ARQC_Tema01

1Arquitectura dos Computadores

Enquadramento e resumo histrico Conceitos Bsicos: Modelo de Sistema Computacional Sistemas Binrios Processadores Mecanismos de Programao Tcnicas de Construo de um Computador Descrio da Arquitetura interna de um processador Prticas com desenho e simulao de sistemas __________________________________________________________________Ver com mais detalhes plano temticoCarga horria: 60 horas

Resumo Programtico: Arquitectura de Computadores

UTANGA Arquitetura dos Computadores - Chicapa, E. - 2015


Sistemas Binrios Circuitos eletrnicos digitais lgebra de Boole Funes Lgicas Circuitos Combinatrios Circuitos Sequenciais Representao de nmeros Operaes aritmticas Trabalho Prtico

Programa: Arquitetura de Computadores



Processadores(Projecto de um Computador de 8 Bits) Componentes Bsicos RAM Processador Programao de baixo nvel Perifricos Concluses Trabalho Prtico

Programa: Arquitetura de Computadores



Projecto de um ComputadorProcessador de 8 Bits

Unidade de Dados Registo na unidade de dados Unidade de lgica e aritmtica (ALU) Funcionamento da unidade de dados

Unidade de Controlo Sinais de Controlo Contador de Programa (PC) Exemplo de um programa simples Constantes Saltos Funcionamento detalhado

O processamento e as memrias Processador Memria de Dados Memria de Instrues

Programa : Arquitetura de Computadores



Programao em baixo Nvel Instrues em vez de sinais de controlo Linguagem Assembly Implementao das instrues Programao em linguagem Assembly Caso Prtico: Programao processador de 8 bits

Perifricos Estrutura do Hardware Programao com Perifricos

Perifricos de sadaPerifricos de entrada

Programa : Arquitetura de Computadores



Bibliografia PrincipalARQUITETURA DE COMPUTADORES

5 Edio, Editora FCAISBN: 978-972-722-789-1Jos Delgado e Carlos Ribeiro


Arquitetura de Computadores

Arquitectura Computadores

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Sumrio Conceitos bsicos O modelo de Computador Blocos fundamentais de um Computador Funcionamento bsico

Conceitos Bsicos: Modelo de Sistema Computacional


MODELO DE SISTEMA COMPUTACIONALDE JOHN VON NEUMANN




O computador a verdadeira caixa que mudou o mundo, mas no f-lo pormrito prprio, pelo contrrio, este executa cegamente as instrues que lhedo, sem saber o que est a fazer. A inteligncia aparente de alguns programas apenas a do programador humano, que soube antever as vrias situaespossveis.O computador a ferramenta mais elaborada que o homem j desenvolveu.Uma das suas caracteristicas fundamentais servir para desenvolver outrasferramentas, actuando como mata-ferramenta e aumentando de formaexponencial o ritmo de desenvolvimento da sociedade;Entretanto, h que considerar a existencia de algum paralelismo entre o modelode funcionamento de um computador, incluindo os seus blocos constituintes, e omodelo macroscpico e organizacional do comportamento de um ser humano,na sua vida do dia-a-dia



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Arquitectura dos Computadores

Paralelismo entre o modelo de funcionamento de um computador, incluindo osseus blocos constituintes, e o modelo macroscpico e organizacional docomportamento de um ser humanoCaractersticas dos Computadores versus Homem

Computador Automatizao Capacidade (de memoria e processamento) Rapidez Fiabilidade Custo

Homem Inteligncia Criatividade Trabalho fsico especializado



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MODELO DE COMPUTADOR Como um computador moderno funciona?

- Compreender o nvel de mquinaPor mais sofisticada que seja uma linguagem de programao

utilizada, a verdadeira computao ocorre ao nvel de mquina, procuraremos, nas pginas seguintes, mostrar o essencial doque acaba de ser dito.



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DefiniesUm computador, em termos de hardware, um conjuntode circuitos electrnicos que manipulam sinais elctricos eque so capazes de transformar sinais de entrada em sinaisde sada.Os sinais elctricos podem ser representados fundamentalmentepor nmeros binrios( zeros e uns).Qualquer processo computacional nada mais do quea manipulao dos dados residentes em memria, atravsde alteraes de sinais elctricos, feita por circuitos(electrnicos) integrados, implementados, regra geral,em placas de silcio.



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Modelo Clssico de Estrutura de um ComputadorConceitos Bsicos: Modelo de Sistema Computacional


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Blocos fundamentais de um Computador

Processador: Executa as instrues Memria de Instrues: Onde as instrues que compem o programa esto armazenados Memria de Dados: Usada para armazenar os dados de entrada, os dados intermdios e os dados de sada do programa Interface com o mundo exterior: Para interaco com este

A memria de instrues suporta apenas leitura. A escrita ocorre apenas antes da execuo do programa comear, evitando-se a possibilidade de um programa de se automodificar, provendo a segurana e a simplicidade



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Funcionamento BsicoO sistema funciona em ciclo, em que o processador o motor e executarepetidamente, os seguintes passos: L uma instruo da memria de instrues Interpreta a instruo e v que operao necessria fazer L da memria de dados a informao necessria para executar essaoperao Executa a operao Armazena o resultado dessa operao na memria de dados Volta ao primeiro passo, onde ir ler a instruo seguinte na memria deinstruesAlgumas instrues usam a interface com o mundo exterior em vez damemria de dados como referido acima, nos passos 3 ou 5 ou em ambos. esta troca de informao com o exterior que permite ao computador interagircom o mundo que o rodeia



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Originalmente, a Arquitectura Clssica conhecida comoModelo ou Arquitectura de Von Neumann



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Modelo de Computadorde John Von Neumann Os programas e os dados podem ficar simultaneamente em

memria. preciso implementar em hardware um conjunto limitado de

instrues que so usados pelos programas que estoem memria.

Existe o ciclo de execuo de instrues que controlaa execuo do programa

A realizao de operaes complexas feita com basena execuo de vrias instrues elementares de mquina, acimacitadas.

Cada fabricante define o seu conjunto de instrues elementaresque ditam, de resto, tudo o que o computador sabe fazer.



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Modelo de Computador de John Von NeumannNeste modelo, a memoria do computador em um dado instante dotempo, uma configurao de sinais eletricos que podem ser vistospelo ser humano como uma sequncia absurda de zeros e uns(chamados de sequncia de bits).O ser humano costuma no gostar muito desta forma de visualizao,ento convencionou algumas maneiras de encarar nmeros inteirosque representam os bits. Apresentaremos oportunamente algumas dasdiversas maneiras de converso de nmeros, como abinrio-decimalbinrio-hexadecimal, etc.



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Representao simblica dos elementos de memriaA memria do computador num determinado instante,

configura um formato de sinais elctricos, que podem ser vistos poruma sequncia de zeros e uns, conhecidos por bits.

A memria pode ser vista como uma tabela contendondices (endereos) com contedos (dados)

ndice (Endereo) Contedo (Dados)0 41 102 8


Exemplo de Implementao do modelo de John Von Neumann

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Representao simblica dos elementos de memriaSeja p um endereo de memria,ento [p] o contedo do endereo p.Na figura abaixo,

p = 0 -> [p] = 4p = 1 -> [p] = 10p = 2 -> [p] = 8

ndice (Endereo) Contedo (Dados)0 41 102 8


Implementao do modelo de John Von Neumann

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De acordo com a tabela abaixo,podemos efectuar operaes elementares sobre endereos;Assim, por exemplo:

[ [0] ] = [4] = 15[ [0] + 11] = [ 4 + 11 ] = [15] = 200[ [ [0] ] ] = [ [ 4 ] ] = [ 15 ] = 200

ndice (Endereo) Contedo (Dados)0 41 102 83 154 15 15 200



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Definio do Conjunto de instrues de mquinaComo j foi observado, o conjunto de instrues mquina umprojecto exclusivo do fabricante, que depende de vrios factores,como os de ordem tecnolgica, oramental, etc.No nosso exemplo, apresentaremos um esquema to simples quantopermita uma melhor compreenso e anlise por parte do leitor.O sistema em anlise ter apenas (9) nove instrues, como pode servisto na pgina seguinte.



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TABELA DE INSTRUESCdigo da Instruo Mnemnica1 carregue (load)2 adicione (add)3 subtraia (sub)4 multiplique (mult)5 divida (div)6 raiz-quadrada (sqrt)17 leia (read)8 escreva (write)9 pre (stop)

1 Entenda-se, a expresso como sendo extraia a raz quadrada



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TABELA DE INSTRUES Descrio e NotaoMnemnica Descrio Notaocarregue (load) Escreva em [p + 1] o valor do

nmero em [p + 2] e some 3 em p[p+1] [p + 2]

adicione (add) Escreva em [p + 1] o valor da soma dos nmeros em [[p +2]] e [[p + 3]] e some 4 em p

[p+1] [[p + 2]] + [[p + 3]]

subtraia (sub) Escreva em [p + 1] a valor da subtraco dos nmeros em [[p +2] ]e [[p + 3] ] e some 4 em p

[p+1] [[p + 2]]- [[p + 3]]



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TABELA DE INSTRUES Descrio e NotaoMnemnica Descrio Notaomultiplique (mult) Escreva em [p + 1] o valor do

produto dos nmeros em [[p + 2]] e [[p + 3]] e some 4 em p

[p+1] [[p + 2]] x [[p + 3]]

divida (div) Escreva em [p + 1] o valor da diviso dos nmeros em [[p + 2]] e [[p + 3]] e some 4 em p

[p+1] [[p + 2]] / [[p + 3]]

raiz (sqrt) Escreva em [p + 1] o valor da raiz quadrada de [[p +2] ] e some 3 em p

[p+1] [[p + 2]]



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TABELA DE INSTRUES Descrio e NotaoMnemnica Descrio Notaoleia (read) Leia um dado do teclado, escreva-

o em [p + 1] e some 2 a p[ p + 1 ] E

escreva (write) Escreva [ [ p + 1 ] ] na sadapadro e some 2 a p

S [ [ p + 1] ]

pre (stop) Termine o programa

Aqui, as letras E e S, representam simbolicamente a entrada e a sadapadro, respectivamente, enquanto que o ponto slido asimbologia para o fim de um programa.



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O CICLO DE EXECUO DE INSTRUESO ciclo de execuo das instrues,determina o comportamento da mquina, na forma como oprograma executado: Comece com p = 0 (no nosso exemplo de implementao , por razesde simplicidade, o contador de programas (p), comea em zero)

Interprete [p] conforme a tabela de instrues; Siga a execuo e pre apenas quando a instruofor uma ordem de parar.



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Vejamos um exemplo de execuo de programa.Seja o seguinte mapa de memria:Sigamos, passo a passo, como este esquema funciona.

ESQUEMA DE MEMRIAENDEREO CONTEDO ENDEREO CONTEDO0 1 8 111 11 9 122 14 10 93 1 11 764 12 12 375 15 13 53 6 2 14 17 7 13 15 53



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1. O programa comea com p = 0.2. Em seguida preciso interpretar [p], isto , [0] = 1;

De acordo com a tabela de instrues acima, a instruo decdigo (1) carregue load cujo comportamento, tambmdescrito na tabela, :

Escreva em [p + 1] = [1], o valor do nmero em [p + 2] e adicione 3em p.

Ora, se [1] = 11, ento o valor do endereo 11, que 76, substitudo pelo valor em p+ 2 = [2] que 17;

( [p + 1] [p + 2] )Por seu turno, p passa a ser p + 3 = 0 + 3 =3 ( p p + 3)



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Aps a execuo da primeira instruo, passamos a ter na posio de memria 11, o valor 17, substituindo o anterior valor, 76.

ESQUEMA DE MEMRIAENDEREO CONTEDO ENDEREO CONTEDO0 1 8 111 11 9 122 14 10 93 1 11 (76) 174 12 12 375 15 13 53 6 2 14 17 7 13 15 53



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3. Na instruo seguinte, ao interpretar-se [p], teremos que [3] = 1;De acordo com a tabela de instrues acima, temos novamente ainstruo carregue load

Escreva em [p + 1] = [4], o valor do nmero em [p + 2] e adicione 3em p.

Assim, se [4] = 12, ento o valor do endereo 12, que actualmente 37, substitudo pelo valor em [p + 2] = [5] que 53;

( [p + 1] [p + 2] );p passa a ser p + 3 = 6 ( p p + 3)



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Aps a execuo da instruo, passamos a ter na posio de memria 12, o valor 53, substituindo o anterior valor, 37; o esquema de memria passa a ser:

ESQUEMA DE MEMRIAENDEREO CONTEDO ENDEREO CONTEDO0 1 8 111 11 9 122 14 10 93 1 11 174 12 12 (37) 535 15 13 53 6 2 14 17 7 13 15 53



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4. Com p = 6, preciso interpretar [p], isto , [6] = 2; De acordo com a tabela de instrues, a instruo de cdigo (2) adicione add cujo comportamento, tambm descrito na tabela, : Escreva em [p + 1], a soma dos contedos de [[p + 2]] e [[p + 3]] e some 4 em p. Ora [p + 1] = [7] ; Assim, contedo do endereo 13, que actualmente 53, substitudo pela soma de [[p + 2]] e [[p + 3]], isto , [[8]] + [[9]] = [11] + [12] = 17 + 53 = 70O valor de p incrementado em 4, passando a 10.



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Ver o estado actual de memriaESQUEMA DE MEMRIA

ENDEREO CONTEDO ENDEREO CONTEDO0 1 8 111 11 9 122 14 10 93 1 11 174 12 12 535 15 13 (53) 706 2 14 17 7 13 15 53



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5. A instruo actual de acordo com o ciclo de execuo doprograma, resulta da interpretao de [10];Deste modo, a instruo de cdigo 9 precisamente stop, o queordenar ao termo do programa.



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O esquema analisado at aqui, ignorando por enquanto algica que pode ser lida por detrs do ciclo de execuo,denota que:Quando se executa a instruo [p], o contedo de [p +1] sempre o endereo de destino dos dados que resultam daoperao em execuo. Os endereos subsequentes apontampara os operandos da operao que est programada paraacontecer.Pode-se assim constatar, que se a operao for aquela queenvolve dois operandos, como a soma, subtraco,multiplicao, etc., precisamos de dois operandos, para almdo endereo destino, o que justifica que se some 4 ao valor dep.J com as operaes unrias, como o load, s precisam de umoperando, logo soma-se 3 ao valor de p.



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O esquema de memria analisado, pode ser uma aproximao aoformato real em que se organiza a memria.A cada operao corresponde um bloco de memria. Uma vezidentificados os blocos, possvel passar esta representao a umformato em que cada bloco seja representado em uma nica linha, noesquema de memria.Sendo que apenas os nmeros de 1 a 9 podem ser interpretados comocdigo de instrues, no caso concreto do modelo em anlise, noquadro que segue, observaremos que os dados esto separados dasrespectivas instrues, uma em cada linha, tornando o esquema maislegvel.



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O esquema de memria apresentado inicialmente na pg. (slide) 25, agoraapresentado em seu novo formato, onde fica patente a separao dasinstrues:

ESQUEMA DE MEMRIAEndereo Instruo Operando Operando Operando0 1 11 143 1 12 156 2 13 11 1210 9

Na realidade, o computador no muda a configurao de memriainicialmente indicada; O formato actual uma notao que permite aosoperadores humanos, uma melhor visualizao, dos processos que ocorremna memria.



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Abstraco dos EndereosNos termos da simplificao do processo de leitura dos processos que ocorremna memria, o endereo pode ser omitido do esquema que temos vindo aanalisar;Assim, o esquema pode ser representado de acordo com a figura abaixo:

ESQUEMA DE MEMRIAInstruo Operando Operando Operando1 11 141 12 152 13 11 129



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Abstraco dos Cdigos das InstruesEmbora os computadores manipulem nmeros (em particular osnmeros binrios) de forma mais rpida e eficiente, o mesmo noacontece com o homem, que tem a tendncia de preferir nomes,como forma de representaes simblicas ou mnemnicas.Vamos modificar o nosso esquema, escrevendo os nomes dasmnemnicas, no lugar dos nmeros; Assim, cada um dos nove cdigosdo nosso modelo ( 1 9), passa a ser indicado pelo respectivo nome:

1 load; 2 add;3 sub; 4 mult e assim por diante.



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Abstrao dos Cdigos das InstruesAgora fica mais claro o significado das linhas, com destaque para aoperao (mnemnica), na primeira coluna, estando na segundacoluna o endereo do destino da operao e nas colunas restantes osdemais operandos (localizaes de memria dos operandos).

ESQUEMA DE MEMRIAInstruo Operando Operando Operandoload 11 14load 12 15add 13 11 12stop



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As instrues realizadas pelo computador, nada mais so do que a manipulaodos dados em memria. Os clculos so feitos sobre os dados e o resultado armazenado em alguma posio de memria.Podemos aumentar o grau de abstrao, na representao das instrues.Vejamos como ficam as tabelas descritas nos slides 22, 23 e 24.

NOTAO PARA AS INSTRUES[p] Instruo Notao1 load x y x y2 add x y z x [y] + [z]3 sub x y z x [y] - [z]4 mult x y z x [y] x [z]5 div x y z x [y] / [z]



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NOTAO PARA AS INSTRUES[p] Instruo Notao6 sqrt x y x [y]7 read x x E8 write x S [x]9 stop

preciso notar quex = [ p + 1], y = [ p + 2] e z = [ p + 3]



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Programa escrito sob a nova notao

11 1712 5313 [11] + [12]

Em nossa ltima observao podemos dizer que os endereos implicados namanipulao dos dados pelo programa, podem ser nomeados.Assim, a localizao (11), pode ser tida como valor_inicial, remetendo este aosignificado desta, no contexto do programa.Na soma, podemos nomear parcela1 e parcela2, soma, etc.


Repare-se que nas duasprimeiras instrues (atribuioou transferncia de valores),foram indicados directamente ovalor dos operandos, o que omesmo que termos:

11 [14]12 [15]

(Ver esquema de memria doslide 26)


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Nomeao de endereos (Variveis)11: parcela112: parcela213: soma

Programa reescrito com nome para variveis

parcela1 17parcela2 53soma parcela1 + parcela2



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Finalmente, podemos constatar que a representao de memria da pg. (slide) 26, traduz o programa para execuo de uma soma:

soma parcela1 + parcela2; comum os programas traduzirem uma interaco com o operador,de tal modo que os dados da soma sejam lidos a partir de umaentrada (padro), como o caso do teclado e o resultado ser enviadoa uma sada (padro) o monitor.Recomendamos que seja elaborada uma nova anlise ao programasoma, reflectindo este ltimo cenrio em que os dados sejam lidos daentrada e o resultado escrito na sada.



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ESQUEMA DE MEMRIAENDEREO CONTEDO ENDEREO CONTEDO0 7 7 121 11 8 82 7 9 133 12 10 94 2 11 76 5 13 12 37 6 11 13 53

Soluo da proposta anterior:Agora as duas parcelas cujos valores so 17 e 53, so explicitamente lidas do teclado,resultando no mapa inicial de memria seguinte: preciso notar que os valores que agora aparecem inicialmente nas posies dememria, 11, 12 e 13, so arbitrrios (lixo)



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Agora as duas parcelas cujos valores so 17 e 53, so explicitamente lidasdo teclado.

ESQUEMA DE MEMRIAInstruo Operando Operando Operandoread 11 17read 12 53add 13 11 12write 13stop



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Chegados at este ponto, apesar de todas as convenes e notaesque foram feitas ao programa, de certo modo, o programa ainda estem um formato muito parecido ao programa original.Para que seja possvel aumentar o nvel de notao ainda mais, sernecessrio recorrer a programas tradutores ou compiladores.Estes programas conseguem receber como entrada um texto escritoem um formato adequado e gerar como sada um programa noformato de mquina.



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Exerccio (de reviso)No exerccio seguinte, pretende-se mostrar o funcionamento docomputador, de acordo com o modelo de von Neumannexpresso na representao da memria do computador, em face execuo do programa que resolve uma equao do 2 grau,ax2 + bx + c = 0utilizando o mtodo de Bhaskara.Determinar a soluo de uma equao o mesmo que descobrir suasrazes, isto , o valor ou os valores que satisfazem a equao.Por exemplo, as razes da equao do 2 grau x 10x + 24 = 0 so x = 4 ou x = 6.


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A anlise top-down do problema de resoluo da equao do 2 grau, pode ser a seguinte: Ler os coeficientes a, b e c Calcular o discriminante (ou delta, ) Se o discriminante for maior ou igual a zero,

aplicar a frmula resolvente para calcular as razes da equao Se o discriminante for menor do que zero,

imprimir uma mensagem a informar que as razes so imaginrias Imprimir as razes ou uma mensagem


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Descriminante: B * B ( 4 * A * C)

Raizes:X ( -B ) / 2 * A


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Os quadros representativos de memria que a seguir se mostram, configuram o programa em anlise. A sugesto de implementao reca expresso de que j fizemos referencia:

x 10x + 24 = 0 cujas razes, que o computador deve calcular, so x1 = 4 ou x2 = 6.

Para simplificar o clculo, podem ser, aqui, ignorados: o coeficiente A do termo x2 e o sinal de B, no clculo da raizes da equaoficando assim estabelecidos os valores dos coeficientes:B = 10, C = 24, como os nicos dados de entradaNote que, existem as constantes 2 e 4, que entram no clculoda desciminante e das razes, respectivamente.


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O quadro II, com o uso de mnemnicos, implementa o seguinte algortmo, para o nosso problema:

read Bread Cdiscriminante B * B - 4 * CraizDiscriminante discriminantemenorRaiz ( B raizDiscriminante ) / 2write menorRaiz maiorRaiz ( B + raizDiscriminante ) / 2write maiorRaiz


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Quadro IIEndereo Instruo Operando Operando Operando

0 1 54 583 1 50 596 7 468 4 47 46 46

12 7 4814 4 49 50 4818 3 51 47 4922 6 52 5125 3 53 46 5229 5 55 53 5433 8 5535 2 56 46 5239 5 57 56 5443 8 5745 9

Deve-se sublinhar, que asprimeiras duas instruesapenas realam que os valoresdas constantes 2 e 4, socopiadas das posies dememria, 58 e 59,respectivamente, para as novasposies a partir de ondepassaro a ser manipuladas,posteriormente, no programa.


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Quadro IICom o uso de mnemnicasload 54 58load 50 59read 46mult 47 46 46read 48mult 49 50 48sub 51 47 49sqrt 52 51sub 53 46 52div 55 53 54write 55add 56 46 52div 57 56 54write 57stop


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O quadro da pgina seguinte reflecte o estado da memria aps a execuo doprograma, numa perspectiva mais detalhada, ressaltando aqui os passosenvolvidos na execuo de cada instruo.Deve-se aqui sublinhar que:

A leitura dos coeficientes B (10) e C (24), ocorreram a partir do teclado,para as posies de memria, 46 e 48, respectivamente. Aps terem sido calculadas, as razes, menor (4) e maior (6), estas foramenviadas sada padro, como se pode ler nas localizaes de memria 33e 43, respectivamente. Fica clara, a demarcao dos segmentos de memria para instrues(que vai da primeira posio, que adoptamos que fosse a 0, posio dememria 45, onde a instruo stop (9), indica o fim do programa) e damemria de dados ( que vai desde a posio 46, adiante)


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Mapa de Memria

Quadro IEndereo Contudo

0 11 542 583 14 505 596 77 468 49 4710 4611 4612 713 4814 415 4916 5017 4818 319 5120 47

Endereco Conteudo21 4922 623 5224 5125 326 5327 4628 5229 530 5531 5332 5433 834 5535 236 5637 4638 5239 540 5741 56

Endereco Conteudo42 5443 844 5745 946 1047 10048 2449 9650 451 452 253 854 255 456 1257 658 259 4


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