Aula04-ArquiteturadeComptuadores

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Universidade Candido Mendes

Curso de Gradua

Curso de Graduaçção em Engenharia de Produão em Engenharia de Produççãoão Disciplina: EP006

Disciplina: EP006 ––IntroduIntroduçção ão ààCiência da ComputaCiência da Computaççãoão

Aula 04

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A Unidade Central de Processamento:

O Que Acontece Dentro do Computador

Prof. Claudio A. Ferraz claudioaferraz@gmail.com

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Representação de Dados

Os computadores entendem

duas coisas: ligado e desligado.

Dados são representados na

forma binária:

Sistema numérico binário (base 2).

Contém somente 2 dígitos: 0 e 1.

Corresponde a dois estados:

ligado e desligado.

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A linguagem do computador

Os equipamentos de hardware dos sistemas de computação comunicam-se através de corrente elétrica, enviando, recebendo e processando sinais através de fios, cabos ou placas.

A menor unidade de informação: bit (binary digit).

um modelo matemático para as informações que transitam de um equipamento para outro.

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A linguagem do computador

N fios é possível trocar até 2n_{informações distintas.} 2 fios representamos até 22_{= 4 dados.}

Palavra: conjunto qualquer de bits.

Uma palavra pode ter 3, 6, 8, 16 ou quantos bits forem definidos.

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A linguagem do computador

Cada bit em uma palavra indica o estado de

um determinado fio ou uma unidade de

informação.

Bit mais significativo ao bit mais a esquerda

de uma seqüência de bits.

bit menos significativo ao bit mais a direita

de uma seqüência de bits.

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A linguagem do computador

Para facilitar a manipulação de bits :conjunto

de 8 bits

um byte.

Com um byte, equipamentos de hardware

podem comunicar-se através de 8 fios

paralelos, cada um podendo conduzir dois

tipos de informação simultaneamente (0 ou 1).

2

8

_{= 256 combinações diferentes.}

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Representando Dados

Bit

Byte

Palavra

8

Bit

Abreviação de binary digit (dígito binário).

Dois valores possíveis: 0 e 1.

Nunca pode estar vazio.

Unidade básica para armazenar dados:

0 significa desligado; 1 significa ligado.

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Byte

Um grupo de 8 bits.

Cada byte tem 256 (2

8

) valores possíveis.

Para texto, armazena um caractere:

Pode ser letra, dígito ou caractere especial.

Dispositivos de

memória e

armazenamento

são medidos em

número de bytes.

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Palavra

O número de bits que a CPU processa

como uma unidade.

Tipicamente, um número inteiro de bytes.

Quanto maior a palavra, mais potente

é o computador.

Computadores pessoais tipicamente têm

32 ou 64 bits de extensão de palavras.

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Capacidades de Armazenamento

Kilobyte: 1024 (210) bytes.

Capacidade de memória dos computadores pessoais mais antigos.

Megabyte: aproximadamente, um milhão (220) de bytes. Gigabyte: aproximadamente, um bilhão (230_{) de bytes.} Terabyte: aproximadamente, um trilhão (240_{) de bytes.}

Dispositivos de armazenamento para sistemas muito grandes.

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12

Como um computador está

organizado?

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13

Organização típica de um computador

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O modelo de von Neumann(1940)

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Unidade Central de Processamento

Conjunto complexo de circuitos eletrônicos. Executa instruções de programas armazenados. Duas partes: Unidade de controle Unidade aritmética e lógica

(ALU)

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Unidade de Controle

Direciona o sistema do computador a

executar instruções de programas

armazenados.

Deve comunicar-se com a memória e

com a ALU.

Envia dados e instruções do

armazenamento secundário para a

memória, quando necessário.

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Unidade Aritmética e Lógica

Executa todas as operações aritméticas e

lógicas.

Operações aritméticas:

Adição, subtração, multiplicação, divisão.

Operações lógicas:

Compara números, letras ou caracteres especiais.

Testa uma de três condições:

Condição de igualdade (igual a) Condição menor que Condição maior que

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Armazenamento de Dados e a

CPU

Dois tipos de armazenamento:

Armazenamento primário (memória):

Armazena dados temporariamente. A CPU referencia-o tanto para obtenção de

instruções de programa como de dados.

Armazenamento secundário:

Armazenamento de longo prazo.

Armazenado em mídia externa;

por exemplo, um disco.

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A CPU e a Memória

A CPU não pode processar dados diretamente do disco ou de um dispositivo de entrada:

Primeiramente, eles devem residir na memória.

A unidade de controle recupera dados do disco e transfere-os para a memória.

Itens enviados à CPU para ser processados:

A unidade de controle envia itens à CPU e depois os envia novamente à memória após serem processados.

Dados e instruções permanecem na memória até serem enviados a um dispositivo de saída ou armazenamento, ou o programa ser fechado.

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Áreas de Armazenamento

Temporário

Registradores

Memória

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Registradores

Áreas de armazenamento temporário de

alta velocidade.

Localizações de armazenamento situadas

dentro da CPU.

Funcionam sob direção da unidade de controle:

Recebem, guardam e transferem instruções ou dados.

Controlam onde a próxima instrução a ser executada ou os dados necessários serão armazenados.

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Registradores

O registradores podem ser classificados como

registradores de:

propósito geral (R0 a Rn)

propósito específico

(estado, PC – program counter, IR – instrucition register) temporários ou auxiliares ( MAR – Memory Address

Register, MBR – Memory Buffer Register).

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Organização típica de um processador

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Memória

Também conhecida como armazenamento

primário e memória principal.

Freqüentemente expressa como memória de acesso aleatório (RAM).

Não faz parte da CPU.

Retém dados e instruções para

serem processados.

Armazena informações somente enquanto o

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Como a CPU Executa Instruções?

Quatro etapas são executadas para

cada instrução:

Ciclo de máquina: a quantidade de tempo necessária para executar uma instrução.

Computadores pessoais executam-nas em menos de um milionésimo de segundo.

Supercomputadores executam-nas em menos de um trilionésimo de segundo.

Cada CPU tem seu próprio conjunto

de instruções:

Aquelas instruções as quais a CPU pode

entender e executar. 26

O Ciclo da Máquina

O tempo necessário para

recuperar, executar e armazenar uma operação. Componentes: Tempo de instrução Tempo de execução O clock de sistema sincroniza as operações. 27

Resumindo...

Podemos afirmar que a execução de uma

instrução é realizada com quatro passos

básicos:

Busca;

Decodificação;

Execução e

Resultado.

Um programa é executado quando colocamos

em loop esses quatro passos básicos.

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Tempo de Instrução

Também chamado de I-time.

A unidade de controle recebe a instrução

da memória e a coloca em um registro.

A unidade de controle decodifica a

instrução e determina qual é a localização

na memória para os dados necessários.

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Tempo de Execução

A unidade de controle transfere dados da

memória para registradores na ALU.

A ALU executa instruções relativas

aos dados.

A unidade de controle armazena o

resultado da operação na memória

ou em um registrador.

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Endereços de Memória

Cada localização de memória

tem um endereço:

Um número único, como em uma caixa postal.

Pode conter somente uma instrução ou peça de dados:

Quando dados são reescritos na memória, o conteúdo anterior desse endereço é destruído.

Referenciado pelo número:

As linguagens de programação usam um endereço simbólico (nomeado), tal como Horas ou Salário.

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A Unidade de Sistema

Abriga os componentes eletrônicos do

sistema de computador:

Placa-mãe (motherboard)

Dispositivos de armazenamento

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Placa-mãe (motherboard)

Placa de circuitos plana

que contém os circuitos do

computador.

A unidade central de processamento (microprocessador) é o componente mais importante. Voltar

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Dispositivos de Armazenamento

Armazenamento de longo prazo

da memória.

Dados não se perdem quando o

computador é desligado.

Incluem-se entre os exemplos: discos

rígidos, disquetes, DVD-ROMs, fitas

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Microprocessador

Unidade central de

processamento impressa

em chip de silício.

Contém dezenas de milhões de

minúsculos

transistores

.

Componentes-chave:

Unidade central de processamento.

Registradores.

Clock do sistema. Voltar

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Transistores

Comutadores eletrônicos que podem

permitir ou não a passagem de

corrente elétrica.

Se a corrente elétrica passar, o comutador

estará ativado, representando um bit 1.

Caso contrário, o comutador estará

desativado, representando um bit 0.

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Componentes da Memória

Memória semicondutora

RAM e ROM

Memória Flash

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O Barramento (Bus) do Sistema

Define-se barramento como um caminho elétrico

estabelecido entre dois ou mais componentes de um sistema de computador. Os sistemas possuem três barramentos: o de dados, o de endereços e o de controle.

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Barramento de dados

É um barramento bidirecional, onde circulam as informações que trafegam entre o processador e a memória principal. Neste barramento circulam tanto as instruções, sempre no sentido da memória para o processador, quanto os dados, estes em ambos os sentidos.

O registrador MBR está diretamente ligado a este barramento. Isto é, as informações que são transferidas entre o processador e a memória passam necessariamente pelo MBR.

O tamanho deste barramento indica o tamanho da palavra (a quantidade máxima de bits) num acesso à memória.

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Barramento de endereços

É um barramento unidirecional, no sentido do

processador para a memória ou para as interfaces de entrada e saída. Por ele circulam os endereços das informações nos acessos a esses componentes. O registrador MAR armazena o endereço das

informações a serem acessadas e está diretamente ligado ao barramento de endereços.

O tamanho do MAR está associado ao tamanho da memória. Para uma memória com 2N endereços o MAR possui N bits.