Esquema básico do computador

Arquitetura do Computador
O interior da máquina.
O computador tal qual conhecemos derivou da busca da automatização de cálculos, sendo esta a base da sua
arquitetura interna. Desde Babbage tem-se a pretensão de construir uma máquina automática e programável de
cálculos - a máquina analítica . A partir desta concepção Von Neumann concebeu a arquitetura básica do
computador que hoje conhecemos.
Nos anos 1830, Babbage concebeu uma
máquina que fizesse qualquer tipo de
cálculo. A máquina analítica tinha a
estrutura mostrada ao lado [HAY 78].
Haveria uma máquina para executar as
operações - o engenho - e um local para
armazenar os dados calculados - o armazém .
Para realizar as equações, seriam entradas as
operações no engenho e as variáveis no
armazém, de onde o engenho pegaria durante a
realização dos cálculos. As entradas e a saída
dos resultados seriam na forma de cartões, do
mesmo tipo utilizado em teares Jacquard.
Babbage nunca terminaria esta máquina, porém
sua proposta deu origem à arquitetura atual dos
computadores.
A arquitetura atual foi proposta nos anos
40 pelo matemático John Von Neumann,
baseada na concepção de Babbage. De uma
forma geral, Von Neumann conseguiu abstrair
os principais componentes da máquina
analítica, que seriam essenciais à construção do computador. O esquema básico desta arquitetura era o seguinte
[KHA 84]:
Há um sistema de relação com o mundo exterior e um
processamento interno, com acesso à memória. Para relação exterior,
há dispositivos de entrada e de saída, que fornecem
dados ao processador. Este, escrevendo ou
consultando a memória, passa os dados
resultantes do processamento dos dispositivos
de saída. Até a década de 80 a arquitetura geral dos
computadores seguia este padrão. Como todo o dado de
entrada deveria passar pelo processador, mesmo que não
processado, isso causava um ponto de estagnação,
chamado de gargalo de Von Neumann . A alternativa para
este gargalo no processamento foi a criação de vias de
acesso direto à memória, desimpedindo o
processador de realizar toda a transferência dos
dados
de
entrada
e
de
saída
à
memória.
Atualmente a arquitetura de computador como a definida por Von
Neumann é hoje o padrão seguido na concepção de microprocessadores.
Um esquema básico de arquitetura de microprocessador é mostrado na
figura da próxima página.
Este esquema funciona da seguinte forma: o programa contido na
memória de programa aciona uma verificação de todo o conjunto. Nos
computadores pessoais em geral, esta memória é chamada de BIOS (Basic Input Output System). O programa, que
é transmitido através do barramento de dados é armazenado num dos registradores de dados , do qual passa as
operações a serem executadas pela unidade lógico-aritmética (ULA), sob comando do módulo de tempo e
controle . Provavelmente a primeira operação será um cálculo de endereço, que levará à colocação de um endereço
num dos registradores de endereço . Então, através do barramento de endereços , o
endereço solicitado é transmitido à memória de dados ou a um dispositivo de
entrada e saída para verificação das condições de
funcionamento. A memória ou os demais
dispositivos retornam os resultados através do
barramento de dados .
Após feita a verificação dos componentes,
parte para a leitura do sistema operacional, o qual
deve estar numa memória secundária controlada por
um dispositivo de entrada e saída. Então, um endereço
enviado a um dispositivo de entrada e saída
indica que este deve ler dados e enviá-los para a
memória de dados. Neste caso, os dados são o
programa do sistema operacional que, após o
início de sua execução, irá continuamente gerenciar
os componentes do computador.
O sistema operacional, uma vez na memória
de dados , terá seu código lido pelo programa
residente na memória de programa , e será dado
início à sua execução (sequencia registrador de dados-tempo
e controle-ULA-registrador de endereços ). A partir daí segue sempre da mesma
forma, lendo-se da memória de dados , executando-se o programa, sempre
cadenciado pelo módulo de tempo e controle e calculado na ULA, e acessando-se novamente a memória ou algum
dispositivo de entrada e saída.
Descrevendo-se mais detalhadamente os módulos da arquitetura, tem-se aqueles que compõem o
microprocessador (µP) [KHA 84] [TAU 84]:
Tempo e Controle : contém o relógio do sistema, que dá a cadência das operações efetuadas; e gerencia a
contagem do programa, que define qual instrução será executada a que tempo.
Unidade Lógico-aritmética : realiza as operações matemáticas de soma e subtração binárias. É o centro
do computador, uma vez que cálculos essenciais para endereçamento de memória e controle de periféricos são aqui
realizados, além de cálculos complexos, utilizados nos programas do usuário, que são decompostos e efetuados.
Registradores de Dados : é uma memória rápida, para armazenamento temporário dos dados que irão ser
processados, ou resultados do processamento.
Registradores de Endereços : como os de dados, armazenam temporariamente os endereços a serem
acionados para efetivar uma operação. Estes endereços podem ser áreas de memória ou instruções aos dispositivos
de entrada e saída.
Como auxiliares na execução das tarefas do microprocessador, há ainda dois componentes importantes, os
quais não poderiam de faltar numa arquitetura Von Neumann , a entrada/saída e a memória:
Memória de Programa : armazena permanentemente o programa para inicialização dos módulos do
sistema computacional.
Memória de Dados : armazena temporariamente programas e dados do usuário, que serão ou foram
processados.
Dispositivos de Entrada e Saída : fazem a interface entre o processador e o usuário. São controladores
da parte visível do computador: teclado, mouse, vídeo, drives, etc.
Referências :
[KHA 84] KHAMBATA, A. J. Microprocessadores/microcomputadores. Rio de Janeiro: Campus, 1984.
[HAY 78] HAYES, J. P. Computer Architecture and Organization. New York: McGraw-Hill, 1978.
[TAU 84] TAUB, H. Circuitos Digitais e Microprocessadores. São Paulo: McGraw-Hill, 1984.