apostila arquitetura generica

8/10/2019 Apostila Arquitetura Generica

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Antes de tudo, vamos revisaro Modelo Simplificado do Funcionamento de umComputador.

Modelo Simplificado do Funcionamento de um Computador

O funcionamento de um computador pode ser entendido, de forma bastantesimplificada, como o funcionamento de um pequeno escritrio de prestao deservios composto por:

Escritrio

Figura1 -Analogia do funcionamento de um computador com um escritrio

1. Operador executa as instrues referentes aos pedidos de servioscolocados na caixa de entrada. Ele no toma decises de formaindependente (na figura acima, o boneco);

2. Pasta de servio conjunto ordenado de fichas contendo as instruesnecessrias para execuo de um determinado servio (estas pastas estoguardadas dentro do Arquivo Metlico);

3. Arquivo metlico local onde so armazenadas diversas pastas de servio(item 2) ou pastas com algum tipo de dado;

4. Caixa de entrada local onde so deixadas as solicitaes de servio oualgum dado para execuo dos mesmos;

5. Calculadoraexecuta operaes aritmticas simples;

6. Caixa de sada local para onde so enviados os resultados dos serviossolicitados;

7. Escaninhoslocal onde so colocadas as fichas de uma determinada pastade servio com as instrues do servio que estiver sendo executado (serviosolicitado), bem como os dados necessrios. Quando as fichas no foremmais necessrias elas so retiradas dos escaninhos;

Arquitetura Genrica


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Arquitetura Genrica dos Computadores

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A ttulo de ilustrao, vamos supor que foi deixada na caixa de entrada umasolicitao para execuo do servio denominado Multiplicao.

A pasta correspondente a esse servio ento retirada do arquivo metlico esuas fichas so colocadas nos escaninhos para que as instrues nelas contidaspossam ser executadas.

Suponha que as fichas foram dispostas da seguinte forma nos escaninhos:

Escaninho

N :Contedo das Fichas Contidas na Pasta Correspondente ao Servio

Multi pl icao(instrues)

1Solicite um nmero a ser deixado na caixa de entrada e o coloque noescaninho nmero 11.

2Solicite outro nmero a ser deixado na caixa de entrada e o coloque noescaninho nmero 12.

3Multiplique (utilizando a calculadora) o contedo do escaninho 11 pelocontedo do escaninho 12 e guarde o resultado no escaninho 11.

4Pergunte se existe mais algum nmero a ser multiplicado.Se a resposta for SIM, volte para o escaninho 2.Se a resposta for NO, v para o escaninho 5

5 Coloque o contedo do escaninho 11 na caixa de sada

6 Pare

7

O servio Multiplicao comea a ser executado no escaninho 1.

Vamos supor que o primeiro valor fornecido tenha sido 3, que o segundo valorfornecido tenha sido 2 e que o terceiro e ltimo valor fornecido tenha sido 4, ouseja, foi solicitada a multiplicao: 3 x 2 x 4.


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Aps a execuo de cada instruo os escaninhos ficaro com o seguinteaspecto:

Instruo doescaninho N

N do Escaninho Contedo

1 11 3

21112

32

31112

62

41112

62

Respos ta SIM

21112

64

31112

244

41112

244

Resposta NAO

5 11 24 Para Ca ix a de Sada

6 Fim da exec uo

Observao:

Em breve identificaremos cada um dos componentes do Escritrio (operador,pasta de servio, arquivo metlico, caixa de entrada, calculadora, caixa desada e escaninhos) com os componentes correspondentes em um computador.


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Exerccio

1) Vamos supor que o primeiro valor fornecido tenha sido 5, que o segundovalor fornecido tenha sido 3 e que o terceiro e ltimo valor fornecidotenha sido 2, ou seja, foi solicitada a multiplicao: 5 x 3 x 2. Apresente oaspectos dos escaninhos conforme o exemplo anterior:

Instruo do

escaninho NN do Escaninho Contedo


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Todos os computadores, desde os menores micro-sistemas at os grandessistemas complexos, consistem em quatro componentes bsicos. So eles:

DISPOSITIVOS DE ENTRADA E SADA

DISPOSITIVOS DE ARMAZENAMENTO ou MEMRIA

UNIDADE DE CONTROLE

UNIDADE DE ARITMTICA E LGICA

Juntas, a Unidade de Controle e a Unidade de Aritmtica e Lgica formam aUnidade Central de Processamento(CPU).

Abaixo apresentamos um diagrama conhecido como Mquina de VonNeumann (grande nome da informtica). Ele representa a Arquitetura Genricade um Computador:

Figura 2 - Arquitetura Genrica de um computador

A figura acima indica as funes da CPU: efetuar o processamento (realizaroperaes lgicas e aritmticas) e gerenciar todo o trfego de informaesentre os componentes bsicos do computador (memria, dispositivos de entradae sada; unidade aritmtica e lgica).

Unidade de Aritmtica e Lgica (UAL ou ALU):

Todos os clculos so realizados nesta unidade. Estes clculos podem envolveroperaes aritmticas como adio, subtrao, multiplicao e diviso ouoperaes lgicas como comparao de dois valores para verificar qual omaior.


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Unidade de Controle:

A unidade de controle coordena todo o trabalho do computador. ela quem

controla o fluxo de dados entre as demais unidades. A unidade de controle fazcom que o dispositivo de entrada leia os dados; transfere valores para a unidadearitmtica e lgica, onde os clculos so executados; armazena e recuperadados

A Unidade de Controle opera sob controle do Sistema Operacional (o Windows,por exemplo, ser visto posteriormente) e das instrues contidas no programaque est sendo executado.

Exerccios

2) Quais os componentes bsicos de um computador?

3) A CPU formada pela ____________________ e pela

_______________________;4) Quais so as funes da CPU?

5) D exemplos de clculos que so efetuados pela Unidade de Aritmtica eLgica:

6) D exemplos de operaes lgicas que so efetuadas pela Unidade deAritmtica e Lgica:

7) Qual a importncia da Unidade de Controle?


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Vamos considerar cada um dos componentes da arquitetura genrica dos computadorescom maiores detalhes:

Dispositivos de Entrada e SadaCaixa de Entrada e Caixa de Sada na analogiacom o escritrio (Figura 1).

Qualquer sistema de computao no teria utilidade se no pudessecomunicar-se com o mundo exterior, isto feito atravs de dispositivos deentrada e sada.

Os dispositivos de entrada fornecem o meio pelo qual os dados (e as instrues,como veremos) so transmitidos ao computador. J os dispositivos de sada sonecessrios apresentao dos resultados.

Tendo em conta a interao homem/mquina so ditos dispositivos de entrada osseguintes equipamentos: leitora de cartes, mouse, teclado, tela sensvel a toque,microfone, canetas pticas, digitalizadores etc. No caso de interao mquina/mquinateramos placas de redes, modem etc. Estes dispositivos seriam tanto de entrada comode sada.

Os dispositivos de sada podem ser os seguintes equipamentos: impressora,perfuradora de cartes, monitores de vdeo, alto-falantes, plotadores, etc.

Exerccios

8) O que so dispositivos de entrada? Exemplifique:

9) O que so dispositivos de sada? Exemplifique:


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Dispositivos de Armazenamento ou MemriaEscaninhos e Arquivo Metlico naanalogia com o escritrio (Figura 1).

Estes dispositivos so divididos em dois tipos: Memria PrincipalouInternae MemriaSecundri a ou Auxi l iar ouExterna. Os programas, e os dados necessrios suaexecuo tm que estar carregados na memria denominada de principal para quepossam ser executados pela UCP.

Todo computador vem com uma certa quantidade de memria principal (interna) naforma de semicondutores ou CHIPS, juntamente com memria secundria (auxiliar ouexterna) esta na forma de, por exemplo, disco ou fitas magnticas. Estas duas formas dememria diferem tanto em caractersticas quanto em finalidades.

Memria PrincipalEscaninhos na analogia com o escritrio (Figura 1).

Chamamos de memria do computador qualquer meio que a mquina utilize paraarmazenar ou recuperar informaes.

Quase todo tipo de processamento implica no armazenamento de informaes, seja emcarter temporrio ou permanente. Essa necessidade depende do programa e dousurio. Por exemplo, algum pode usar um processador de texto para escrever umbilhete e imprimi-lo sem gravar o documento para uso posterior. Nesse caso, o textoficou armazenado apenas na memria principal, pelo tempo que o usurio levou paradigit-lo e imprimi-lo. Na maioria das vezes, o usurio grava o texto na forma de umdocumento, em um hard disk (HD) ou disquete, para ser usado em outra ocasio.

Classificamos as memrias em dois tipos distintos: memria principal e memria auxiliar.

A memria principal est localizada dentro do gabinete, diretamente ligada UCP. fabrica em forma de chip e caracteriza-se pela alta velocidade com que pode seracessada e pelo tamanho reduzido.

A memria principal pode ser dividida em trs grupos: a memria RAM, a memria ROMe a memria CACHE.

Memria RAM Os programas que esto sendo executados devem residir (estarcarregados), juntamente com os dados necessrios a sua execuo, na memriaprincipal RAMque aquela que acessada diretamente pelo microprocessador. Por ser

cara, devido ao material e a tecnologia utilizada na sua fabricao, a memria RAM umrecurso escasso na maioria dos sistemas. Trata-se de uma memria que permite acessodireto a qualquer uma de suas partes. Da o nome RAM (Memria de AcessoRandmico).

A memria RAM possui como caractersticas principais a alta velocidade de acesso, apossibilidade de ser lida e gravada durante o processamento e o fato de no reter ainformao caso seja interrompido o fornecimento de energia, por isso dizemos que amemria RAM voltil.


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Memria ROM (Read Only Memory Memria Apenas para Leitura) A ROM tambmpode ser acessada\lida diretamente pelo microprocessador, mas seu contedo no perdido quando o computador desligado (ela no voltil) sendo, entretanto, maislenta do que a RAM.

A ROM quando surgiu era um tipo de memria apenas de leitura (seus dados no

poderiam ser alterados), destinada a armazenar informaes referentes ao hardware docomputador. Atualmente existem os seguintes tipos de ROM:

ROM propriamente dita no pode ser programada nem alterada. Utilizada emdispositivos tais como: calculadoras, telefones celulares etc.;

PROM (Programmable ROM) essa ROM pode ser programada por um equipamentoespecial usado em laboratrios, mas no pode ser modificada. til, por questes desegurana, para quem desenvolve algum tipo de hardware especfico;

EPROM (Erasable PROM) uma ROM que pode ser apagada e reprogramada comum software especial. Estes procedimentos tm que ser feitos com aparelhos em

laboratrios eletrnicos, como emissores de luz ultra-violeta;

EEPROM (Eletrical Erasable PROM) Essa PROM pode ser apagada e reprogramadacom um software especial. Normalmente as placas-me tm EEPROMS para armazenaro BIOS, permitindo sua atualizao.

O que BIOS ?

Nos microcomputadores existe um CHIP muito importante chamado BIOS (Basic Input-Output SystemSistema Bsico de Entrada e Sada). O BIOS tem vrias funes, entreas quais, a de realizar a partida do computador. Quando ligamos o computador, o BIOSrealiza a contagem de memria, faz uma rpida checagem do funcionamento dos


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computador e realiza a carga do Sistema Operacional (ser visto posteriormente) queest armazenado no disco. O BIOS um CHIP de memria ROM, constitui um circuitoeletrnico com um programa gravado.

Cada fabricante tem o seu CHIP BIOS especfico, de acordo com os componentes docomputador que produz. Entretanto, quando alguma parte do hardware modificada,uma troca de um disco rgido (HD), por exemplo, o BIOS precisa ser atualizado com ascaractersticas deste novo componente para realizar seu trabalho. Para atender a estanecessidade, atualmente, o CHIP BIOS gravado num tipo de ROM chamado EEPROM(Eletrical Erasable Programmable ROM) que permite a atualizao do BIOS.

Memria CACHE

Quando o computador efetua uma leitura ou uma gravao em um meio dearmazenamento externo (memria secundria) qualquer, como um HD ou um drive, esteacesso atrasa muito o processamento, pois estes equipamentos dependem demovimentar peas mecnicas. Por isso alguns equipamentos so dotados de umamemria que tem caractersticas de funcionamento muito peculiares e que pode aceleraro processamento da seguinte forma:

O sistema operacional monitora os acessos ao HD (memria secundria), verificandoquais os dados esto sendo lidos com maior freqncia e quando for solicitada a leiturade um determinado dado que j vinha sendo monitorado, o sistema operacionalarmazena na CACHE uma quantidade de informao maior do que aquela que foisolicitada no momento. Quando se faz uma nova solicitao de leitura desse dado, aCPU verifica primeiro se esta informao esta armazenada na memria cache. Como amemria CACHE muito mais rpida que a memria RAM e mais ainda que um HD,economiza-se muito do tempo necessrio para levar a informao ao processador .


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Memria Secundria ou AuxiliarArquivo Metlico na analogia com o escritrio(Figura 1).

Conforme foi visto, a memria principal escassa, por isso, toda a informaodesnecessria (naquele momento) para a execuo de uma determinadatarefa/programa pelo computador, deve ser relegada ao armazenamento na memriaexterna/secundria/auxiliar, cuja capacidade pode ser quase ilimitada, mas queapresentam tempos maiores de recuperao das informaes (so dispositivos maislentos).

A memria auxiliar constituda por todos os equipamentos ligados ao computador(perifricos) que se prestam ao armazenamento de informaes, tais como os discosmagnticos (rgidos (HD) ou flexveis (disquetes)), as unidades de fitas magnticas e osdiscos ticos (CD-ROM). No so volteis e tendo uma capacidade de armazenamentomuito superior da memria principal, proporcionalmente quantidade de dados que

grava, tem um custo muito mais baixo.

Figura 3 - Hierarquia de memria

Registradores(vide figura 6)

Memria cache

Memria principal

Memria secundria

Custo altoVelocidade altaBaixa capacidade

Discos

CD Rom

Custo baixo

Velocidade baixaElevada capacidade


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Exerccios

10)Quais so os dois tipos de dispositivos de armazenamento?

11)Diferencie as memrias:

a. RAM:

b. ROM:

c. CACHE:

12)Especifique cada um dos tipos de memria ROM:

a. ROM:

b. PROM:

c. EPROM:

d. EEPROM:

13)O que BIOS?

14)Qual a funo do BIOS?

15)O que memria secundria? Exemplifique:


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A CPU (Central Processing Unit ou Unidade Central de Processamento UCP) Calculadora e Boneco na analogia com o escritrio (Figura 1)

Composta pela Unidade de Aritmticae Lgicae pela Unidade de Controle, a CPU responsvel pelo processamento e controle dos programas e dados armazenados namemria principal. Seu principal elemento o chip processador.

As funes da CPU so efetuar o processamento (realizar operaes lgicas earitmticas) e gerenciartodo o trfego de informaes entre os componentes bsicos docomputador (memria, dispositivos de entrada e sada; unidade aritmtica e lgica) vejaa Figura 2.

A CPU auxiliada por vrios circuitos que desempenham diversas funes. Por exemplo,quando voc pressiona uma tecla, faz com que o teclado transmita o cdigo da teclapressionada. Este cdigo recebido por um circuito chamado de interface de teclado.Ao receber o cdigo de uma tecla, a interface de teclado avisa a CPU que existe umcarter recebido. Por outro lado, quando a CPU precisa enviar uma mensagem para ousurio, precisa que a mensagem seja colocada na tela. Isto feito com auxlio de umcircuito chamado de in ter fac e de vdeo. A CPU envia para a interface de vdeo, amensagem, seja ela em forma de texto ou figura. A interface de vdeo coloca ento amensagem na tela. A interface um circuito eletrnico que controla a interligao entredois dispositivos do computador.


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O Barramento

Barramento ou BUS o nome dado ao meio de transporte dos bits entre o processador eos demais componentes do computador, ou seja, o local fsico na placa principal docomputador (tambm chamada de placa me) por onde trafegam os bits que saem damemria para o processador, do processador para as outras placas instaladas nocomputador, etc.

A largura do barramento a quantidade de dados (bits) que a CPU pode transmitir emum determinado momento para a memria principal e os perifricos. Um barramento de32 bits transporta 32 bits de dados por vez.

Figura 4 - Esquema do Barramento


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Velocidade do Processador

O trfego das informaes, envio de dados do processador para um outro elemento (amemria principal, por exemplo), feito eletronicamente e gasta um certo tempo T,medido em segundos (na verdade em fraes de segundo). O inverso do tempo gastonesta emisso, 1/T, a sua freqncia, que medida em hertz (Hz).

Dizer que um processador tem uma alta velocidade de emisso de dados o mesmoque dizer que ele gasta pouco tempo na emisso de um conjunto de bits ou que possuiuma alta freqncia de emisso. Podemos ento afirmar que uma alta freqncia implicaalta velocidade de emisso de dados.

O fato de o processador de um determinado computador emitir dados com uma altafreqncia (tambm chamada de clock) no implica necessariamente que tal computadortenha uma alta velocidade de processamento. Vrios so os fatores que influenciam avelocidade do processamento no computador alm do clock do seu processador. Oprimeiro deles a palavra1interna do processador, ou seja, quantos bits ele processa acada vez. Se o computador tem um nico processador ou mais. Se cada elemento docomputador opera com a mesma freqncia e com o mesmo nmero simultneo de bits(palavra) que o processador. O tamanho do barramento, etc. O conjunto de todos essesaspectos determina a velocidade de processamento de um computador.

1Unidade de endereamento da memriaser detalhada oportunamente


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Exerccios

16)O que barramento?

17)Conceitue clock:

18)Que fatores influenciam na velocidade do computador?


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Unidade de Aritmtica e Lgica (UAL ou ALU) Calculadora na analogia com oescritrio (Figura 1)

Todos os clculos so realizados nesta unidade. Estes clculos podem envolveroperaes aritmticas como adio, subtrao, multiplicao e diviso ou operaeslgicas como comparao de dois valores para verificar qual o maior. Quando umclculo realizado, torna-se necessrio freqentemente levar e trazer informaes damemria principal medida que os clculos ocorrem.

Unidade de ControleBoneco na analogia com o escritrio (Figura 1).

A unidade de controle coordena todo o trabalho do computador. ela quem controla ofluxo de dados entre as demais unidades.

A Unidade de Controle opera sob controle do Sistema Operacional (que ser vistoposteriormente) e das instrues contidas no programa(escrito pelo programador) queest na memria principal, ou seja, sendo executado. A unidade de controle faz com queo dispositivo de entrada leia os dados, transfira valores adequados da memria para aunidade de aritmtica e lgica, onde os clculos so executados, armazena e recuperadados e resultados intermedirios guardados na memria principal e passa os resultadospara o dispositivo de sada. Alm disso, ela determina unidade de aritmtica e lgicaquais as operaes a serem realizadas e em que ordem.

A Unidade de controle a parte do processador que controla o ciclo da mquina.A simples adio de dois nmeros requer vrios ciclos.

Como o computador s pode realizar uma tarefa por vez, cada operao deve sersubdividida em operaes simples. Um ciclo de mquina composto por quatro etapas:

Figura 5 - Ciclo da mquina

- Fetch: obtm uma instruo da MemriaPrincipal;

- Decode: traduz a instruo em comandosdo computador;

- Execute: processa o comando;

- Store: grava o resultado do comando namemria principal;


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Para somar dois nmeros, o computador precisaria executar as seguintes tarefas:

Figura 6 - Raio X de um processador

1. Fetch: Obtenha o nmero noendereo de memria xxxxxx (vamossupor que seja o 2);

2. Decode;3. Execute: A ALU recebe o nmero;4. Store: o nmero 2 armazenado em

um local temporrio da memriaprincipal;

5-8. Repete as etapas anteriores para onmero 3;

9. Fetch: Adicione os dois nmeros;10. Decode;11. Execute: A ALU soma os nmeros;12. Store: A resposta armazenada em

um local temporrio;

13. Fetch: Exiba a resposta na tela;14. Decode15. Execute: o resultado exibido;


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Exerccios

19)Qual a funo da Unidade Aritmtica e Lgica?

20)Qual a funo da Unidade de Controle?

21)O que ciclo de mquina?

22)Explique cada uma das 4 etapas de um ciclo de mquina:

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