Introdução à Arquitetura de Computadores Prof.ª Ms. Elaine Cecília Gatto

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Modelo de Von Neumann

• O nome refere-se ao matemático John Von Neumann, que foi considerado o criador dos computadores da forma como são projetados até hoje. Entretanto, outras pessoas também estiverem envolvidas no processo.

• A idéia do modelo surgiu da necessidade de armazenar programas em um computador, pois, até então, ainda não haviam formas de armazenamento de programas em um computador.

• Von Neumann e outros pesquisadores descobriram que, utilizando dispositivos de memória em formas de linha de retardo de mercúrio, poderiam armazenar instruções de programas.

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Modelo de Von Neumann

• A proposta inicial de um computador de programa armazenado, denominado IAS (Princeton Institute for Advanced Studies), relatada pelo próprio von Neumann era:

• Primeira Parte Específica – Central Arithmetic ou CA: O dispositivo deve realizar as operações elementares da aritmética mais frequentemente, e por este motivo, deve ter unidades especializadas apenas para essas operações;

• Segunda Parte Específica – Control Center ou CC: A sequenciação apropriada das operações pode ser executado, de forma mais eficiente, por um controle central;

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Modelo de Von Neumann

• Terceira Parte Específica:

• Memória ou M: Qualquer dispositivo que tiver que executar longas e complicadas sequencias de operações precisa ter uma memória considerável.

• Recording ou R: deve ser capaz de manter contato de entrada e saída, que são os neuronios correspondentes sensoriais e motores do cérebro humano.

• Quarta Parte Específica – Input I: é necessário ter unidades para transferencia de informações de R para M.

• Quinta Parte Específica – Output O: é necessário ter unidades para transferencia de informações de M para R.

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Modelo de Von Neumann

• O modelo de Von Neumann é também chamado de sistemas de von Neumann ou arquitetura de von Neumann e são denominados de computadores com programas armazenados.

• As características destas máquinas são as seguintes:

• 3 sistemas de hardware:

1. UCP ou CPU – Unidade Central de Processamento que contém:

• Uma unidade de controle (UC);

• Uma unidade lógica aritmética (ULA);

• Vários registradores (memórias internas da CPU);

• Um contador de programa (PC);

2. Sistema de Memória Principal;

3. Sistema de Entrada/Saída;

• Capacidade para executar instruções sequencialmente;

• Possui apenas um caminho de dados entre a UCP e a memória principal (chamado de Gargalo de von Neumann)

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Modelo de Von Neumann

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Modelo de Von Neumann

• Ciclo de execução de von Neumann:

• Ciclo de busca-decodificação-execução de instruções, isto é, busca uma instrução, decodifica-a e a executa;

• Descreve como a máquina (o hardware) trabalha com as instruções que devem ser executadas.

• A CPU tem como função:

• Executar programas que estão armazenados na memória principal;

• Buscar as instruções desses programas;

• Examinar essas instruções;

• Executar as instruções uma após a outra (sequencia);

• A unidade de controle tem como função:

• Buscar instruções na memória principal;

• Determinar o tipo dessas instruções;

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Modelo de Von Neumann

• A unidade lógica aritmética tem como função:

• Efetuar operações aritméticas;

• Efetuar operações booleanas (e, ou, not, etc)

• Essas operações são necessárias para a execução das instruções dos programas;

• Registradores da CPU:

• São memórias de alta velocidade;

• Armazenam resultados temporários “dentro” da CPU;

• São usados para controlar as informações;

• Cada registrador tem uma função e um tamanho (em bits e/ou bytes);

• São lidos e escritos em alta velocidade pois são internos à CPU;

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Modelo de Von Neumann

• OBS.: a CPU não consegue manter todos os valores manipulados por um programa apenas em registradores, por isso necessita de uma memória para o armazenamento das informações. Mais detalhes serão discutidos à frente.

• Contador de programa ou Programm Counter:

• É o registrador mais importante da CPU;

• Indica a próxima instrução a ser buscada para execução;

• Registrador de Instrução (IR):

• Contém a instrução que está sendo executada no momento em questão;

• Como esses dispositivos eletrônicos conversam? Barramentos!

• Barramento: é um conjunto de fios paralelos (condutores de energia) que transmistem endereços da memória e dos registradores, dados e também sinais de controle; é por onde transitam os bits 9

Modelo de Von Neumann

• Barramentos internos à CPU: quando estão dentro da pastilha da CPU;

• Barramentos externos à CPU: são aqueles que conectam a memória e os dispositivos de E/S à CPU.

• Conceitos importantes sobre barramentos:

• Largura do barramento: é o número de bits que são transportados em uma operação. Exemplo: a largura do barramento do 486 era de 32 bits.

• Frequencia de operação: é a velocidade com que os dados são transmitidos no barramento. Exemplo: o barramento externo do Pentium I operava a 66Mhz.

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Modelo de Von Neumann

• Exemplo de execução de uma instrução em máquinas do modelo de von Neumann:

• A unidade de controle busca a próxima instrução do programa na memória principal;

• O contador de programa é usado pela unidade de controle para determinar onde a instrução está localizada;

• A instrução é decodificada para uma linguagem que a unidade lógica aritmética possa entender;

• Os operandos de dados requeridos para executar a instrução são carregados da memória e colocados em registradores;

• A unidade lógica aritmética executa a instrução e coloca os resultados em registradores ou na memória.

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Modelo de Von Neumann

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Referencias

1. MONTEIRO, Mario A. Introdução a Organização de Computadores. 5ª ed. Rio de Janeiro: LTC, 2007

2. TANENBAUM, Andrew S. Organização Estruturada de Computadores. 5ª ed. São Paulo: Pearson Prentice Hall, 2010.

3. STALLINGS, William. Arquitetura e Organização de Computadores. 8ª ed. São Paulo: Pearson Prentice Hall, 2010.

4. NULL, Linda. Princípios Básicos de Arquitetura e Organização de Computadores. 2ª ed. Porto Alegre: Bookman, 2010.

5. LORIN, Harold. Introducao a Arquitetura e Organizacao de Computadores. Rio de Janeiro: Campus, 11985.

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Referencias 1. PATTERSON, David A.; HENNESSY, John L. Computer Organization

and Design: The Hardware And Software Interface. 2ª ed. San Francisco, USA: Morgan Kaufmann, 1998.

2. PATTERSON, David A.; HENNESSY, John L. Organização e Projeto de Computadores: A Interface Hardware e Software. 2ª ed. Rio de Janeiro: LTC, 2000.

3. WEBER, Raul Fernando. Fundamentos de Arquitetura de Computadores. 3ª ed. Porto Alegre, RS: Bookman, Instituto de Informatica da UFRGS, 2008.

4. TANENBAUM, Andrew S. Organização Estruturada de Computadores. 4ª ed. Rio de Janeiro: LTC, 2001.

5. TANENBAUM, Andrew S. Organização Estruturada de Computadores. 5ª ed. São Paulo: Pearson Prentice Hall, 2009.

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Referencias 1. HENNESSY, JOHAN L. Arquitetura de Computadores: uma

abordagem quantitativa. Rio de Janeiro: Campus, 2003.

2. REBONATO, MARCELO T. Organização de Computadores: notas de aula. Universidade de Passo Fundo.

3. RICARTE, IVAN l. M. Organização de Computadores. Universidade Estadual de Campinas.

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