pode ser vista como "o cérebro dentro do cérebro", pois ela controla as várias 
funções da CPU. A Unidade de Controle é formada de circuitos que realizam a busca de dados e instruções 
a partir da memória principal, bem como controla o fluxo de dados dos registradores para a ULA e da ULA 
para os registradores. 
 
Figura 14.1: Subunidades da Unidade Central de Processamento (CPU). 
 
Ciclos da Parte Operativa da CPU 
Os caminhos que os dados seguem dentro da CPU, viajando através de barramentos a partir dos registradores 
para a ULA e então de volta para os registradores é conhecido como Parte Operativa da CPU. Todas as tarefas 
realizadas por um computador, desde formatar um documento até exibir páginas em um navegador Web, são 
decompostas em sequências de operações simples; o computador executa cada operação individual 
movimentando dados dos registradores para a ULA, executando computações sobre estes dados na ULA e então 
armazenam o resultado nos registradores. Uma passagem completa pela Parte Operativa da CPU (dos 
registradores passando pelos barramentos e ULA e voltando aos registradores) é chamado de ciclo da Parte 
Operativa, ou ainda ciclo da CPU. 
 
 
 
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Trabalho 
 
 
A velocidade da CPU é medida pelo número de instruções que a CPU pode executar em um segundo. Como cada 
instrução precisa de um ciclo de CPU para executar, a velocidade da CPU corresponde diretamente ao número de 
ciclos de CPU que ocorrem por segundo. Por exemplo, uma CPU de 800 MHz é capaz de executar 800 milhões de 
ciclos em um único segundo, enquanto uma CPU de 1,4 GHz é capaz de executar 1,4 bilhões de ciclos de CPU em 
um segundo. No entanto, não se pode avaliar CPUs somente comparando a velocidade dos processadores, pois 
duas linguagens de máquina diferentes podem dividir a mesma tarefa em diferentes conjuntos de instruções e 
um conjunto de instruções pode ser mais eficiente que o outro. Isto é, uma CPU pode ser capaz de completar 
uma dada tarefa em um único ciclo, enquanto outra pode precisar de vários ciclos para completar a mesma 
tarefa. Para comparar o desempenho de CPUs, deve-se considerar o conjunto de instruções de cada CPU, bem 
como fatores como o número de registradores e tamanho dos barramentos que transportam os dados entre os 
componentes. 
Simulador de Parte Operativa - http://www.dave-reed.com/book/Chapter14/ 
Para ajudar a visualizar o comportamento da parte operativa da CPU, vamos usar um simulador. O Simulador de 
Parte Operativa da CPU (K_S/KandS/datapath.html) modela uma CPU simples contendo quatro registradores. 
Usando o simulador, você pode seguir o fluxo dos dados à medida que eles trafegam pela parte operativa da CPU, 
a partir dos registradores para a ULA e de volta para os registradores. Para deixar as coisas simples, não é incluída 
uma Unidade de Controle explícita neste simulador. Ao invés disto, o usuário deve agir como a Unidade de 
Controle, selecionando os registradores de entrada, a função da ULA e o registrador de saída clicando nos botões 
do simulador. 
As figuras 14.2 até 14.5 demonstram o uso do simulador para somar dois números - uma tarefa que pode ser 
realizada em umúnico ciclo de CPU. 
Este simulador usa caixas de texto para representar 
registradores, possibilitando ao usuário entrar com dados 
digitando nas caixas. Os botões, que permitem ao usuário 
especificar como os dados movem ao longo da parte 
operativa da CPU e que operações a ULA executa sobre os 
dados, são imagens que mudam quando o usuário clica nelas. 
Na figura 14.2, o usuário entrou os números 43 e 296 nos 
registradores R0 e R1, respectivamente. Depois de entrar 
estes valores, o usuário clicou no botão do barramento A 
para selecionar R0 e no botão do barramento B para 
selecionar R1. 
Isto fará com que os números armazenados nestes dois 
registradores sejam transferidos através dos barramentos 
indicados para a ULA, a qual executará uma operação sobre 
eles. Como o usuário posicionou o botão de operação da ULA 
para adição e o botão do barramento C para R2, a ULA fará a 
soma dos dois números e o resultado será transferido através 
do barramento C para ser armazenado no registrador R2. 
 
 
 
• 
Figura 14.2: Configuração inicial do simulador. 
 
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• Depois de entrar com os ajustes desejados, o usuário 
inicia o ciclo de CPU no simulador clicando no botão 
rotulado Execute. A figura 14.3 mostra o estado da CPU a 
medida que os valores em R0 e R1 trafegam através dos 
barramentos A e B para a ULA. As setas que representam 
os barramentos piscam em vermelho e os números sendo 
transferidos são mostrados em caixas de texto próximas 
aos barramentos 
 
• A figura 14.4 ilustra o estado da CPU depois que a ULA 
recebeu os números e executou a operação especificada. 
Como o usuário colocou o botão de operação da ULA na 
posição da soma, a ULA soma os dois números, 43 e -296. 
O resultado -253 é enviado para fora da ULA através do 
barramento C. 
 
• Finalmente, a figura 14.5 mostra o resultado final do ciclo 
de CPU. Como o usuário colocou o botão do barramento 
C para a posição do registrador R2, o valor -253 é enviado 
através do barramento C e é armazenado no registrador R2. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 14.4: Dados trafegando da ULA para 
os registradores. 
 
Figura 14.3: Dados movendo dos 
registradores para a ULA. 
 
Figura 14.5: Resultado final do ciclo de CPU. 
CPU e Memória Principal