Apostila Arquitetura de Computadores

Organização e Arquitetura de Computadores

Ementa

• Histórico e Conceitos Básicos.
• O Sistema de Computação.
• Barramentos.
• Memória Interna e Externa.
• Entrada e Saída.
• Suporte ao Sistema Operacional.
• A Unidade Central de Processamento.
• Unidade Lógica e Aritmética.
• Conjunto de Instruções.
• Endereçamento.
• Registradores, pipelines, caches.
• CISC e RISC.
• Paralelismo de Instruções.
• Unidade de Controle.
• Arquiteturas Paralelas.

Objetivos

• Estimular o desenvolvimento de uma visão crítica em relação às tecnologias computacionais existentes para uma dada aplicação.

• Familiarizar os alunos com os elementos que compõem um sistema de computação, bem como com as soluções (implementação e tecnologia) atuais usadas.

Introdução

Todos sabemos que os computadores se tornaram parte da vida rotineira. O trabalho inteligente que eles executam com uma dada instrução vale à pena a sua exploração. À primeira vista, uma questão comum que surge quando começamos a estudar o funcionamento dos computadores é: “que tipo de processo está acontecendo dentro de um computador  quando lhe damos uma instrução ou comando? o que acontece dentro dele?” É isto que vai ser explorado nesta apostila.

Como o tema abordado é Organização e Arquitetura de Computadores, deve-se primeiramente diferenciar os termos organização e arquitetura.

A Organização de Computadores está focada na forma com que os componentes de hardware estão interconectados para formar um sistema computacional.

A Arquitetura de Computadores preocupa-se com a estrutura e comportamento dos vários módulos funcionais de um computador, e como eles interagem para atender às necessidades de processamento do usuário.

Sistemas Computacionais

• Computador _máquina capaz de sistematicamente coletar, manipular e fornecer os resultados da manipulação de informações para um ou mais objetivos.

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       O computador segue conjuntos de instruções(ALGORITIMOS), que formam os programas.

EX.:

Algoritmo para somar 100 números.

1. Escrever e guardar N=0 e SOMA=0

2. Ler número de entrada.

3. Somar valor do número ao de SOMA e guardar resultado em SOMA.

4. Somar 1 ao valor de N e guardar resultado como novo N.

5. Se valor de N for menor que 100, então passar para item 2.

6. Senão: imprimir valor de SOMA.

7. Parar.

Como representar os dados no computador?

• 26 caracteres alfabéticos minúsculos _a, b, c, ...

• 26 caracteres alfabéticos maiúsculos _A, B, C, ...

• 4 símbolos de pontuação _. , ; :

• 10 caracteres numéricos _0, 1, 2, 3, ...

• Símbolos de operações matemáticas _+ - * /

• Outros símbolos _( ) ? # $ % @ & ...

Um computador, em sua lógica, pode ter uma dos seguintes sistemas numéricos:

• Sistema decimal _10 dígitos (0, 1, 2, ..., 9).

• Sistema octal _8 dígitos (0, 1, 2, ..., 7).

• Sistema Hexadecimal _16 dígitos (0, 1, 2, ..., 9, A, B, C, D ,E, F).

• Sistema binário _2 dígitos (0 e 1).

Porém, uma máquina com linguagem binária é mais barata, mais confiável, consome menos recursos e pode processar dados de modo mais eficiente que outra máquina com outro tipo de sistema. Os computadores atuais utilizam como base o sistema binário.

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Tipos de Linguagem

• Linguagem de máquina _0 (zero) e 1 (um).

• Linguagem de alto nível _C, Delphi, Java, etc.

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Proposta de Arquitetura de John von Neumann (em 1945)

• 1. Unidade Lógica e Aritmética (CA)

— Se um computador deve realizar operações matemáticas, precisa de uma unidade específica

• 2. Memória (M)

— Se um computador vai realizar operações complexas, precisade memória

• 3. Unidade de Controle (CC)

— A sequência apropriada de operações será mais eficiente se realizada por uma unidade de controle central

• 4. Unidade de Entrada (I)

— Se um computador deve receber dados do exterior, precisa transferir esses dados através de uma unidade específica

• 5. Unidade de Saída (O)

— Se um computador deve retornar resultados para o exterior, precisa de uma unidade específica

• Essas 2 partes são os neurônios sensoriais (E) e motores (S)!

CA – Central Arithmetic; M – Memory; CC - Central Control; I – Input; O – Output.

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BREVE HISTÓRICO

Computadores mecânicos (Geração zero)

Computadores comerciais (1ª Geração)

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• 1947 – Eckert-Mauchly Computer Corporation.

• UNIVAC I (Universal Automatic Computer).