Aula 04 - Arquitetura de Comptuadores

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Universidade Candido Mendes

Curso de Graduação em Engenharia de Produção

Disciplina: EP006 – Introdução à Ciência da Computação

Aula 04

-Aula 04 - A Unidade Central de Processamento: O Que Acontece Dentro do Computador

Prof. Claudio A. Ferraz [email protected]

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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:

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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.}

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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

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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).

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Representando Dados



Bit



Byte

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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 (28) 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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Como um computador está

organizado?

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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}

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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

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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

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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

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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}

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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:

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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.

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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

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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)

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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.

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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

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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

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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

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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.

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Barramento de controle



É um barramento bidirecional, por onde

trafegam os sinais necessários ao controle

da troca de informações entre o

processador e os demais componentes do

sistema.



Como exemplo de sinais de controle

podemos citar os que controlam a leitura,

a escrita ou a espera por um dispositivo.

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Barramento



Largura de barramento:

O número de percursos elétricos para

transportar dados.

Medida em bits.



Velocidade de barramento:

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Largura de Barramento

 Tipicamente, a mesma largura do tamanho

de palavra da CPU.

 Com um tamanho de barramento maior,

a CPU pode:

 _{Transferir mais dados simultaneamente:}

 Torna o computador mais rápido.

 _{Referenciar números de endereço de memória maiores:}

 Permite mais memória.

 _{Suportar um número e uma variedade maiores de instruções.}

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Velocidade de Barramento



Quanto maior a velocidade de

barramento, mais rapidamente os dados

viajarão por meio do sistema.

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Velocidades de Processamento

dos Computadores



As velocidades de instrução são medidas

em segundos:

Milissegundo: um milésimo de segundo.

Microssegundo: um milionésimo de segundo. _{Nanossegundo: um bilionésimo de segundo.}

 Computadores modernos atingiram essa

velocidade.

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Velocidades dos

Microprocessores

 Medida da velocidade de clock do sistema:

 _{Quantos pulsos eletrônicos o clock produz}

por segundo.

 _{Usualmente, expressa em gigahertz (GHz).}

 Billhões de ciclos de máquina por segundo.

 Alguns PCs antigos mediam em megahertz (MHz).

 Uma comparação de velocidades de clock

somente é significativa entre microprocessadores idênticos.