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Fundamentos da Computação Prof. Inaldo Capistrano Costa BICT / UFMA Baseado nas aulas do Prof. Dr. Alex Oliveira Barradas Filho Arquitetura de computadores Conceitos Organização do computador: Refere-se às unidades operacionais e suas interconexões necessárias para implementar as especificações de uma arquitetura. Exemplos: Unidade central de processamento; Unidade de memória; Barramentos; Entre outros. Conceitos Funções básicas de um computador: Processamento; Armazenamento; Transferência de dados; Controle. Conceitos Funções básicas de um computador: Conceitos Tipos de operações: (a): Transferência de dados de um periférico para outro. Conceitos Tipos de operações: (b): Armazenamento de dados. Conceitos Tipos de operações: (c): Processamento e armazenamento. Conceitos Tipos de operações: (d): Processamento do armazenamento para E/S. Por onde começar? Arquitetura Máquina de Von Neumann: IAS (1952); A maioria das máquinas atuais utilizam esse projeto; Conceito de programa armazenado; Influência de Alan Turing. Execução sequencial de instruções; Paradigma Imperativo. Máquina binária. Arquitetura de Von Neumann Estrutura do computador IAS Arquitetura de Von Neumann Unidade lógica e aritmética (ULA): Capaz de operar com dados binários; Execução das instruções (operações lógicas e aritméticas). Unidade de controle (UC): Interpreta as instruções (memória) e faz com que seja executada; Determina a sequência das instruções a serem executadas. Arquitetura de Von Neumann Memória principal: Armazena os dados e instruções. Entrada / Saída (E/S): Comunicação externa; Interatividade com o usuário. Arquitetura de Von Neumann Considerações importantes: Nota 1: Deverá executar operações aritméticas com mais frequência. É razoável conter uma unidade específica (ULA) para essas operações. Nota 2: O controle lógico, a sequência correta das suas operações, pode ser realizada mais eficientemente por uma unidade de controle central. Arquitetura de Von Neumann Considerações importantes: Nota 3: Qualquer dispositivo que é a realização de sequências longas e complexas de operações deve conter uma memória. Nota 4: O dispositivo deve conter unidades de transferências de dados (Entrada/Saída). - Nota: As três partes específicas ULA, UC e memória são análogos aos neurônios do sistema nervoso humano. - Nota: As três partes específicas ULA, UC e memória são análogos aos neurônios do sistema nervoso humano. Memória Memória - Von Neumann Características: Unidade com mil posições de memória, denominadas de palavras, cada uma constituída por 40 bits; Uma palavra pode conter duas instruções de 20 bits; Armazena tanto dados como instruções; Os números são representados por 39 bits. Alguns cientistas da computação (em especial, os britânicos) usam o termo armazenagem. Memória - Von Neumann Código de operações Hierarquia de memórias Memória Registradores: Função: Armazenar dados destinados a serem, em algum momento, utilizados pelo processador. Necessidade: Do processador de armazenar temporariamente dados intermediários durante um processamento. Exemplo: Quando um dado resultado de operação precisa ser armazenado até que o resultado de uma busca da memória esteja disponível para juntos realizar uma nova operação. Memória Cache: Função: Acelerar a velocidade de transferência das informações entre processador e memória principal. Necessidade: Diminuir o atraso gerado pela transferência de dados entre a memória e o processador. A memória cache é um tipo de memória construída com tecnologias semelhantes às dos processadores. Memória Memória principal: Indispensável para o funcionamento do computador moderno. Tipos de memória principal: RAM – Random Access Memory; ROM – Read Only Memory. Memória RAM: Memória do tipo volátil; O conteúdo fica armazenado enquanto o computador estiver ligado (energizado); Exemplo de padrões disponíveis: DDR (Double Data Rate): Duplicam o desempenho da memória, possibilitando a transferência de dois lotes de dados – por ciclo de clock. DDR-2: Transferência de quatro lotes de dados por ciclo de clock e menor consumo de energia que a DDR original. DDR-3: Transferência de oito lotes de dados por ciclo de clock e menor consumo de energia que a anterior. Memória ROM: A memória não é do tipo volátil; Podem ser classificadas em: PROM (Programmable Read-Only Memory): A gravação é realizada por meio de aparelhos que trabalham através de uma reação física cm elementos elétricos. Uma vez que isso ocorre, os dados não podem ser apagados. EPROM (Erasable Programmable Read-Only Memory): Permite que dados sejam regravados no dispositivos. Isto é feito com o auxílio de um componente que emite luz ultravioleta. Memória ROM: Podem ser classificadas em (continuação): EEPROM (Electrically-Erasable Programmable Read-Only Memory): Permite a gravação de dados; no entanto, o processo para apagar e gravar dados são feitos eletricamente. Não é necessário mover o dispositivo de seu lugar para um aparelho especial como no caso da EPROM. EAROM (Electrically-Alterable Programmable Read-Only Memory): Os dados gravados podem ser alterados aos poucos. Memória Memória secundária: Memória de massa; Grande capacidade de armazenamento; Não é volátil; Menor custo por byte armazenado; Não possui acesso direto pelo processador; Exemplos: Discos rígidos; CD/DVD; Pen-drive; Entre outros. Características básicas dos tipos de memória Memória Conceitos importantes para pesquisar: Endereços de memória; Ordenação de bytes; Códigos de correção de erro. Unidade central de processamento Unidade central de processamento Instruções: Comandos fornecidos ao computador para executar uma tarefa específica (soma, teste e entre outras); Umas séria dessas instruções constituem um programa; As instruções e os dados devem residir na memória principal, e dispostas sequencialmente. Unidade central de processamento As unidades UC e ULA contém localizações de armazenamento denominados de registrador: Memory buffer register (MBR); Memory address register (MAR); Instruction register (IR); Instruction buffer register (IBR); Program conter (PC); Accumulator (AC) and multiplier quotient (MQ). Registrador de propósito geral Usado para armazenar resultados intermediários. Unidade central de processamento Registrador MBR Contém o dado a ser lido ou escrito na memória ou nos dispositivos de E/S. Registrador MAR Contém o endereço da posição da memória a ser escrita ou lida dentro do MBR. Unidade central de processamento Registrador IR Contém o código da instrução (opcode) em 8 bits da operação a ser executada. Registrador IBR Empregado para armazenar temporariamente a instrução da direita de um dado na memória. Unidade central de processamento Registrador AC e MQ Empregado para armazenar temporariamente operandos e resultados das operações da ULA. Exemplo: o resultado de multiplicar dois números de 40 bits é um número de 80 bits. Os 40 bits mais significantes são armazenados em AC e os menos significantes em MQ. Registrador PC Contém o endereço do próximo par de instruções a ser buscado na memória. Ciclo de execução Busca Decodificação ExecuçãoUnidade central de processamento Ciclo de execução: Busca: A instrução é lida na memória. Decodificação: Determina-se a instrução a ser executada. Execução: Para cada tipo de instrução é realizada sua execução (conforme necessário). Ciclo de execução: é o período de tempo no qual um computador lê e processa uma instrução em linguagem de máquina da sua memória. Ciclo de execução: é o período de tempo no qual um computador lê e processa uma instrução em linguagem de máquina da sua memória. Unidade central de processamento Gargalo de von Neumann: Tráfego intenso no barramento do sistema: Principal rota da informação (CPU e memória); Constante fluxo de dados e instruções; CPU em espera (desperdício de tempo). Unidade central de processamento Conceitos importantes para pesquisar: Pipelining (paralelismo); RISC (Reduced Instruction Set Computer); CISC (Complex Instruction Set Computer). Entrada / Saída Entrada / Saída Dispositivos de E/S: Elementos que permitem a interface do usuário com o computador; Funções: Receber ou enviar informações ao meio exterior; Converter as informações em uma forma inteligível para a máquina (caso esteja recebendo) ou para o programador ou usuário (caso esteja enviando). Exemplos: Impressoras, monitores, teclados e entre outros. Entrada / Saída Barramento: Caminho físico pelo qual os dados são transferidos entre os componentes dos sistemas de computação; Possuem três tipos principais: Barramento de dados: Transfere dados entre os componentes. Barramento de endereços: Transfere endereço entre os componentes. Barramento de controle: Transfere sinais de controle entre os componentes. Entrada / Saída Barramento: Obrigado! Slide 1 Slide 2 Revisão Revisão Revisão Revisão Revisão Revisão Revisão Slide 10 Revisão Arquitetura de Von Neumann Arquitetura de Von Neumann Arquitetura de Von Neumann Arquitetura de Von Neumann Arquitetura de Von Neumann Slide 17 Memória - Von Neumann Memória - Von Neumann Hierarquia de memórias Memória Memória Memória Memória Memória Memória Memória Características básicas dos tipos de memória Memória Slide 30 Unidade central de processamento Unidade central de processamento Unidade central de processamento Unidade central de processamento Unidade central de processamento Ciclo de execução Unidade central de processamento Unidade central de processamento Unidade central de processamento Slide 40 Entrada / Saída Entrada / Saída Entrada / Saída Obrigado!