Funcionamento Interno dos Computadores (CPU e Memória) UNIVERSIDADE FEDERAL RURAL DO SEMI-ÁRIDO – UFERSA DEPERTAMENTO DE CIÊNCIAS AMBIENTAIS Funcionamento Interno dos Computadores (CPU e Memória) Profa. M.Sc. Yáskara Menescal yaskaramenescal@gmail.com

Objetivos Identificar os componentes da unidade central de processamento e explicar como eles funcionam em conjunto e como interagem com a memória. Descrever como as instruções de programa são executadas pelo computador. Explicar como os dados são representados no computador. Descrever como o computador localiza instruções e dados.

O que é um Computador ?

Estrutura do computador Os computadores atuais são dispositivos eletrônicos que, sob direção e controle de um programa, executam quatro operações fundamentais: Entrada (Input) Processamento (Processing) Saída (Output) Armazenamento (Storage)

Estrutura do computador

Entrada: são os dados colocados no computador para ser processados. Dispositivos de entrada comuns: Teclado Mouse Scanner

Saída Saída: o resultado produzido pela CPU. Formas comuns de saída: texto, números, gráficos e sons. Dispositivos comuns de saída: Tela (monitor): pode exibir texto, números, fotografias e até mesmo vídeo, totalmente em cores. Impressora: produz relatórios impressos conforme as instruções de um programa.

Armazenamento de Dados Dois tipos de armazenamento: Armazenamento secundário: Armazenamento de longo prazo. Armazenado em mídia externa; por exemplo, um disco. Armazenamento primário (memória): Armazena dados temporariamente. A CPU referencia-o tanto para obtenção de instruções de programa como de dados.

Armazenamento Secundário Provê armazenamento em longo prazo: Separado da memória. Mídias comuns: Discos magnéticos Discos ópticos Fita magnética

Armazenamento Primário Usado para guardar dados temporariamente: Depois que eles são recebidos do dispositivo de entrada e antes de serem processados. Depois que eles são processados e antes de serem liberados para o dispositivo de saída. Armazenamento temporário (volátil): Os dados contidos na memória se perdem se a energia cair ou se o programa for fechado.

Também conhecida como armazenamento primário e memória principal. Freqüentemente expressa como memória de acesso aleatório (RAM). Não faz parte da CPU. Retém dados e instruções para serem processados. Armazena informações somente enquanto o programa está em operação.

Endereços da Memória Cada localização de memória tem um endereço: Um número único, como em uma caixa postal. Pode conter somente uma instrução ou peça de dados: Quando dados são reescritos na memória, o conteúdo anterior desse endereço é destruído. Referenciado pelo número: As linguagens de programação usam um endereço simbólico (nomeado), tal como Horas ou Salário.

Exemplo

Representação de Dados Os computadores entendem duas coisas: ligado e desligado. Dados são representados na forma binária: Sistema numérico binário (base 2). Contém somente 2 dígitos: 0 e 1. Corresponde a dois estados: ligado e desligado.

Representando Dados Bit Byte Palavra

Abreviação de binary digit (dígito binário). Bit Abreviação de binary digit (dígito binário). Dois valores possíveis: 0 e 1. Nunca pode estar vazio. Unidade básica para armazenar dados: 0 significa desligado; 1 significa ligado

Para texto, armazena um caractere: Byte Um grupo de 8 bits. Para texto, armazena um caractere: Pode ser letra, dígito ou caractere especial. Dispositivos de memória de armazenamento são medidos em número de bytes.

O número de bits que a CPU processa como uma unidade. Palavra O número de bits que a CPU processa como uma unidade. Tipicamente, um número inteiro de bytes. Quanto maior a palavra, mais potente é o computador. Computadores pessoais tipicamente têm 32 ou 64 bits de extensão de palavras.

Memória Cache Um pequeno bloco de memória de alta velocidade: Armazena os dados e as instruções usados com mais freqüência e mais recentemente. O microprocessador procura primeiramente na cache os dados de que necessita: Transferidos da cache muito mais rapidamente do que da memória. Se não estiverem na cache, a unidade de controle recupera-os da memória. Quanto mais “presença de dados” na cache, mais rápido é o desempenho do sistema.

Memória Cache Processador Cache RAM

Áreas de armazenamento temporário de alta velocidade. Registradores Áreas de armazenamento temporário de alta velocidade. Localizações de armazenamento situadas dentro da CPU. Funcionam sob direção da unidade de controle: Recebem, guardam e transferem instruções ou dados. Controlam onde a próxima instrução a ser executada ou os dados necessários serão armazenados.

Unidade Central de Processamento - CPU Registradores Unidade Central de Processamento - CPU UC- Unidade de controle Registradores A B C D ULA- Unidade lógica e aritmética controle CI RI RI- registrador de instruções CI- contador de instruções

Registradores

Centro de atividade do computador O Processador Centro de atividade do computador Consiste em circuitos elétricos: Interpreta e executa instruções de programa. Comunica-se com os dispositivos de entrada, saída e armazenamento. Transforma dados, de fato, em informação

Unidade Central de Processamento (CPU) Conjunto complexo de circuitos eletrônicos. Executa instruções de programa armazenadas. Duas partes: Unidade de controle Unidade aritmética e lógica (ALU)

Deve comunicar-se com a memória e com a ALU. Unidade de Controle Direciona o sistema do computador a executar instruções de programa armazenadas. Deve comunicar-se com a memória e com a ALU. Envia dados e instruções do armazenamento secundário para a memória, quando necessário.

Unidade Aritmética e Lógica Executa todas as operações aritméticas e lógicas. Operações aritméticas: Adição, subtração, multiplicação, divisão. Operações lógicas: Compara números, letras ou caracteres especiais. Testa uma de três condições: Condição de igualdade (igual a) Condição menor que Condição maior que

A CPU e a Memória A CPU não pode processar dados diretamente do disco ou de um dispositivo de entrada: Primeiramente, eles devem residir na memória. A unidade de controle recupera dados do disco e transfere-os para a memória.

Itens enviados à CPU para ser processados: A CPU e a Memória Itens enviados à CPU para ser processados: A unidade de controle envia itens à CPU e depois os envia novamente à memória após serem processados. Dados e instruções permanecem na memória até serem enviados a um dispositivo de saída ou armazenamento, ou o programa ser fechado

Como a CPU Executa Instruções Quatro etapas são executadas para cada instrução: A unidade de controle recebe a instrução da memória e a coloca em um registro. A unidade de controle decodifica a instrução e determina qual é a localização na memória para os dados necessários.

Como a CPU Executa Instruções A unidade de controle transfere dados da memória para registros na ALU. A ALU executa instruções relativas aos dados. A unidade de controle armazena o resultado da operação na memória ou em um registro.

O Ciclo da Máquina

Barramentos

Conceito é um conjunto de condutores elétricos em um computador que permite a comunicação entre vários componentes do computador, tais como, o CPU, memória, unidades E/S.

Barramentos de endereços Conjunto de linhas (ligações físicas) que transportam o endereços das células de memória ou das portas de entrada e saída.

Barramentos de dados Conjunto de linhas (ligações físicas) por onde se transporta a informação digital binária (instruções, dados, resultados) entre o CPU, memória e I/O (bidirecional).

Barramentos de controle indica à memória ou dispositivos de E/S (I/O) se a CPU deseja fazer uma operação de leitura ou escrita.

Exemplo: funcionamento interno CPU/Memória O processador está executando um programa e buscou a seguinte instrução: some #0 e #2 e guarde o resultado em #3 onde #0 e #2 são endereços de memória onde se encontram os valores a serem somados supondo que #0 contém o número 13 #2 contém o número 20

“Apresente valor armazenado no endereço de memória 3 na tela do computador.”

Como eles funcionam juntos e interagem com a memória; Conclusões Componentes da CPU; Como eles funcionam juntos e interagem com a memória; Dados são representados no computador; Computador localiza dados e instruções

Referências H. L Capron & J. A. Jonson, “Introdução à informática”, ISBN 8587918885, Editora Pearson Prentice Hall, 8a Edição, 2004. NORTON, P. Introdução à Informática. Makron Books. 1997. TANENBAUM, Andrew S. Organização estruturada de computadores, Editora Pearson Prentice Hall 5a Edição, 2006.