Computador - IME-USP

COMPUTADOR
Adão de Melo Neto
1
INTRODUÇÃO



PROGRAMA
– É um conjunto de instruções
LINGUAGEM BINÁRIA
– Os caracteres inteligíveis são apenas zero(0) e um (1).
– É uma linguagem de comunicação dos computadores.
– É denominada linguagem de máquina
– É de difícil manipulação
EVOLUÇÃO DOS COMPUTADORES (segundo elementos de sua
organização)
– válvulas, transistores, circuito integrado, pastilhas (chips) de alta
e muito alta integração.
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Modelo de Von Newman

I - INTRODUZIU O CONCEITO DE MEMÓRIA:
– Memória é um dispositivo de armazenamento temporário onde
(a) programas (e dados) podem ser carregados a partir de uma
unidade de entrada,
– (b) para serem executados pela unidade lógica e aritmética,
– (c) com os resultados sendo transferidos da unidade de saída,
– (d) tudo isso sob a coordenação de uma unidade de controle.
– Von Newman garantiu a flexibilidade de um sistema
computacional, pois um computador pode ter tem seu
funcionamento alterado de acordo com programa e dado
carregado.)
3
Modelo de Von Newman

II - Propôs a NUMERAÇÃO BINÁRIA
– Economiza tempo nas operações
– Garante a simplicidade dos circuitos

III - Propôs o conceito RELÓGIO DO COMPUTADOR
– Dispositivo que produz um sinal periódico para cadenciar
todas as operações do computador .
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Modelo Barramento de Sistema




É uma evolução do Modelo de Von Newman
Processador (UCP)
 unidade
de controle + unidade lógica
registradores
Memória;
Barramento
aritmética
+
– barramento de dados,
– barramento de endereço e
– barramento de controle
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Modelo Barramento de Sistema

Barramento de Endereços
– Transporta os sinais de endereço até a memória.
– Determinam qual a posição de memória que irá ser lida ou escrita.
– Observação:
• A informação dessa posição de memória, que está sendo lida ou
escrita transita pelo barramento de dados, que é bidirecional.
unidirecional
bidirecional
6
Modelo Barramento de Sistema

Barramento de Controle
– Indica qual a operação que vai ser realizada:
• leitura ou escrita, na maior parte dos casos
– Possui também sinais para
• A arbitragem do barramento a ser utilizado e
• Para determinar quem vai utilizar o barramento naquele momento, que pode
ser tanto a UCP como a unidade de entrada/saída.
7
Modelo Barramento de Sistema
UNIDADE CENTRAL DE PROCESSAMENTO


São funções da UCP, executar as instruções e controlar as
operações no computador.
Um programa, para ser executado pelo processador, deve ser
constituído de uma série de instruções de máquina armazenadas em
células sucessivas da MP.
9
UNIDADE CENTRAL DE PROCESSAMENTO

O ciclo de instrução da CPU consiste em:
IR = A4
PC = 2
SOMA
ENDEREÇOS 2,3,4 e 5
3A25 e 172C
10
UNIDADE CENTRAL DE PROCESSAMENTO
•Este ciclo de instrução se repete indefinidamente até que o sistema
seja desligado, ou ocorra algum tipo de erro, ou seja, encontrada uma
instrução de parada.
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UNIDADE CENTRAL DE PROCESSAMENTO
As atividades ( ou funções) realizadas pela UCP
são divididas em duas grandes categorias :
processamento
e
controle.
.
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UNIDADE CENTRAL DE PROCESSAMENTO
(UCP)
ou
PROCESSADOR
FUNÇÃO DE PROCESSAMENTO
13
FUNÇÃO DE PROCESSAMENTO DA UCP
14
FUNÇÃO DE PROCESSAMENTO DA UCP
•O dispositivo principal desta atividade é chamado ULA(Unidade Lógica e
Aritmética).
•Os demais componentes são os registradores, que servem para
armazenar dados (ou para guardar resultados) a ser usados pela ULA.
•A interligação entre estes componentes é efetuada pelo barramento
interno da CPU.
•A ULA é o dispositivo que realmente executa as operações lógicas ou
aritméticas sobre os dados. Tais operações podem ser:´
• SOMA, SUBRAÇÃO,MULTIPLICAÇÃO, DIVISÃO
• DESLOCAMENTO
• AND, OR , NOT
• NEGAÇÃO
• COMPARAÇÃO,
• etc.
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FUNÇÃO DE PROCESSAMENTO DA UCP
•ULA (UNIDADE LÓGICA ARITMÉTICA)
• A ULA é um aglomerado de circuitos.
• Possui duas entradas para operandos das operações. Por
exemplo SOMA (3A25 + 172C), onde a operação é SOMA
(representado pelo código A4) e os operandos são 3A25 e 3A25 .
16
FUNÇÃO DE PROCESSAMENTO DA UCP
•Relembrando ... alguns circuitos que implementam uma ULA.
COMPARADOR
17
18
FUNÇÃO DE PROCESSAMENTO DA UCP
• Porque existem os REGISTRADORES ?
• Por que um dado deve permanecer mesmo que por um breve
instante, armazenado em um registrador (a memória da UCP ):
• (1) Para que o dado seja transferido para a ULA
• (2) E também para que o resultado de uma operação realizada
na ULA possa ser reutilizado mais adiante (por outra instrução)
ou ser, em seguida, transferido para a memória.
• Há sistemas nos quais o registrador acumulador (ACC), além de
armazenar dados, serve de elemento de ligação da ULA com os
restantes dispositivos da CPU.
19
20
FUNÇÃO DE PROCESSAMENTO DA UCP
• Outros REGISTRADORES ?
• A CPU possui sempre outros registradores com funções específicas
ou que executam função de controle.
• Registrador de Instrução (RI)
• contador de instrução (CI)
• registrador de Endereço de Memória (REM)
• Registrador de Dados de Memória (RDM).
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FUNÇÃO DE PROCESSAMENTO DA UCP
•INFLUÊNCIA DO TAMANHO DA PALAVRA
• A capacidade de processamento de uma UCP(a velocidade com que realiza
o ciclo de uma instrução) é determinada pelo tamanho de sua palavra.
• Vamos realizar a soma de dois valores, A = 3A25 e B = 172C (com 16 bits
cada um).
• A referida soma será simulada em 2 sistemas de computação que possuem
memória principal com células de 8 bits:
• O sistema 1 trabalha com palavras de 8 bit.
• O sistema 2 trabalha com palavras de 16 bits.
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FUNÇÃO DE PROCESSAMENTO DA UCP
•INFLUÊNCIA DO TAMANHO DA PALAVRA
• A capacidade de processamento de uma UCP(a velocidade com que realiza
o ciclo de uma instrução) é determinada pelo tamanho de sua palavra.
• Vamos realizar a soma de dois valores, A = 3A25 e B = 172C (com 16 bits
cada um).
• A referida soma será simulada em 2 sistemas de computação que possuem
memória principal com células de 8 bits:
• O sistema 1 trabalha com palavras de 8 bit.
• O sistema 2 trabalha com palavras de 16 bits.
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Influência do Tamanho da Palavra
(SISTEMA 01)
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Influência do Tamanho da Palavra
(SISTEMA 01)
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Influência do Tamanho da Palavra
(SISTEMA 02)
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Influência do Tamanho da Palavra
(SISTEMA 02)
UNIDADE CENTRAL DE PROCESSAMENTO
(UCP)
ou
PROCESSADOR
FUNÇÃO DE CONTROLE
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FUNÇÃO DE PROCESSAMENTO DA UCP
Em Azul
F
FUNÇÃO DE CONTROLE DA UCP
•É a parte funcional da CPU que realiza as atividades de:
• 1) Busca de instrução a ser executada, armazenando-a no RI
(registrador de instrução)
• 2) Interpretação das ações a serem desencadeadas com a instrução
(realizada pelo decodificador)
• 3) Geração de sinais de controle para a execução da instrução. Esses
sinais de controle são enviados aos diversos componentes do sistema,
sejam internos da CPU (como a ULA) ou externos (como a memória ou
E/S).
1
2
3
30
FUNÇÃO DE CONTROLE DA UCP
•Os dispositivos que fazem parte desta área funcional
são:
•
•
•
•
•
•
•
1) Unidade de controle (UC);
2) Decodificador;
3) Registrador de instrução (RI);
4) Contador de Instrução (CI);
5) Relógio (Clock) ou gerador de sinais;
6) Registradores de endereço de memória (REM)
7) Registrador de dados da memória (RDM).
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FUNÇÃO DE CONTROLE DA UCP
33
FUNÇÃO DE CONTROLE DA UCP
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FUNÇÃO DE CONTROLE DA UCP
•RELÓGIO:
• Um ciclo de relógio ou de máquina (gerado por um cristal de
quartzo) é o intervalo de tempo entre o início de um pulso e o
início do seguinte.
• Uma operação elementar (busca da instrução, por exemplo)
realiza-se em diversos passos no ciclo de instrução (de uma
instrução de SOMA por exemplo) e, por essa razão, costuma-se
dividir o ciclo em subciclos defasados no tempo, de modo que
cada um aciona um passo diferente da operação elementar.
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FUNÇÃO DE CONTROLE DA UCP
•UNIDADE DE CONTROLE:
• 1) Tem como função executar a instrução armazenada no RI através de
sinais de controle que emite em instantes de tempo programados
(subciclos). Esses sinais de controle são enviados aos diversos
componentes do sistema, sejam internos da CPU (como a ULA) ou externos
(como a memória ou E/S)
• 2) Os sinais de controle emitidos ocorrem em vários instantes durante o
período de realização de um ciclo de instrução 3) que são cadenciados pelo
gerador de sinais conhecido como relógio
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2
1
1
3
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FUNÇÃO DE CONTROLE DA UCP
• DECODIFICADOR DE INSTRUÇÃO
•
•
1) Dispositivo utilizado para identificar as operações a serem realizadas
(operações que estão correlacionadas à instrução em execução) 2) acionando
uma entrada específica da UC, 3) que por sua vez saberá que sinais devem ser
emitidos.
Cada instrução é uma ordem para que a CPU realize uma operação. É necessário
que cada instrução possua uma identificação própria e única. A unidade de
controle está, por sua vez, preparada para sinalizar adequadamente aos diversos
dispositivos da CPU, conforme ela tenha identificado a instrução a ser executada.
0101
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0
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5
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FUNÇÃO DE CONTROLE DA UCP
• DECODIFICADOR DE INSTRUÇÃO
LEMBRA ???
0101
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FUNÇÃO DE CONTROLE DA UCP
• RDM e REM:
• São os registradores utilizados pela CPU
comunicação e transferência de informação.
e
memória
para
• RDM: possui um tamanho igual ao da palavra e do barramento de dados.
• REM: possui um tamanho igual ao dos endereços da memória (e barramento
de endereços).
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FUNÇÃO DE CONTROLE DA UCP
• REGISTRADOR DE INSTRUÇÃO (RI):
• Armazena a instrução a ser executada pela UCP. (1)
• Ao se iniciar um ciclo de instrução, a (1) UC emite o sinal de
controle que acarretará a realização de um ciclo de leitura para
(2) buscar a instrução na memória (uma cópia dela), e que, (3)
via barramento de dados e (4) RDM, será (5) armazenado no RI.
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3
2
5
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FUNÇÃO DE CONTROLE DA UCP
• CONTADOR DE INSTRUÇÃO (CI):
• Armazenar o endereço da próxima instrução a ser executada.
• Tão logo a instrução que vai ser executada seja buscada (lida) da
memória para a CPU (início do ciclo de instrução), o sistema
providencia a modificação do conteúdo do CI de modo que ele
passe a armazenar o endereço da próxima instrução na
seqüência
CI = 1
CI = 6
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