Aula 5 -Arquitetura de Computadores 2

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Arquitetura de Computadores II
Aula 5
OBJETIVOS
Entender Arquitetura dos componentes principais:
✓ Processador
✓ CPU
✓ Memória
✓ Entrada e Saída
Arquitetura de Computadores
CPU – Unidade Central de Processamento
A unidade central de processamento ou CPU, também conhecida como processador, é a parte de um sistema
computacional, que realiza as instruções de um programa de computador, para executar a aritmética básica, lógica
entrada e saída de dados.
Arquitetura por Jhon von Newmann
A máquina proposta por Von Neumann reúne os seguintes 
componentes:
1.Uma Memória
2.Uma Unidade Aritmética e Lógica (ULA/ALU)
3.Uma Unidade de Controle (UC)
Função da CPU: buscar um programa na memória,
instrução por instrução, e executá-lo sobre os
dados de entrada.
Gargalo de Von NewmannDécada de 50
Inspirado pela máquina de Alan Turing, ele criou 
ENIAC, ILLIAC e ORDIVAC
Arquitetura de uma CPU
Uma CPU reúne os seguintes componentes:
1.Uma Memória (Registradores)
2.Uma Unidade Aritmética e Lógica (ULA/ALU)
3.Uma Unidade de Controle (UC)
Função: buscar um programa na memória, instrução
por instrução, e executá-lo sobre os dados de entrada.
Ciclo de instrução:
✓ Busca instrução;
✓ Decodifica a instrução;
✓ Busca operandos;
✓ Executa a instrução;
✓ Escreve os resultados;
✓ Retorna ao primeiro passo.
Processadores
CISC x RISC
CISC – Instruções Complexas para o Computador - Vários ciclos de processamento para 
processar uma instrução
✓ Um número reduzido de registradores, 
✓ Vários modos de endereçamento
✓ Processamento controlado por microprograma.
RISC – Instruções Reduzidas para o Computador - Um ciclo de processamento para 
processar uma instrução
✓ Execução otimizada de Chamada de Funções (CALL);
✓ Menor quantidade de modos de endereçamento;
✓ Modo de execução com Pipelining.
CISC e RISC podem definir o melhor ou pior desempenho do Processador.
Processadores
CISC x RISC
Arquitetura de Computadores
ULA – Unidade Lógica Aritimética
ALU – Arithmetic Logic Unit
A ULA executa as principais operações lógicas e aritméticas do computador. Ela soma, subtrai, divide, determina se 
um número é positivo ou negativo ou se é zero. Além de executar funções aritméticas, uma ULA deve ser capaz de 
determinar se uma quantidade é menor ou maior que outra e quando quantidades são iguais.
Arquitetura de Computadores
UC – Unidade de Controle
UC - Unidade de Controle é a responsável por gerar todos os sinais que controlam as operações no exterior da
CPU, e ainda por dar todas as instruções para o correto funcionamento interno da CPU. A apoiá-la, a UC terá a
colaboração de uma outra estrutura/actor (o descodificador de instruções)
Arquitetura de Computadores
Registradores
Um REGISTRADOR é um local interno à CPU, onde os dados que foram buscados na memória são armazenados. 
O registrador é um circuito lógico que tem a finalidade de reter a curto prazo um conjunto de bits. 
Os registradores são chamados de acumuladores.
Arquitetura de Computadores
Registradores
Um REGISTRADOR é um local interno à CPU, onde os dados que foram buscados na memória são armazenados. 
O registrador é um circuito lógico que tem a finalidade de reter a curto prazo um conjunto de bits. 
Os registradores são chamados de acumuladores.
Arquitetura de Computadores
Registradores
Um REGISTRADOR é um local interno à CPU, onde os dados que foram buscados na memória são armazenados. 
O registrador é um circuito lógico que tem a finalidade de reter a curto prazo um conjunto de bits. 
Os registradores são chamados de acumuladores.
Arquitetura de Computadores
Lógica Digital
Porta - Elemento de hardware que recebe um ou mais sinais de entrada e, de acordo com a operação
definida, produz uma saída.
Porta lógica - Porta(hardware) que recebe valores de entrada, e realiza uma operação lógica sobre eles,
produzindo uma saída.
Operação lógica -produz um resultado que pode assumir dois valores. (0 ou 1, V ou F).
Tabela Verdade: Conjunto de resultados da operação lógica para todas as combinações possíveis de
entrada.
Cada operação lógica possui um símbolo matemático que a representa, assim como uma porta lógica,
que também possui um símbolo gráfico para representa-la.
Arquitetura de Computadores
Tabela Verdade
Arquitetura de Computadores
Memória
Memória (Sistema de armazenamento de informações)
✓ Subsistema responsável pelo armazenamento de informações (dados e instruções)
✓ Nas memórias, existem duas operações possíveis: leitura (read) ou escrita (write)
✓ Organização de forma hierárquica com o objetivo de obter uma relação custo/benefício adequada.
Parâmetros de classificação:
✓ Tempo de acesso: tempo em que uma informação requerida se torna disponível;
✓ Ciclo de memória: tempo decorrido entre dois acessos consecutivos;
✓ Capacidade de armazenamento: quantidade de informações que podem ser armazenadas;
✓ Volatilidade: Perda das informações na ausência de energia elétrica;
✓ Tecnologia de fabricação: meios magnéticos (HD’s, disquetes), meios semi-condutores (RAM, cache) e meios 
óticos (CD);
–Temporariedade;
–Custo.
Arquitetura de Computadores
Hierarquia de Memória
Registradores:
✓ Dispositivos de armazenamento localizados no próprio processador;
✓ O processador trabalha buscando instruções e dados na memória principal (RAM) e as colocando em registradores;
✓ Enquanto estiverem sendo usados, os dados e instruções permanecem nos registradores.
✓ Tempo de acesso reduzido, pouco espaço de armazenamento e alto custo;
✓ Dispositivos voláteis;
✓ São divididos em registradores de propósito geral e específicos
Arquitetura de Computadores
Hierarquia de Memória
Memória cache:
✓ Meio intermediário de armazenamento entre o processador e a memória RAM;
✓ Tempo de acesso bem mais curto do que o da RAM;
✓ Seu objetivo é minimizar os efeitos da diferença de velocidade entre o processador e a memória principal.
✓ Toda busca de instruções e dados é feita inicialmente na cache;
✓ Dispositivo de armazenamento volátil com capacidade de armazenamento superior à dos registradores.
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Hierarquia de Memória
Memória RAM:
✓ Máquina de Von Neuman;
✓ Meio para o qual os dados de instruções de um programa devem ser carregados antes da sua execução;
✓ São mais lentas do que as caches, porém bem maiores e mais baratas.
Arquitetura de Computadores
Hierarquia de Memória
Memória secundária:
✓ Grande capacidade de armazenamento;
✓ Exemplos: HD’s, disquetes, CD’s, fitas, etc;
✓ Dispositivos não voláteis, utilizados para o armazenamento de informações em caráter permanente.
Arquitetura de Computadores
Hierarquia de Memória
Memória secundária:
✓ Grande capacidade de armazenamento;
✓ Exemplos: HD’s, disquetes, CD’s, fitas, etc;
✓ Dispositivos não voláteis, utilizados para o armazenamento de informações em caráter permanente.
Arquitetura de Computadores
Hierarquia de Memória
Memória Principal
✓ Todos os programas a serem executados pela CPU devem ser carregados para a MP.
✓ Palavra -unidade de informação que deve representar um dado ou instrução.
✓ Célula -grupo de bits identificados por um endereço.
✓ Unidade de transferência -quantidade de bits transferidos entre MP e CPU.
✓ Organização: Ncélulas endereçadas de 0 a (N-1) seqüencialmente, cada uma contendo Mbits.
✓ Duas operações possíveis: leitura (read) ou escrita (write).
✓ Quantidade de bits por célula -definida pelo fabricante.
✓ Em uma célula com Mbits podemos armazenar 2Mcombinações diferentes.
✓ Padrão adotado pela maioria dos fabricantes é de células de 8 bits (1 byte)
✓ Quantidade de bits do endereço indica a quantidade de células endereçáveis.
✓ Endereço X Conteúdo de células
Arquitetura de Computadores
Hierarquia de Memória
Operações da Memória Principal
As operações realizadas na MP envolvem os seguintes elementos:
✓ Barramento de dados;
✓ Barramento de endereços;
✓ Barramento de controle;
✓ RDM (Registrador de Dados da Memória);
✓ REM (Registrador de Endereços da Memória).
Arquitetura de Computadores
Hierarquia de Memória
Passosde Leitura e Escrita da Memória Principal
Leitura:
1) Preencher o REM;
2) Sinal de leitura no barramento de controle;
3) RDM <- MP(REM)
Escrita:
1) Preencher o RDM;
2) Preencher o REM;
3) Sinal de escrita no barramento de controle;
4) MP(REM) <- RDM
Arquitetura de Computadores
Hierarquia de Memória
Capacidade da Memória
1K - 210(1024);
1M - 220(1.048.576);
1G - 230(1.073.741.824);
1T - 240(1.099.511.627.776);
Normalmente se mede a capacidade da memória através do seu número de células (bytes),
Arquitetura de Computadores
Representação da Informação
Bit / Byte;
Sistemas de numeração:
✓ Decimal -dez algarismos utilizados para a representação (0 a 9);
✓ Binária -Algarismos ‘0’ e ‘1’;
✓ Octal -Algarismos ‘0’ a ‘7’;
✓ Hexadecimal -Algarismos ‘0’a ‘9’ e letras de ‘A’ a ‘E’.
Arquitetura de Computadores
Linguagens
Linguagem de alto nível:
A = A + B;
JavaScript
Python
PHP
Linguagem de baixo nível ou de maquina:
Carregue um registrador com o conteúdo da posição de memória A;
Adicionar o conteúdo da posição de memória B ao registrador;
Armazenar o conteúdo do registrador na posição de memória A
Assembly
console.log('Hello World!');
https://www.jdoodle.com/compile-assembler-nasm-online/
Máquina Assembly Online:
section .data
msg db 'Como programar em Assembly? Hello World!!!', 0AH
len equ $-msg
section .text
global _start
_start: mov edx, len
mov ecx, msg
mov ebx, 1
mov eax, 4
int 80h
mov ebx, 0
mov eax, 1
int 80h
Exercício 1
Altere a mensagem e dê um print
https://www.jdoodle.com/compile-assembler-nasm-online/
Arquitetura de Computadores
Linguagens
https://www.jdoodle.com/compile-assembler-nasm-online/
Máquina Assembly Online:
section .text
global _start
_start:
mov eax, [x]
sub eax, '0'
mov ebx, [y]
sub ebx, '0'
add eax, ebx
add eax, '0'
mov [sum], eax
mov ecx, msg
mov edx, len
mov ebx, 1
mov eax, 4
int 0x80
mov ecx, sum
mov edx, 1
mov ebx, 1
mov eax, 4
int 0x80
mov eax, 1
int 0x80
section .data
x db '5'
y db '3'
msg db "sum of x and y is "
len equ $ - msg
segment .bss
sum resb 1
Resultado:
sum of x and y is 8
Exercício 2
Altere os valores do calculo e dê um print
https://www.jdoodle.com/compile-assembler-nasm-online/
Arquitetura de Computadores
Entrada e Saída
Dispositivo de entrada e saída:
É necessário que exista um componente intermediário entre o processador e cada um dos periféricos.
As controladoras de periféricos realizam o papel da comunicação entre os periféricos e o núcleo CPU / 
MP.
Existem duas formas de comunicação entre a CPU / MP e os periféricos:
Transmissão serial: Os dados são transmitidos um bit de cada vez (Ex: Teclado e Mouse).
Transmissão paralela: Os dados são transmitidos em grupos de bits (Ex: HD’s e Vídeo)
Principais dispositivos de E/S:
✓ Teclado;
✓ Mouse;
✓ Monitor de Vídeo;
✓ Impressora;
✓ HD’s, disquetes, CD’s e Fitas Magnéticas;
✓ Scanners;
✓ MODEM’s
✓ Etc.
Bibliografia complementar
https://pt.wikipedia.org/wiki/Arquitetura_de_von_Neumann
https://www.youtube.com/watch?v=hcn0BPG182A
https://pt.wikipedia.org/wiki/Registrador_(inform%C3%A1tica)
BROWN, Stephen; VRANESIC, Zvonko.Fundamentals of digital logic with VHDL design. 3. ed. Boston: 
Mc Graw Hill Higher Education, 2009. 840 p., il., 24 cm. ISBN 9780073529530.
WEBER, Raul Fernando. Fundamentos de arquitetura de computadores.4. ed. Porto Alegre: Bookman, 
2012. 1 recurso online. (Livros didáticos informática UFRGS, 8). ISBN 9788540701434. Disponível em: 
<http://integrada.minhabiblioteca.com.br/books/9788540701434>. Acesso em: 31 mar. 2019.
MONTEIRO, Mário A. Introdução à organização de computadores. 5. ed. Rio de Janeiro, RJ: LTC, 2007. 1 
recurso online. ISBN 978-85-216-1973-4. Disponível em: <http://integrada.minhabiblioteca.com.br/books/978-
85-216-1973-4>. Acesso em: 31 mar. 2019.
TOKHEIM, Roger. Fundamentos de eletrônica digital, V.1: sistemas combinacionais. Porto Alegre: AMGH, 
2013. 1 recurso online. (Tekne). ISBN 9788580551938. Disponível em: 
<https://integrada.minhabiblioteca.com.br/books/9788580551938>. Acesso em: 31 mar. 2019.
https://pt.wikipedia.org/wiki/Arquitetura_de_von_Neumann
https://www.youtube.com/watch?v=hcn0BPG182A
https://pt.wikipedia.org/wiki/Registrador_(inform%C3%A1tica)