modelo de von neumann
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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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• 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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• 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
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• 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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• 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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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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