Componentes do Computador e Modelo de Von Newman, Notas de estudo de Informática

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Componentes do Computador e

Modelo de Von Neumann

1 Introdução

• Um computador é composto por blocos convencionalmente chamados de: - Memória - Unidades Operacionais - Unidade de Controle - Dispositivos de entrada e saída
• São compostos de dispositivos de menor complexidade tais como registradores, contadores, multiplexadores, seletores, decodificadores, somadores e portas lógicas (and, or, inv, ...)

Unidade Central de Processamento CPU

2 Elementos Básicos de um Computador

Controle (contadores, flip- flops, latches, lógica aleatória, ...)

Memória de dados e de programa

Unidade operacional (registradores, contadores, Unidade aritmética e lógica (ULA), ...)

Entrada e Saída

2 Elementos Básicos de um Computador

Memória de Dados e programas

Banco de registradores

Unidade de controle (gera os sinais de controle)

Program counter

3 Princípio Básico de Funcionamento

• Um programa é constituído por uma sequência pré- determinada de instruções que devem ser seguidas para que seja atingido o objetivo computacional.
• Programa armazenado na memória de programa, também chamada memória da máquina.
• As instruções são executadas em uma sequencia determinada por suas posições de memória.
• O endereço representa uma posição particular na memória e pode ser formado de várias maneiras. (direto, indireto)

3 Princípio Básico de Funcionamento

• A unidade lógica e aritmética realiza ações indicadas nas instruções, executando operações numéricas (aritméticas) e não numéricas (lógicas).
• Unidade central de processamento (CPU) (unidade de controle e unidade opercional) é responsável pelo: - Busca da instrução na memoria de programa - Decodificação da instrução (tabela dos codicos das instruções, especifica para cada microprocessador) - Execução das Instruções (unidade operacional controlada pelos sinais de controle)

4 Barramento

• Dados são transferidos entre os diversos elementos de um computador por caminhos físicos chamado de barramento.
• Arquitetura Von Neumann: mesmo barramento para os dados e para as instruções. (Gargalo de Von Neumann)
• Do ponto de vista da arquitetura, um barramento de caracteriza pela sua largura em bits.
• A largura dos bits do barramento deve corresponder ao comprimento dos elementos (dados, endereço, controle) que são por ele transportados.

5 Memória

• A memória é formada por elementos armazenadores de informação. (latches)
• Uma memória esta dividida em palavras (words)
• Cada palavra ocupa uma posição de memória e é identificada univocamente por um endereço.
• O conteúdo armazenado nas palavras da memória tanto pode representar dados como instruções.

Memória

Reg, endereço da mem (REM)

Reg, dados da mem (RDMin)

Reg, dados da mem (RDMout)

Read Write

7 Unidade Aritmética e Lógica (ULA)

• Realiza operações aritméticas e lógicas sobre um ou mais operandos.
• Exemplo: soma de dois operandos, negação de um operando, AND de dois operandos, deslocamento para a direita, esquerda, etc...
• As operações da ULA são normalmente muito simples. Funções mais complexas são realizadas pela ativação sequencial de funções mais simples. (Ex. multiplicação)
• A ULA fornece o resultado da operação realizada e também alguns codigos de condição (overflow, sinal, carry, zero, ...)

7 Unidade Aritmética e Lógica (ULA)

• Os sinais de controle selecionam a operação da ULA
• ULA se caracteriza pelo comprimento em bit dos operandos, número e tipo de operações, código de condições gerados.

Operando A Operando B

Resultado

controle códigos de condição

9 Unidade de Controle

• Produz sinais de controle que gerenciam o fluxo interno de dados e o instante preciso em que ocorre a transferência entre uma unidade e outra.
• Cada sinal de controle comanda uma microoperação como: - carga em um registrador, - seleção de um dado para a entrada em um determinado componente - Ativação da memória - Seleção de uma operação da ULA - Habilitação de um circuito lógico

9 Unidade de Controle

• Unidade de Controle são máquinas de estados finitas (FSM) realizadas por lógica sequencial composto por latches e flip-flops e portas combinacionais.
• Exemplo de duas organizações de lógica sequencial:
  • Organização convencional: unidade de controle composta por componentes digitais tais como flip-flops, contadores, decodificadores, que geram sequencialmente e nos instantes de tempo adequeados todos os sinais de controle necessários a atividade da unidade operacional, do sistema de entrada e saída e da memória.
  • Organização Microprogramada: os sinais de controle são armazenados numa memória especial chamada de memória de controle. Vários sinais de controle são buscados a cada acesso a memoria de controle. Esses sinais são agrupados em longas palavras chamadas microinstrução.

10 Alguns Registradores

• PC (apontador de instrução): caracteriza pelo seu comprimento em bits. Deve poder acessar toda a memória de programa. Guarda o endereço da memória de programa onde a instrução será lida.
• RI (registrador de instrução): armazena a instrução lida da memória de programa. O comprimento em bits de RI depende do tamanho e codificação das instruções do computador.
• RST (registrador de estado): armazena códigos de condição gerados pela ULA ou por outras unidades como interrupção de dispositivos de E/S. Em função do conteúdo do registrador a unidade de controle gera ou não os sinais de controle.

11 Conjunto de Instruções

• Uma instrução é um conjunto de bits devidamente codificados que indica ao computador que sequencia de microoperações ele deve realizar.
• Instruções são realizadas por semelhança de propósito e formato.
• Classificação:
  • Instruções de transferência de dados (MOV)
  • Instruções Aritméticas e Lógicas (ADD, OR, ...)
  • Instruções de Teste e Desvio (JMP, JNZ, ...)
• O conjunto de todas as instruções que um computador reconhece e pode executar é chamado de conjunto de instruções desse computador.