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Arquitetura e Organizacao de Computadores

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ARQUITETURA E ORGANIZAÇÃO 
DE COMPUTADORES
Prof. MSc. Jefferson Sena
Unidade I
Conceitos Básicos
Introdução
 A arquitetura de um computador é a teoria por 
detrás do desenho de um computador.
 É a estrutura e a organização do hardware, ou 
seja, refere-se ao funcionamento interno do 
computador.
 Arquitetura x Organização
Arquitetura x Organização
 Arquitetura refere-se aos atributos que são visíveis 
para o programador, ou seja, os atributos que tem 
impacto direto na execução do programa.
 Atributos:
 Conjunto de instruções
 Número de bits
Mecanismos de E/S
Arquitetura x Organização
 Organização diz respeito às unidades operacionais 
e suas interconexões que implementam as 
especificações de sua arquitetura, ou seja, como as 
características da arquitetura será implementada.
 Atributos:
 Sinais de controle
 Tecnologia de memória, tecnologia de transistores etc.
Arquitetura x Organização
 Especificar se um computador deve ou não ter uma 
instrução de multiplicação constitui uma decisão de 
projeto de ... 
 Definir se essa instrução será implementada por 
uma unidade específica de multiplicação ou por um 
mecanismo que utiliza repetidamente sua unidade 
de soma é uma decisão de ... 
Arquitetura
Organização
Arquitetura x Organização
 Exemplo
 Todo processador Intel da família x86 compartilham 
a mesma arquitetura básica. 
 No entanto, a organização difere de uma versão para 
outra. 
 Conclusão
 uma organização deve ser projetada para 
implementar uma especificação particular de 
arquitetura. 
Arquitetura X Organização
Organização
 Tecnologia de 
memória
 Interfaces
 Implementação das 
instruções
 interconexões
 Repertório de 
instruções
 Tipos de Dados
 Modos de 
endereçamento
 Conjunto de 
registradores
Arquitetura
Organização Básica
Unidade 
Lógica e 
Aritmétic
a
Unidade 
de 
Controle
Memória
Unidade 
de 
Entrada
Unidade 
de 
Saída
Unidade Central de Processamento
Arquitetura de Computadores
 Unidade Central de Processamento (UCP) 
 Composta de:
 Unidade Lógica e Aritmética (ULA)
 Unidade de Controle
 Unidade de Controle
 onde os códigos (instruções), que representam as operações
a serem realizadas, são identificados e através da qual os
dados são obtidos da memória;
 código de operação: identifica a operação a ser feita
 código de operando: dados necessários à execução da
operação
Software básico 
 Linguagens de programação
 conjunto de convenções e regras que especificam como instruir 
o computador a executar determinadas tarefas
 serve como meio de comunicação entre o indivíduo que deseja 
resolver um determinado problema e o computador 
 Gerações de linguagens
 1ª geração: linguagens em nível de máquina
 2ª geração: linguagens de montagem (Assembly)
 3ª geração: linguagens orientadas ao usuário
 4ª geração: linguagens orientadas à aplicação
 5ª geração: linguagens de conhecimento
Software 
 Software aplicativo
 aplicações criadas para solucionar problemas específicos
 Exemplos
 contabilidade, folha de pagamento, correção de provas
 Software básico
 conjunto de softwares que permite ao usuário criar, depurar e 
modificar as aplicações criadas por ele
 sistema operacional, linguagens de programação, utilitários
 Sistema operacional 
 Gerência de memória
 Gerência de processador
 Gerência de arquivos
 Gerência de dispositivos de E/S
Entrada e Saída de Dados
 I/O é um sigla para Input/Output.
 indica entrada (inserção) de dados por meio de 
algum código ou programa, para algum outro 
programa ou hardware;
 bem como a sua saída (obtenção de dados) ou 
retorno de dados, como resultado de alguma 
operação de algum programa.
São exemplos de unidades de entrada de um computador: 
 disco rígido, 
 microfone, 
 teclado, 
 mouse, 
 Tela Sensível ao toque, 
 Scanner, 
 Leitor de código de barras, 
 Celular, 
 Pendrive, 
 Máquina fotográfica digital, 
 Webcam,
 joysticks e outros acessorios de jogos.
São exemplos de unidades de saída de um 
computador: 
 monitor, 
 caixas de som, 
 impressora, 
 disco rígido.
Processadores
Organização geral de um computador: 
processador + memória principal + periféricos de E/S 
Organização de um Sistema de 
Computação
Memória
Principal
Dispositivos de
Entrada e Saída
Discos
Monitor
Impressora
Outros
Periférico
Controlador
Dispositivos de
Armazenamento
Interface
Via de Comunicação (Barramentos)
Unidade Central
de Processamento
ou
Processador
Arquitetura de um Sistema de 
Computação
Aplicações & Utilitários
Sistema Operacional
Basic Input Output System (BIOS)
Hardware
Unidade II
Portas lógicas e circuitos
Operações lógicas
 As operações lógicas são estudadas pela álgebra 
de boole (George Boole)
 A álgebra de Boole trabalha com apenas duas 
grandezas: falso ou verdadeiro.
 As duas grandezas são representadas por 0 (falso) 
e 1 (verdadeiro). 
 Nos circuitos lógicos do computador, os sinais 
binários são representados por níveis de tensão.
Portas lógicas
 As portas lógicas são os elementos mais básicos e 
elementares de um sistema de computação. 
 Elas são responsáveis por realizar as operações 
lógicas sobre os bits. 
 Os valores de entrada e saída são números 
binários. 
 Cada porta lógica realiza uma tarefa trivial.
Circuitos
 As portas lógicas são encontradas no mercado 
encapsuladas em chips de silício.
Circuitos
 É um conjunto de portas lógicas interligadas para 
resolver um problema maior.
 Para facilitar o desenvolvimento, em primeiro 
lugar, deve-se montar uma expressão booleana 
e, em seguida, partir para a implementação do 
circuito propriamente dito.
Como converter uma tabela verdade em um circuito 
lógico?
Circuitos
a b ci co
0 0 0 0
0 0 1 0
0 1 0 0
0 1 1 1
1 0 0 0
1 0 1 1
1 1 0 1
1 1 1 1
a
b
c
i
c
o
????
Unidade III
Processadores
Processador
 A função de um computador é executar tarefas com 
a finalidade de resolver problemas.
 Uma tarefa pode ser executada por meio de uma 
seqüência ordenada de instruções de máquina. 
 O processador é o componente responsável pelo 
processamento de instruções e de dados. 
Processador
 O processador é constituído por centenas de 
transistores.
 As portas lógicas são implementadas fisicamente 
por meio de transistores.
Diferentes encapsulamento de transistores. 
Processador
 O processador é dividido em três partes:
Componentes do Processador
 ULA (Unidade Lógica e Aritmética)
 É onde as operações lógicas e aritméticas são 
realizadas.
 Unidade de controle
 Controla a execução de qualquer instrução dentro do 
processador.
 Define o que tem que ser feito a cada momento.
 Decodifica a instrução e gera os sinais de controle 
para as unidades funcionais.
Componentes do Processador
 Registradores
 Pequenas memórias dentro do processador.
 Armazenam dados que estão sendo executados no 
momento.
 Dois tipos:
 Registradores de propósito geral
 Registradores específicos
Barramento
 Conjunto de condutores por meio dos quais as 
informações trafegam de uma parte do 
computador para outra
Instruções
 Representação elementar que gera uma ação em 
um computador. 
 Determina o que o computador deve fazer naquele 
instante.Um programa é composto por muitas 
instruções, que são executadas de forma ordenada 
pelo processador.
 Estrutura de uma instrução
00000010001100100100000000100000
add $t0, $s1, $s2
Tipos de instruções
 Matemáticas e lógicas
 Soma, subtração, and, or...
 Movimentação de dados
 registrador – registrador; registrador – memória; 
memória – registrador.
 Entrada/Saída
 Controle
 Instruções de salto
Arquitetura de Computadores
 Quanto ao número de processadores
 monoprocessamento: apenas 1 processador, 1 memória 
principal, vários programas podem compartilhar o mesmo 
processador (ex: “time-sharing” - cada programa tem um 
tempo para usar o processador);
 multiprocessamento: mais de um processador, podem 
compartilhar memória ou não, podem executar vários 
programas ao mesmo tempo ou dividir um.
Unidade IV
Memória
Tipos de memória
 RAM (Random Access Memory)
 É uma memória volátil de escrita e leitura. 
 É aleatória porque permite o acesso direto ao dado 
que será lido ou escrito, sem a necessidade de passar 
por todas as outras posições de memória.
 Estática (SRAM): armazenada em FLIP-FLOP.
 Dinâmica (DRAM): armazenada em capacitor, necessitando 
de refresh.
Tipos de memória
 ROM (Read Only Memory)
 É uma memória apenas de leitura, e não-volátil. 
Os dados são previamente gravados pelos fabricantes.
 as instruções de um processador 
 um programa de controle de temperatura em um 
microcontrolador.
Tipos de memória
 PROM (Programmable Read Only Memory)
 É uma memória somente leitura programável e não-
volátil.
 Sua programação pode ser feita pelo próprio usuário 
por meio de um dispositivo apropriado denominado 
gravador.
 Uma vez gravado, não pode ser mais alterado nem 
apagado.
Tipos de memória
 EPROM (Erasable Programmable Read Only 
Memory)
 É uma memória somente leitura programável e 
apagável e não-volátil. 
 Pode ser programada pelo usuário e, com determinado 
tempo de exposição à luz ultravioleta em certo ponto 
do chip, todo seu conteúdo é apagado, podendo, 
portanto ser reprogramado novamente
Tipos de memória
 EEPROM (Eletric Erasable Programmable Read 
Only Memory)
 É uma memória somente leitura programável e 
apagável e não-volátil. 
 Pode ser programada pelo usuário e pode ser 
apagada utilizando sinais elétricos ao invés de luz 
ultravioleta.
Tipos de memória
 Flash
 É uma evolução da memória EEPROM. 
 Enquanto a EEPROM precisa ser totalmente apagada 
para ser reprogramada, a memória Flash pode ser 
apagada parcialmente, proporcionando, assim, maior 
facilidade na hora de fazer alterações em sua 
programação.
Muito utilizada em celulares, palms, câmeras digitais, 
videogames etc.
Tipos de memória
 Registradores
 O Registrador de uma unidade central de
processamento é um tipo de memória de
pequena capacidade porém muito rápida,
utilizada no armazenamento temporário
durante o processamento
Níveis de memória
 Diferentes velocidades de acesso
 Memória Cache
 altíssima velocidade de acesso 
 acelerar o processo de busca de informações na memória
 localizada logicamente entre o processador e a memória principal 
 pode tanto integrar o microprocessador (cache interna), como consistir de chips adicionais 
instalados na placa-mãe do micro (cache externa)
 tamanho tipicamente pequeno 
 Memórias Auxiliar e Auxiliar-Backup
 discos, CDs e fitas
Cache 
RAM 
Auxiliar
Auxiliar-Backup 
Pequeno 
Grande
Alto(a) 
Baixo(a)
Hierarquia de memórias
Contexto de Software
Programa em Linguagem
de Alto Nível
Programa em 
Linguagem Assembly
Comandos de Alto Nível
Instruções da Arquitetura
Compilador
Assembler
Linker/Loader
Programa Executável
Instruções
 Programa
 seqüência de instruções
 Computador análisa e executa uma a uma 
 Execução ocorre na ULA, sob coordenação da UC
 Na execução:
 instruções e dados estão na memória
 são trazidos da memória para a CPU
 UC análisa a instrução
Exemplo
A-processador (UCP-
CPU)
B-MemoriaRAM
C-Slots de Expansão
D-Cabo de força
E-Drivers fixos como 
disquete
F1-Bateria
F2-BIOS
G-conectores 
USB,impressora
H-Furos para prender a 
placa
I-chip de controle da 
placa
(barramentos)
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