Arquitetura de Von Neumann

Arquitetura de Von
Neumann
Introdução
Leandro Tonietto
[email protected]
ago-09
John Von Neumann, introduziu o projeto lógico de computadores com
programa armazenado na memória.
Computadores até então não podiam armazenar programas em
memória para interpretá-los.
Primeiro computador (EDVAC) com este fim surgiu em 1944. O projeto
durou 1944—1951 e computador foi utilizado até 1962.
Surge então a expressão Arquitetura de Von Neumann [1]:
Em 1945, primeiro algoritmo para testar a máquina, cujo objetivo era a
classificação de uma série de dados em ordem não decrescente de
uma chave. Algoritmo chamado de classificação por intercalação.
Arquitetura de Von Neumann
Objetivo de mostrar que o EDVAC tinha propósitos gerais e não apenas de
cálculos científicos.
Toda a codificação foi feita em linguagem de máquina.
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Hardware do computador dividido em 3
partes:
Unidade central de processamento
Dispositivos de entrada e saída:
Saída
Memória
Armazenamento de dados e instruções
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Entrada
Entrada e saída de dados. Interação com usuários.
Memória
CPU
Buscar, executar e devolver resultado de instruções
para a memória
Dispositivos de entrada e saída
“... Estrutura de computadores digitais com programas armazenados na
memória e, portanto, passível de automodificação e de geração por outros
programas.”
São periféricos/hardware que permitem a entrada
de dados e instruções para o computador e
exibem o resultado do processamento da CPU.
Entrada: teclado, mouse, drive de disquete, drive
DVD, ...
Saída: impressora, monitor, drive de disquete, ...
Interatividade com o usuário.
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Memória:
Tudo o que é executado é carregado para a
memória principal
Coleção de posições de memória ou slots de
memória.
Dados e instruções são acessados através do
endereço de memória.
Barramentos conectam a memória à CPU
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CPU – central process unit:
Registradores
UC - Unidade de controle
Controla todo o fluxo de execução da CPU. Busca dados e
instruções da memória e coordena a troca de dados entre
registradores e ULA.
Funcionamento da CPU:
Para uma tarefa ser executada, ela deve ser carregada da
memória principal (instrução a instrução) na ULA. A ULA
executa e devolve o resultado para a memória.
Programação:
O conjunto de instruções possíveis que uma CPU pode
executar é chamado de linguagem de máquina.
Programadores são aqueles que podem controlar o
comportamento do computador através de instruções em
linguagens de máquina.
Na prática, os programas (conjuntos de instruções em
seqüência) são programados em linguagens de
programação ditas de alto nível e convertidos para
linguagem de máquina por compiladores.
Execução:
Tarefa:
c =a+ b
Seqüência de execução na CPU:
R0 recebe o valor de a
R1 recebe o valor de b
R0 e R1 são passados para ULA
ULA executa a soma
Resultado é devolvido para R2
Posição de memória associada a c recebe o resultado
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Tarefas complexas são decompostas em seqüência de
instruções simples
Cada instrução é executa movendo-se dados dos
registradores para a ULA, que executa o cálculo ou
operação apropriada e retorna dados para os
registradores.
Ciclo da CPU:
Caminho completo de uma instrução: dos registradores até
a ULA e da ULA até os registradores, passando por
barramentos.
Velocidade do computador é medida em ciclos por
segundo.
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Exemplo:
Posições de memória construídas dentro da CPU. Muito mais
rápido do que acesso a memória principal (RAM)
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Funcionamento da CPU:
Coleção de circuitos que realizam as operações (adição,
subtração, manipulação de bits, ...) sobre os dados.
Unidade central de processamento é dividida em várias
subunidades:
ULA – Unidade lógica e aritmética
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O programa é carregado para a memória
O sistema operacional controla a seqüência das
operações e alocação de memória.
E os programas são lidos a partir da primeira
instrução até chegar a uma instrução de stop ou
parar.
Unidade de controle recebe cada uma das
instruções, interpreta e dá seqüência a fluxo de
execução operativa (registradores – ULA)
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Linguagens de programação:
Linguagens – conjunto finito de comandos que são
combinados (programados) de tal forma a produzir um
programa, para realizar uma tarefa.
Baixo nível – são linguagens de máquina, portanto, é o
que o computador consegue interpretar e executar.
Alto nível – são linguagens de aquelas que facilitam a
programação por parte do programador, pois estão mais
próximas a linguagem humana. Exemplo: C/C++, Java,
Pascal, ...
Compilador – é um programa que converte as instruções
de um programa escrito em uma linguagem alto-nível em
instruções de máquina.
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Linguagem de máquina:
São comandos simples que a CPU pode
executar.
Estão comando são combinados para produzir
uma tarefa mais complexa.
Exemplos de comandos baixo nível:
Registrador R0 recebe um valor
Registrador R1 recebe um valor
ULA computa operação de soma
R2 recebe o resultado da soma feita pela ULA
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Exercício. Primeira tarefa de programação:
Qual seria o conjunto de instruções (programa)
para somar 100 números armazenados na
memória?
Responda com frases, não é necessário saber
programar.
Primeiro em alto nível...
Depois em “linguagem de máquina”...
Agora, como desafio, tente programar. Associe um
comando com cada frase ou instrução necessária.
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Na prática, cada instrução da ULA está associada a
uma seqüência de bits. Por exemplo:
Soma poderia ser: 01001000
Atribuição de variável: 00000001
Desvio de fluxo: 01001110
Portanto: impossível programar desta forma!
Solução: programar em linguagens de alto nível e
deixar o trabalho “pesado” para o compilador.
Referências
REED, David. A Balanced Introduction to
Computer Science and Programming.
Prentice Hall.
Wikipédia. Arquitetura de Von Neumann
KOWALTOWSKI, Tomas. A Obra e o
Legado de John Von Neumann. Estudos
Avançados, V. 10, no. 26, São Paulo, 1996.
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