A Arquitetura de Computador

A grande maioria dos computadores atuais é constituída de dois ou mais níveis, podendo atingir até seis níveis, como apresentado na figura 1.

 

  

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 Figura 1 – Computador com seis níveis

 

 

NÍVEL DE LÓGICA DIGITAL

 

O nível mais baixo (nível 0), ou nível de lógica digital é composto pelo hardware da máquina. Seus circuitos executam programas na linguagem do nível 1.

Os elementos de interesse desse nível são conhecidos como portas lógicas. Apesar de constituídas por elementos analógicos tais como transistores, as portas lógicas podem ser modeladas como dispositivos digitais. Cada porta lógica tem uma ou mais entradas digitais (sinais que representam os valores lógicos 0 ou 1) e calcula algumas funções bastante simples sobre essas entradas, como AND (E) e OR (OU) e NOT ( NEGAÇÃO ). Ou seja, as operações básicas da álgebra booleana. Cada porta lógica é construída a partir de um conjunto de transistores.

Certa quantidade destas portas pode ser combinada de modo a formar, por exemplo, uma memória de 1 bit, dispositivo capaz de armazenar o valor 0 ou o valor 1. Tais dispositivos com capacidade de armazenar um bit de informação, é muitas vezes denominado latch ou flip-flop. Memórias de 1 bit podem ser combinadas em grupos de maneira a formar, por exemplo, registradores de 16, 32 ou 64 bits. Cada registrador pode guardar uma única sequência de bits, até um dado valor máximo. Em resumo, as portas lógicas podem ser combinadas para formar o principal dispositivo de um sistema computacional, o processador.

 

Obs.: Quando dizemos que um dado processador é de 8, 16, 32 ou 64 bits geralmente estamos nos referindo ao número de flip-flops de seus registradores internos.

 

O nível de lógica digital é o mais primitivo. Como constitui o hardware básico de qualquer computador digital, mesmo os primeiros computadores possuíam esse nível. É a eletrônica que compõe a máquina física.

Existe um nível ainda mais baixo, quando consideramos os transistores que compõem as portas lógicas. Portanto, o nível inferior à lógica digital é a a Microeletrônica. Um nível ainda mais baixo, estuda como os transistores dos microcircuitos funcionam. Esse nível é a Física do Estado Sólido.

 

 

NÍVEL DE MICROARQUITETURA

 

No nível de microarquitetura encontra-se um conjunto de 8 a 32 registradores que formam a memória local, e também um circuito denominado ULA ( Unidade  Lógica e Aritmética ) que é capaz de realizar operações aritméticas simples. Os registradores são conectados à ULA formando o caminho de dados, por onde os dados transitam. Tais caminhos de dados são os barramentos internos do processador.

Este nível também define se as instruções em linguagem de máquina são interpretadas como microprogramas ( processadores CISC ), ou se são executadas diretamente pelo hardware ( processadores RISC ).

 

 O nível de microarquitetura também estuda os registradores necessários para a operação do processador. Muitos desses registradores são invisíveis ou transparentes para o nível ISA. O programador não possui acesso a eles. Por exemplo, é necessário um registrador para endereçar as instruções que são buscadas na memória durante a execução dos programas. Um outro registrador é necessário para armazenar a instrução que foi buscada na memória, para que seja decodificada e em seguida, executada.

 Essas operações devem ocorrer independentemente do que é programado nas instruções da máquina. Fazem parte do projeto do microprocessador e funcionam da mesmas maneira qualquer que seja a instrução executada.

 

NÍVEL DO CONJUNTO DE INSTRUÇÕES DA MÁQUINA ( ISA )

 

O nível 2 é denominado nível da arquitetura do conjunto de instruções ( ou nível ISA – Instruction Set Architecture). Este nível contém o conjunto de instruções que são executadas por meio de microprogramação ( no caso de processadores CISC ) ou diretamente pelo hardware da máquina ( processadores RISC ). O nível ISA estabelece o formato e tamanho em bits das instruções, o número de ciclos de clock que cada instrução consome, e o número de instruções presentes no processador, bem como o tamanho em bits e os tipos de dados manipulados pelas instruções. Define por exemplo, se um processador possui uma instrução de divisão, ou se será necessário desenvolver uma rotina com instruções de subtração criada por um programador para realizar uma operação de divisão.

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- a ULA ( Unidade Lógica e Aritmética ): onde o processamento dos dados ocorre

- os registradores da CPU: onde os dados de entrada ( operandos ) ou saída ( resultado ) das operações são armazenados.

- a UC ( Unidade de Controle ): que gera os sinais que coordenam o funcionamento da CPU.

Existe ainda um quarto componente, que é o sistema de barramentos internos da CPU, que promove a comunicação ( movimento de dados ) entre os outros três elementos.

Como podemos ver na figura seguinte, todos estes elementos se comunicam através de um barramento.

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Figura 1 - A organização de um computador simples

   Na figura, também podemos ver que a CPU internamente é composta por várias partes distintas. A unidade de controle é responsável por buscar instruções na memória e determinar o seu tipo ( ou seja, decodificar a instrução ). A Unidade Lógica e Aritmética executa operações matemáticas simples como  adição e E booleano.

A CPU também contém uma pequena quantidade de alta velocidade, que é utilizada na execução de instruções. Essa memória é organizada em registradores. Cada registrador tem um tamanho fixo (comprimento em bits) e um propósito específico, como o Contador de Programa (PC – Program Counter). A função de PC é identificar qual a próxima instrução a ser trazida para a CPU do programa em execução. Ou o Acumulador que é acessado pelos programas para fornecer operandos ou ler o resultado de operações. O acumulador é um registrador visível ao programador. Já o PC nem sempre é.