05-ModeloDeVonNeumann.pdf

Fundamentos da Computação
Modelos de Computadores: Introdução
Rodrigo Lange
Instituto Federal Rio Grande do Sul
Câmpus Restinga
rodrigo.lange@restinga.ifrs.edu.br
14 de março de 2016

Introdução
Portas Lógicas podem ser combinadas em circuitos
A
B
C
D
X

Introdução
Existem circuitos que executam funções especı́ficas
Comparador de palavras binárias
A[0]
B[0]
A[1]
B[1]
A[2]
B[2]
A[3]
B[3]
X

Introdução
Computador básico
I Circuitos que executam funções especı́ficas
podem ser combinados para formar um
computador;
I É mais simples entender como estes circuitos são
agrupados usando um modelo de computador

Introdução aos modelos de computador
Existem diversos modelos para arquiteturas de
computadores:
I von Neumann
I Harward
I etc

Modelo de von Neumann
I Proposto na década de 1940;
I Base para muitos computadores modernos (ex:
PC).
Memória
Unidade Lógica
e Aritmetica
Unidade Central de Processamento
UCP (CPU)
Acumulador
Entrada
Saída
Registrador de
Instrução (RI)
Contador de
Instrução (CI)
Unidade de
Controle

Elementos Funcionais
Memória
Unidade Lógica
e Aritmetica
UCP (CPU)
Acumulador
Entrada
Saída
Registrador de
Instrução (RI)
Contador de
Instrução (CI)
Unidade de
Controle
I Memória;
I Unidade de Controle;
I Unidade Operacional;
I Dispositivos de Entrada e
Saı́da

Elementos Funcionais
Elementos Funcionais são compostos por elementos
digitais:
I somador;
I comparador;
I etc.
Componentes digitais são ativados por sinais de
controle

Barramentos
Dados são transferidos entre elementos funcionais
através de caminhos fı́sicos chamados barramentos
I Largura do barramento é dado em número de
bits;
I Dados no barramento: apenas de uma fonte por
vez.

Memória
Memória
Unidade Lógica
e Aritmetica
UCP (CPU)
Acumulador
Entrada
Saída
Registrador de
Instrução (RI)
Contador de
Instrução (CI)
Unidade de
Controle
I Armazena informações:
I Modelo de von Neumann: dados ou instruções
I Dividida em palavras;
I Cada palavra possui um endereço
único;
I Registradores:
I Registrador de Endereço de Memória (REM);
I Registrador de Dados de Memória (RDM).
Memória
REM
RDM
Escrita
Leitura

Unidade Operacional
Memória
Unidade Lógica
e Aritmetica
UCP (CPU)
Acumulador
Entrada
Saída
Registrador de
Instrução (RI)
Contador de
Instrução (CI)
Unidade de
Controle
I Executa as transformações dobre os
dados;
I Unidade Lógica e Aritmetica (ULA);
I Registradores de uso geral;
I Barramentos de interligação.

Unidade Lógica e Aritmética
Memória
Unidade Lógica
e Aritmetica
UCP (CPU)
Acumulador
Entrada
Saída
Registrador de
Instrução (RI)
Contador de
Instrução (CI)
Unidade de
Controle
I Operações lógicas ou aritméticas
sobre um ou dois operandos;
I Sinais de condição:
I overflow
I Sinal do Resultado
I Carry (vai-um ou vem-um)
I Zero
Operandos
Controle
Resultado
Códigos
de
Condição

Unidade Lógica e Aritmética
Operandos
Controle
Resultado
Códigos
de
Condição
I A ULA não armazena operandos,
resultados ou códigos;
I Armazenamento de resultados: no
acumulador:
I Armazena um operando e/ou um resultado de
controle fornecido pela ULA
I Um sinal de controle especı́fico dispara a cópia
de um dado da ULA para o acumulador

Unidade de Controle
Memória
Unidade Lógica
e Aritmetica
UCP (CPU)
Acumulador
Entrada
Saída
Registrador de
Instrução (RI)
Contador de
Instrução (CI)
Unidade de
Controle
I Gerencia os sinais de controle;
I Sinais de controle:
I Gerenciam o fluxo interno de dados;
I Gerenciam o instante em que ocorrem as
transferências de uma unidade para outra;
I Comandam uma micro-instrução
I Seleção de operação da ULA;
I Ativação de memória;
I Carga de um Registrador;
I etc;

Unidade de Controle
Memória
Unidade Lógica
e Aritmetica
UCP (CPU)
Acumulador
Entrada
Saída
Registrador de
Instrução (RI)
Contador de
Instrução (CI)
Unidade de
Controle
RI Unidade
de
Controle
RST
Sinais de
controle
I RI: Registrador de Instruções
I Instrução que está sendo executada
I RST: Registrador de Status
I Códigos de condição gerados pela ULA

Registradores

Registradores
Elementos chave da arquitetura de von Neumann
O que são?
I Componentes da arquitetura de memória
I Pequenos, mais rápidos e mais caros
I Mesma tecnologia do processador

Registradores
Dois tipos:
I Registradores visı́veis ao usuário
I Registradores de controle e estado

Registradores visı́veis ao usuário
Pode ser referenciado pelo programador
I Uso geral
I Dados
I União de dois registradores
I Endereços
I Códigos condicionais (flags)

Registradores de controle e estado
Utilizados para controlar a operação do processador
Exemplos:
I Contador de programas (PC)
I contém o endereço de uma instrução a ser lida
I Registrador de instrução
I contém a instrução lida mais recentemente (instrução atual)
I Registrador de endereço de memória (MAR)
I Registrador de buffer de memória
I Palavra de dados para ser escrita na memória, ou a palavra
lida mais recentemente
I Acumulador
I Armazena o resultado de uma operação lógica ou aritmética
(saı́da da ULA)

Registradores do 8086

Ciclo de Instrução

Modelo de von Neumann
Memória
Unidade Lógica
e Aritmetica
UCP (CPU)
Acumulador
Entrada
Saída
Registrador de
Instrução (RI)
Contador de
Instrução (CI)
Unidade de
Controle

Ciclo da Instrução
Buscar a próxima
instrução a ser
executada no
endereço
armazenado no CI
Incrementa o CI
Armazena a
instrução a ser
executada no RI
Decodifica a
instrução usando o
Opcode
Tem
Operandos
?
Busca
Operandos
Sim
Não
Executar a
operação
Escrever o
resultado
Calcular o
endereço da
próxima instrução
Início

Instrução
Instrução
I Operação executada por um processador
Formato geral de uma instrução:
Código Operação
(Opcode)
Operando 2 Operando n
Operando 1

Instrução
Código Operação
(Opcode)
Operando 1
Código da operação (Opcode)
I Código da operação a ser executada
I NULL
I ADD R1, R2
I outros...

Instrução
“Nı́vel elétrico”
Registrador
de
Instrução
Decodificador UC
Sinais de
controle
Código Operação
(Opcode)
Operando 1

Instrução
Código Operação
(Opcode)
Operando 1
Operadores: valores com os quais será realizada a
operação
I Constantes
I Valores armazenados em uma posição de memória
I Valores armazenados em um registrador
I Endereços de memória
I Etc...
Exemplo: ADD R1, R2 → Soma o valor
armazenado em R1 com o valor armazenado em R2
e armazena o resultado em R1

Instrução
Código Operação
(Opcode)
Operando 1
Operandos:
Utilizados pela instrução. Exemplo: MOV R1, 4
Que valores vão nestes campos? O que significam
estes valores?

Operandos
Código Operação
(Opcode)
Operando 1
Os campos dos operandos podem conter, por
exemplo, valores, números de registradores,
endereços de memória e outros
Modos de endereçamento: como os dados contidos
em um campo de operandos devem ser tratados
para encontrar, efetivamente, o operando que será
utilizado na instrução.

Modos de endereçamento
Código Operação
(Opcode)
Operando 1
Endereçamento imediato
I O campo contém o próprio operando (e NÃO um
endereço)
I Denominado operando imediato
I Desvantagem: apenas para valores constantes
I Ex: MOV R1, #4 (move o valor “4” para o registrador
R1)

Código Operação
(Opcode)
Operando 1
Endereçamento direto
I O campo contém o endereço de memória onde o
operando está armazenado
I Desvantagem: o endereço de memória é fixo e não pode
ser alterado durante a execução do programa
I Ex: MOV R1, (0x4) (move o valor contido no endereço de
memória 0x4 para o registrador R1)

Código Operação
(Opcode)
Operando 1
Endereçamento de registrador
I O campo especifica um registrador. É utilizado o valor
armazenado no registrador
I Um dos modos de endereçamento mais comuns
I Ex: MOV R1, #4 (move o valor 4 para o registrador R1)

Código Operação
(Opcode)
Operando 1
Endereçamento indireto de registrador
I O campo especifica um registrador que contém o
endereço de memória onde o operando está armazenado
I O famoso ponteiro
I Ex. de uso: acesso aos elementos de um vetor em um
laço de repetição

Código Operação
(Opcode)
Operando 1
Endereçamento indexado
I O campo contém um registrador mais um deslocamento
constante.
I Ex. de uso: acesso a um elemento especı́fico de um vetor
I Ex: MOV R4,(R2+#A)
I Se A=1000 e R2 contém 0, R4 recebe o valor contido no
endereço de memória 1000
I Se A=1000 e R2 contém 4, R4 recebe o valor contido no
endereço de memória 1004

Código Operação
(Opcode)
Operando 1
Endereçamento de base indexado
I O campo contém um registrador contendo o endereço de
memória base e outro registrador contendo um ı́ndice
I Ex. de uso: acesso a um elemento especı́fico de um vetor
I Ex: MOV R4,(R2+R3)
I Se R2 contém 1000 e R3 contém 0, R4 recebe o valor contido
no endereço de memória 1000
I Se R2 contém 1000 e R3 contém 4, R4 recebe o valor contido
no endereço de memória 1004

Código Operação
(Opcode)
Operando 1
Endereçamento de pilha
I O campo aponta para uma pilha

Bibliografia
Bibliografia
Mario A. Monteiro
Introdução à Organização de Computadores, 5a Ed.
LTC, 2007.
Raul Fernando Weber
Fundamentos de Arquiteturas de Computadores, 4a Ed.
Bookman, 2012

05-ModeloDeVonNeumann.pdf

Mais conteúdo relacionado

Semelhante a 05-ModeloDeVonNeumann.pdf

05-ModeloDeVonNeumann.pdf