Arquitetura de Computadores

Aula-tema 01: Estrutura e Funcionamento da CPU: introdução

Antes de começarmos a estudar a CPU, é interessante entendermos alguns conceitos simples. O conjunto de hardware e software forma o considerado sistema de computação, para executarmos um processamento. É interessante saber as diferenças entre o hardware e o software. O hardware é o equipamento físico, representado no computador por suas partes magnéticas, ópticas, mecânicas e eletrônicas. Ele é formado por: unidade central de processamento, memória e dispositivos de entrada/saída de dados. O software é o conjunto de instruções capaz de fazer com que o computador processe cada dado, resultando no objetivo. De forma geral, dizemos que o equipamento (hardware) é útil desde que seu software seja satisfatório. 

Os computadores mais comuns foram baseados no conceito de programa armazenado, de Von-Neumann. Esta arquitetura foi proposta em 1945, e tem por elementos principais: memória, unidade aritmética lógica, registradores, unidade central de processadores, unidade de controle e dados de entrada. Tal arquitetura dá a possibilidade de uma máquina digital guardar programas e dados no mesmo espaço, ou seja, mesmo barramento para os dados e para as instruções.

Quanto à sua evolução, podemos considerar o primeiro microprocessador comercial foi o 4004, desenvolvido pela Intel em 1971, exclusivo com circuito programável, com registradores de 4 bits, 46 instruções, clock de 740Khz e aproximadamente 2300 transistores. Após isso, veio o 8008, com 8 bits e, logo em seguida, o 8085. Esse modelo serviu de base para os primeiros microcomputadores pessoais de 1970. 

Em 1981, a IBM entrou no mercado de computadores pessoais, com o IBM-PC, utilizando microprocessadores de 16 bits, o 8088. A Apple, com o Macintosh fazia uso de processadores da Motorola, os 68000, com 32 bits. Como a Intel se difundiu, lançaram os processadores da família 80X86, em seguida os processadores Pentium e ainda temos os processadores Dual Core. A AMD, como concorrente direta da Intel, iniciou os microprocessadores da linha x86 e, posteriormente, passou a focar em seus próprios microprocessadores: K6, Athlon, Duron, Turion, Sempron, entre outros. Fora da disputa entre Intel e AMD, a IBM comercializava a linha PowerPC, que era usada principalmente pela Apple.

A CPU (do inglês Central Process Unit) é a unidade central de processamento do computador, muito conhecida como cérebro do computador justamente por  todos os cálculos e trocas  de dados que acontecem nela. É um conjunto de peças responsável pelo funcionamento do computador, sendo composta pela unidade de aritmética e lógica, unidade de controle e registradores. Sua função é basicamente executar programas armazenados na memória buscando as instruções, examinando-as e executando-as uma após a outra. Os componentes da CPU são:

• Unidade de controle: responsável por buscar instruções na memória determinando seu tipo;
• Unidade lógica e aritmética (ULA ou ALU): circuito digital que executa operações lógicas e aritméticas;
• Registradores: pequenas memórias para armazenamento temporário, controlando informações.

Tais componentes são ligados por barramentos, que permitem a comunicação de dispositivos internos e externos.

Quanto à organização dos processadores, a CPU é responsável por:

• Buscar a instrução: ler a instrução da memória;
• Interpretar a instrução: decodificar e escolher a ação correta;
• Buscar dados: executar uma instrução lógica ou aritmética;
• Escrever os dados na memória ou em algum dispositivo de entrada e saída.

Um exemplo claro do ciclo de instruções pode ser:

1. Trazer a instrução da memória para o registrador;
2. O contador é alterado, a fim de indicar a próxima instrução;
3. Determinar o tipo de instrução;
4. Executar a instrução;
5. Armazenar o resultado e;
6. Voltar para o primeiro passo, mas com a próxima instrução.

Quanto à organização dos registradores, podemos dizer que se dividem em:

Conceitos Fundamentais

Ciclo de instrução – Conjunto de etapas que foram programadas na Unidade de Controle, acessando a memória principal para buscar uma instrução, interpretá-la e executá-la.

CPU (Computer Processing Unit) – Conhecido também como processador, é o componente do computador capaz de entender e realizar uma operação definida por uma instrução da máquina.

Barramento – Elemento responsável pela comunicação dos dispositivos internos do computador. Usualmente constituído por linhas de transmissão por onde  sinais elétricos transitam entre os componentes do sistema.

Dispositivo de entrada e saída – Também chamado de periférico, responsável pela interação entre dispositivos e também pela interação homem-máquina, tornando possível a entrada e saída de dados.

Memória principal – Tipo de memória para armazenamento de instruções e dados a serem usados (ou em uso) pela CPU.

Referências

MONTEIRO, M. A. Introdução à Organização de Computadores. 5ª ed. Rio de Janeiro: LTC - Livros Técnicos e Científicos, 2007, v.1.

HENNESSY, J. L.. Arquitetura de Computadores: Uma Abordagem Quantitativa. 4ª ed. São Paulo: Campus - Elsevier, 2009.

WEBER, R. F. Arquitetura de Computadores Pessoais. 2ª ed. Porto Alegre: Sagra-Luzzatto, 2008.

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Aula-tema 02: Estrutura e Funcionamento da CPU: conjuntos e ciclos de instruções

Nessa aula-tema, trataremos da classificação de dados, segundo o aspecto do armazenamento. Basicamente, um computador processa, armazena, transfere e controla os dados. Para obter êxito nessas funções, é necessário que o computador execute os programas, ou seja, instruções.  Os computadores mais comuns foram baseados no conceito de programa armazenado, de Von-Neuman. As instruções do programa e os dados ficam armazenados em uma memória, de forma que a alteração de um programa consiste na alteração de um endereço de memória.

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