CICLO DE MÁQUINA

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FACULDADE DE TECNOLOGIA RUBENS LARA
Ciclo de Máquina
Sumário
CICLO DE MÁQUINA	3
A Unidade Central de Processamento	3
Processador	3
Unidade de Controle	4
Unidade Lógica e Aritmética	4
Registradores	5
Memória Principal	6
A Execução de um Programa	6
Armazenamento de Instruções e dados	11
Referências Bibliográficas:	12
CICLO DE MÁQUINA
	A Unidade Central de Processamento
O computador executa seu principal trabalho em uma parte da máquina que não se pode ver que é um centro de controle que converte entrada de dados em saída de informação. Esse centro é denominado Unidade Central de Processamento (CPU) é um conjunto altamente amplo e complexo de circuitos eletrônicos que executam instruções armazenadas de um programa. Todos os computadores pequeno, médio e grande porte devem ter pelo menos uma CPU. 
Os computadores usam dois tipos principais de armazenamento: armazenamento primário e armazenamento secundário. O processador interage estreitamente com o armazenamento primário também chamado de memória ou memória principal. É nesse tipo de memória que ficam armazenados os programas ou parte deles a serem executados pelo processador. Portanto a memória principal armazena temporariamente as instruções e os dados enquanto o programa estiver sendo executado. O armazenamento secundário retém dados permanentes ou semipermanentes em uma determinada mídia externa - por exemplo, um disco - até que o computador precise desses dados para processá-Ios. 
	 Processador
Segundo Davis, o processador, também chamado Unidade Central de Processamento (Central Processing Unit) ou processador principal, é o componente que manipula os dados da memória principal e só pode operar mediante um programa de controle armazenado na mesma memória principal, uma vez que a "inteligência" de um computador decorre do software e não do hardware.
	Conforme Davis e Capron, um programa compõe-se de uma série de instruções, cada uma delas ordenando ao computador que realize uma de suas funções básicas: somar, subtrair, multiplicar, dividir, comparar, copiar e iniciar entrada ou saída de dados. As instruções têm um código de operação que especifica a função a ser realizada, e um ou mais operandos, que identificam os endereços dos dados que tomarão parte na operação.
Código de Operação
Operandos
1000
, 
1002
ADD
	O Processador é constituído basicamente da Unidade de Controle de instruções, que traz as instruções da memória principal, a Unidade Lógico-Aritmética (ALU) consiste em circuitos capazes de somar, subtrair, multiplicar etc. (o conjunto de instruções do computador) e os registradores, que armazenam temporariamente informações de controle, dados e resultados intermediários. 
Componentes básicos do processador
Clock
(relógio)
Unidade lógico-aritmética
Unidade de Controle da Instrução
Registradores
 Unidade de Controle
A unidade de controle contém circuitos que usam sinais elétricos para coordenar o todo o computador. Ela não executa instruções de programa, ela comanda outras partes do sistema para isso. Ela se comunica tanto com a unidade lógica e aritmética quanto com a memória principal.
Unidade Lógica e Aritmética
A Unidade Lógica e Aritmética (Arithmetic /Logic Unit - ALU) contém os circuitos eletrônicos que executam todas as operações lógicas e aritméticas. Como o próprio nome indica ALU executa as operações aritméticas e lógicas e comparações. Essa unidade pode comparar números, letras ou caracteres especiais para testar condições descritas a seguir. O computador então executa uma ação levando em conta se o teste produz um resultado verdadeiro ou falso. 
Capron diz que as operações lógicas podem testar três condições:
. Condição de igualdade. Em um teste da condição igual a, a ALU compara dois valores para determinar se são iguais.
. Condição menor que. Para testar a condição menor que, a ALU compara dois valores para determinar se o primeiro é menor do que o segundo. 
. Condição maior que. Ao testar a condição maior que, a ALU determina se o primeiro valor é maior do que o segundo. 
Além dessas três condições básicas, o computador pode testar um conjunto de condições: a condição menor que ou igual a, maior que ou igual a e menor que ou maior que. Observe que menor que ou maior que é a mesma coisa que não igual a.
Os símbolos que os programadores usam para informar ao computador que tipo de comparação executar é chamado de operadores relacionais. Os operadores relacionais mais comuns são: o sinal de igualdade (=), o símbolo menor que (<) e o símbolo maior que (>).
Introdução à Informática (H.L. Capron) –Capítulo –I -
Editora PEARSON Prentice Hall –pág.97
Registradores
Capron diz que os registradores são áreas de armazenamento temporário de alta velocidade que servem a propósitos especiais e destinam-se as instruções ou dados. Os registradores não fazem parte da memória principal, eles são áreas especiais de armazenamento temporário localizado dentro da própria CPU que oferecem a alta velocidade como vantagem. Os registradores são coordenados pela unidade de controle de modo que aceitem, guardem e transfiram instruções ou dados em alta velocidade. 
Os registradores que servem a propósitos especiais têm funções específicas. Eles podem manter a instrução armazenada no registrador chamado registrador de instruções, que está sendo executada em um determinado momento ou controlar onde a próxima instrução a ser executada será armazenada na memória esse registrador chama-se contador de instruções. O armazenamento na memória tanto de dados como de instruções é identificado por um endereço. Alguns projetos de CPU incluem registradores de uso geral, os chamados registradores de trabalho, que a unidade de controle pode usar para diferentes tarefas, quando necessário.
	Os registradores guardam dados que estão diretamente relacionados com a operação que está sendo executada. A memória principal ou primária armazena os dados que serão usados em breve. O armazenamento secundário mantém dados que podem ser necessários posteriormente na mesma execução do programa ou talvez em algum momento futuro.
Memória Principal
A memória principal é a parte do computador que mantêm dados e instruções a serem processados. Embora esteja estreitamente relacionada com o Processador, também é chamada por alguns autores CPU, a memória encontra-se em um lugar distinto. A memória primária armazena instruções de programa ou dados apenas enquanto o programa ao qual eles pertencem estiver em execução. A Memória RAM que faz parte da memória principal armazena programas, dados e informações solicitados pelo usuário, somente enquanto o computador está ligado e os dados se perdem quando a máquina é desligada. O armazenamento secundário é mais eficiente em termos de custo do que a memória principal (ou primária) ou simplesmente memória para armazenar grandes quantidades de dados. 
A CPU não pode processar os dados diretamente de um dispositivo de entrada ou disco: os dados precisam estar disponíveis primeiramente na memória principal. Como já foi dito anteriormente é tarefa da unidade de controle enviar as instruções e dados ao processador no momento certo, ou seja, quando a instrução a ser executada solicita esses dados. 
Depois de processado, o resultado é enviado à memória primária, onde é mantido até estar pronto para ser liberado, ou enviado, a um dispositivo de saída ou armazenamento. A principal característica da memória RAM é a possibilidade de rápido acesso a instruções e dados, independentemente do lugar em que estejam.
A Execução de um Programa
Davis diz que:para que um programa possa ser executado as instruções e os dados que fazem parte desse programa devem estar armazenados na memória principal através de um dispositivo de entrada ou de um dispositivo de armazenamento secundário. 
O processo tem início quando o clock gera um pulso de corrente que ativa a unidade de controle de instruções. Esta é responsávelpela decisão do que a máquina fará seguir. O endereço da próxima instrução a ser executada é encontrado no contador de instruções. O conteúdo deste endereço é lido pela unidade de controle de instrução, que irá solicitá-lo ao Gerenciador da Memória Principal colocá-lo no registrador de instruções.	
Enquanto busca e traz uma instrução da memória, a unidade de controle incrementa o contador de instruções, para que este passe a apontar para a próxima instrução a ser executada.
Em resposta ao comando de busca de instrução a primeira instrução é copiada da memória e armazenada no registrador de instruções. 
A Unidade de Controle decodifica a instrução (determina o que ela significa) e define a localização, na memória dos dados necessários. Essas quatro primeiras etapas juntas são chamadas de tempo de instrução ou I-time.
Observe que o contador de instruções aponta para a instrução seguinte. O trabalho da Unidade de controle se encerra temporariamente e será iniciado o trabalho da Unidade Aritmética e Lógica. ALA assume o controle e executa a instrução que pode ser lógica ou aritmética contida no registrador de instruções.
A unidade de controle garante que o dado solicitado na instrução seja armazenado no (registrador acumulador). Assim, o valor que se encontra no endereço 2000 é copiado da memória principal e armazenado no registrador de trabalho 2 (registrador acumulador). As duas últimas etapas são chamadas de tempo de execução ou E-time. A combinação de tempo de instrução (I-time) e tempo de execução (E- time) denomina-se ciclo de máquina. O Tempo-I é o tempo que uma instrução demora a ser copiada da memória principal para o registrador de instruções dentro do processador. Tempo-E é o tempo que uma instrução demora a ser executada.
No início do próximo ciclo, a unidade de controle retoma o controle, busca no contador de instruções o endereço da próxima instrução e o recomeça a partir do item A com as instruções seguintes. O ciclo de máquina é repetido até que todas as instruções sejam executadas.
Observe a figura abaixo que ilustra os quatro principais passos para a execução de uma instrução:
Capron conclui que toda CPU tem um clock que produz pulsos a uma taxa fixa para sincronizar todas as operações do computador. Note que esse não é o relógio (clock) que o computador usa para controlar a data e à hora, mas um chip distinto. Uma única instrução de programa pode ser composta de um número substancial de instruções de máquina. Cada uma ocupa pelo menos um ciclo de máquina. Cada tipo de unidade central de processamento é projetado para entender um grupo específico de instruções, como ADD (adicionar) ou MOVE (mover), denominadas conjunto de instruções da linguagem Assembly. Há muitos conjuntos de instruções diferentes para atender tipos distintos de CPU. 
	Exemplo de um ciclo de máquina em ação:
	
Capron elaborou um programa exemplo para encontrar a média de cinco pontuações de exame. Para isso, deve totalizar as cinco pontuações e depois dividir o resultado por cinco. O programa inicia fixando o total zero. Depois, adiciona cada um dos cinco números, um por vez, ao total. Suponha que as pontuações sejam 88, 76, 91,83 e 87. Nesse cálculo, o total foi fixado em 0 e, depois, 88, a primeira pontuação do exame, foi adicionada. Observe o ciclo de máquina quando ele adiciona a pontuação seguinte, 76, ao total. Siga as quatro etapas do ciclo de máquina. (1) Captar; a unidade de controle capta a instrução ADD da memória. (2) Decodificar: a unidade de controle decodifica a instrução ADD. Ela determina que a adição deva ser efetuada e fornece instruções para que o número seguinte, 76, seja colocado em um registrador para esse propósito. O total atual, 88, já está no acumulador. (3) Executar: o número seguinte, 76, é colocado em um registrador. A ALU faz a adição, aumentando o total para 164. (4) Armazenar: nesse caso, a ALU armazena o resultado no acumulador, em vez da memória, porque ainda é necessário adicionar mais números a ela. O novo total, 164, substitui o total anterior, 88.
Armazenamento de Instruções e dados
A localização de cada instrução e de cada dado na memória é identificada por um endereço. Cada localização tem um número de endereço, à semelhança das caixas postais na entrada de um prédio de apartamentos. E, como as caixas postais, o número de endereço da localização permanece o mesmo, mas o conteúdo (instruções e dados) pode mudar. Novas instruções ou novos dados podem ser substituídos nessas localizações quando o conteúdo antigo não precisar mais ser armazenado na memória. Diferentemente de uma caixa postal, uma localização na memória pode conter somente uma instrução ou um dado por vez. Quando uma nova instrução - ou dado - é colocada em uma localização da memória, o conteúdo 
anterior dessa localização é destruído.
A figura abaixo ilustra como um programa manipula dados na memória. Um programa de folha de pagamento, por exemplo, pode dar instruções para colocar o índice de pagamento na localização 3 e o número de horas trabalhadas na localização 6. Para computar o salário do funcionário, as instruções dizem ao computador para multiplicar os dados da localização 3 pelos dados da localização 6 e transferir o resultado para a localização 8. A escolha das localizações é arbitrária - toda localização que ainda não foi ocupada pode ser usada. Os programadores que usam linguagens de programação, não precisam se preocupar com os números de endereço reais, porque cada endereço de dados pode receber um nome significativo. Esse nome é chamado de endereço simbólico. Nesse exemplo, os nomes de endereço simbólico são: Índice, Horas e Salário. 
Referências Bibliográficas:
Livro: Sistemas Operacionais- Uma visão sistemática
	Autor: Willian Davis
	Editora: Campus
	Capítulos utilizados: 2 e 4.
	Disponível na biblioteca.
Livro: Introdução à Informática 
	Autor: H. L. Capron
	Editora: Pearson – Prentice Hall
Capítulo 4- Unidade Central de Processamento: o que acontece dentro do computador.
 Livro não disponível na biblioteca.