uma arquitetura concreta para a máquina de von...
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Uma Arquitetura Concreta para a Máquina de von Neumann
Jorge FernandesFevereiro de 2005
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Uma Arquitetura Concreta para a Máquina de von Neumann
• Proposta em 1946• Máquina composta por órgãos:
– Memória (MEM)• Armazena dados, onde alguns destes dados são interpretados como
instruções de um programa a ser executado pela CPU– Unidade Central de Processamento
• Unidade de controle (UC)• Unidade de cálculos aritméticos e lógicos (UAL)• Registrador de instrução (IR)• Ponteiro de instrução (IP)• Registrador de uso geral (acumulador - ACC)
– Dispositivos de Entrada e Saída• INPUT_DEVICE• OUTPUT_DEVICE
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Organização Geral de um Computador de von Neumann
Hardware
Processador
Memória(RAM)
Dispositivode Entrada 1Dispositivode Entrada 2
Dispositivode Saída 1Dispositivode Saída 2
Dispositivo de Entrada e Saída (Híbrido)
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Um “Computador Visível” para Entender como o Sofware Funciona
Processador(CPU)
INPUT_DEVICE
OUTPUT_DEVICE
MEM-Memória com Posições Endereçaveismem[0] mem[1] mem[2] mem[3]
mem[4] mem[5] mem[6] mem[7]
mem[8] mem[9] mem[10] mem[11]
mem[12] mem[13] mem[14] mem[15]
Sinais de Controle (wr)
Sinais de Controle (rd)
Fluxo de dados
Fluxo de dados
Fluxo de dados
Sinais de controle(rd/wr)
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O Processador ou
Central Processing Unit – CPU ou
Unidade Central de Processamento – UCP
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Atenção!
O termo CPU é muitas vezes usado de forma errônea para se referir ao GABINETE de um
computador pessoal, que contém, além da CPU, dispositivos de armazenamentos, entrada e saída
de dados, memória RAM, etc
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O Processador é Classicamente Organizado em Três Partes
• Registradores– Pequeno conjunto de células com nomes específicos,
para leitura e gravação de dados em baixíssimo tempo.• Unidade Aritmética Lógica (UAL)
– Efetua transformações sobre dados (soma, subtração,operações lógicas - and, ou, etc.)
• Unidade de Controle– Interpretar os comandos ou instruções do software,
controlando as transformações sobre dados e o fluxo destes dados entre todas as outras partes do hardware.
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Organização interna do Processador (CPU)
CPUDados Memória (MDR)
Endereços Memória (MAR)
Registrador Instrução (IR)
Acumulador (ACC)
Ponteiro de Instrução (IP)
Registradores
Unidadede Controle
UALaddsub
rdwr
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CPU
Registrador Instrução (IR)
Acumulador (ACC)
Ponteiro de Instrução (IP)
RegistradoresUnidade
de Controle
UAL
rdwr
addsub
Organização simplificada do Processador
Fluxos de dados para ler e gravar na memória
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Memória RAM
• Conjunto de Células para Leitura (rd) e Gravação(wr) de Dados
• Diretamente Endereçáveis – Não há diferença no tempo de leitura, qualquer que seja
a posição lida– Não há diferença no tempo de gravação, qualquer que
seja a posição gravada
• Alta Velocidade no Armazenamento eRecuperação
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?
Operações sobre Memória RAM (execute a animação para ver ciclos de leitura e escritura)
mem[1.000] mem[1.001] mem[1.002] ...
mem[0] mem[1] mem[2] mem[3]
mem[4] mem[5] mem[6] mem[7]
mem[8] mem[9] mem[10] mem[11]
500 -1 0
934428213
7
0
0
000
7 ...77
509
DADO:
509
500
77
9344282137500ENDEREÇO:
451002111001000rdrdrd
rd
wrwr
wr
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Programando na máquina de von Neumann
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Instruções Mínimas para Interação com a Máquina: Linguagem de Entrada e Saída de
Dados: LM_IO• STOP
– Pára execução do programa
• INPUT x– MEM[x] <- INPUT_DEVICE
• Carrega na posição de memória indicada pelo valor x, o que está no dispositivo de entrada de dados
• OUTPUT x– OUTPUT_DEV ICE <- MEM[x]
• Carrega no dispositivo de saída o valor que está armazenado na posição de memória indicada pelo valor x
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Programa Eco:apresenta no dispositivo de saída o
que foi digitado na entradaINPUT 3 --Lê entrada e guarda na memória 3OUTPUT 3 --Imprime o valor guardado em memória 3STOP -- pára a execução do programa
Semântica = significado das instruções, definido operacionalmente, através de fluxo de dados e controle entre os elementos da arquitetura
INPUT 3 significa MEM[3] <- INPUT_DEVICEOUTPUT 3 significa OUTPUT_DEVICE <- MEM[3]STOP significa Pára execução do programa
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Executando programas na máquina de von Neumann
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Ciclo de Execução de Programas
• Etapa 1– carga do programa na memória• Etapa 2 – reset
– IP := 0• Etapa 3 – Ciclo de execução de instruções, até que
a instrução STOP seja encontrada– Etapa 3.1 – FECTH – Busca a instrução na memória
• IR := MEM[IP]– Etapa 3.2 – INC – Incrementa o IP
• IP := IP + 1– Etapa 3.3 – DECODE – decodifica a instrução, e caso a
instrução não seja STOP, volta à etapa 3.1
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Executando o Programa ECO para observar um valor digitado
pelo usuário, por exemplo o numeral 50
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O Cenário de Execução
Usuário
mem[0] mem[1] mem[2] mem[3]
mem[4] mem[5] mem[6] mem[7]INPUT_DEVICE
INPUT_DEVICE
CPU Reg.Dados Memória (MDR)
Reg. Endereços Memória (MAR)
Registrador Instrução (IR)
Reg. Acumulador (ACC)
Ponteiro de Instrução (IP)
Registradores
Unidadede Controle
(UC)
UAL
rdwr
add/sub
MEMÓRIA RAM
Programa ECOINPUT 3
OUTPUT 3 STOP
Fluxo de ControleFluxo de Dados
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Executando o Programa ECOEtapa 1 – Carga do Programa na
Memória
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Programa Eco carregado numa memória RAM com 8 palavras de tamanho
mem[0] mem[1] mem[2] mem[3]
INPUT 3 OUTPUT 3 STOPmem[4] mem[5] mem[6] mem[7]
Um programa do computador chamado loader cuida da carga do programa, que é feita usando os dispositivos de entrada de dados mas cujos detalhes serão omitidos.O resultado final é que o programa estará armazenado naMemória após a carga.
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Executando o Programa ECOEtapa 2 – Reset do IP
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RESET do Ponteiro de Instruções (IP)
CPUReg.Dados Memória
Reg. Endereços Memória
Registrador de Instrução
Reg. Acumulador
Reg. Ponteiro de Instrução0
Registradores
Unidadede Controle
(UC)
UAL
readwrite
add/sub
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Executando o Programa ECOEtapa 3 –ciclo de execução de instruções, até
que a instrução STOP seja encontrada
3.1 – FECTH – Busca a instrução na memóriaIR := MEM[IP]
3.2 – INC – Incrementa o IPIP := IP + 1
3.3 – DECODE – decodifica a instrução
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Executando a 1a instrução: INPUT 3
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3.1 FETCH: Busca instrução na memória
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FECTH – Busca a instrução na memóriaIR := MEM[IP]
mem[0] mem[1] mem[2] mem[3]
INPUT 3 OUTPUT 3 STOPmem[4] mem[5] mem[6] mem[7]
CPUReg.Dados Memória (MDR)
INPUT 3Reg. Endereços Memória (MAR)
0
Registrador Instrução (IR)INPUT 3
Reg. Acumulador (ACC)
Ponteiro de Instrução (IP)0
Registradores
Unidadede Controle
(UC)
UAL
rdwr
add/sub
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3.2 INC: Incrementa ponteiro de instrução
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INC – Incrementa IP: IP := IP + 1
mem[0] mem[1] mem[2] mem[3]
INPUT 3 OUTPUT 3 STOPmem[4] mem[5] mem[6] mem[7]
CPUReg.Dados Memória (MDR)
INPUT 3Reg. Endereços Memória (MAR)
0
Registrador Instrução (IR)INPUT 3
Acumulador (ACC)
Ponteiro de Instrução (IP)1
Registradores
Unidadede Controle
(UC)
UAL
rdwr
add/sub
01
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3.3 DECODE: Decodifica instrução
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DECODE – decodifica a instrução
mem[0] mem[1] mem[2] mem[3]
INPUT 3 OUTPUT 3 STOPmem[4] mem[5] mem[6] mem[7]
CPUReg.Dados Memória (MDR)
INPUT 3Reg. Endereços Memória (MAR)
3
Registrador Instrução (IR)INPUT 3
Acumulador (ACC)
Ponteiro de Instrução (IP)1
Registradores
Unidadede Controle
(UC)
UAL
rdwr
add/sub
Usuário
INPUT_DEVICE
Digita “50”
DADO: 50 ENDEREÇO: 3
50
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Executando a 2a instrução: OUTPUT 3
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3.1 FETCH: Busca instrução na memória
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FECTH – Busca a instrução na memória (IR := MEM[IP])
CPUReg.Dados Memória (MDR)
OUTPUT 3Reg. Endereços Memória (MAR)
1
Registrador Instrução (IR)OUTPUT 3
Reg. Acumulador (ACC)
Ponteiro de Instrução (IP)1
Registradores
Unidadede Controle
(UC)
UAL
rdwr
add/sub
mem[0] mem[1] mem[2] mem[3]
INPUT 3 OUTPUT 3 STOPmem[4] mem[5] mem[6] mem[7]
50
DADO: OUTPUT 3 ENDEREÇO: 1
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3.2 INC: Incrementa ponteiro de instrução
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INC – Incrementa IP: IP := IP + 1
mem[0] mem[1] mem[2] mem[3]
INPUT 3 OUTPUT 3 STOPmem[4] mem[5] mem[6] mem[7]
CPUReg.Dados Memória (MDR)
OUTPUT 3Reg. Endereços Memória (MAR)
1
Registrador Instrução (IR)OUTPUT 3
Acumulador (ACC)
Ponteiro de Instrução (IP)2
Registradores
Unidadede Controle
(UC)
UAL
rdwr
add/sub
11
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3.3 DECODE: Decodifica instrução
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DECODE – decodifica a instrução
mem[0] mem[1] mem[2] mem[3]
INPUT 3 OUTPUT 3 STOPmem[4] mem[5] mem[6] mem[7]
CPUReg.Dados Memória (MDR)
OUTPUT 3Reg. Endereços Memória (MAR)
3
Registrador Instrução (IR)OUTPUT 3
Acumulador (ACC)
Ponteiro de Instrução (IP)2
Registradores
Unidadede Controle
(UC)
UAL
rdwr
add/sub
Usuário
OUTPUT_DEVICE
Observa “50”
DADO: 50 ENDEREÇO: 3
50
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Executando a 3a instrução: STOP
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3.1 FETCH: Busca instrução na memória
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FECTH – Busca a instrução na memória (IR := MEM[IP])
CPUReg.Dados Memória (MDR)
STOPReg. Endereços Memória (MAR)
2
Registrador Instrução (IR)STOP
Reg. Acumulador (ACC)
Ponteiro de Instrução (IP)2
Registradores
Unidadede Controle
(UC)
UAL
rdwr
add/sub
mem[0] mem[1] mem[2] mem[3]
INPUT 3 OUTPUT 3 STOPmem[4] mem[5] mem[6] mem[7]
50
DADO: STOP ENDEREÇO: 2
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3.2 INC: Incrementa ponteiro de instrução
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INC – Incrementa IP: IP := IP + 1
mem[0] mem[1] mem[2] mem[3]
INPUT 3 OUTPUT 3 STOPmem[4] mem[5] mem[6] mem[7]
CPUReg.Dados Memória (MDR)
STOPReg. Endereços Memória (MAR)
2
Registrador Instrução (IR)STOP
Acumulador (ACC)
Ponteiro de Instrução (IP)3
Registradores
Unidadede Controle
(UC)
UAL
rdwr
add/sub
21
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3.3 DECODE: Decodifica instrução
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DECODE – decodifica a instrução
mem[0] mem[1] mem[2] mem[3]
INPUT 3 OUTPUT 3 STOPmem[4] mem[5] mem[6] mem[7]
CPUReg.Dados Memória (MDR)
STOPReg. Endereços Memória (MAR)
2
Registrador Instrução (IR)STOP
Acumulador (ACC)
Ponteiro de Instrução (IP)3
Registradores
Unidadede Controle
(UC)
UAL
rdwr
add/sub
Usuário
OUTPUT_DEVICE
Observa fimde execução
50
INPUT_DEVICE
pára pára
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Uma Arquitetura Concreta para a Máquina de von Neumann
Jorge Fernandes