Funcionamento Interno dos Computadores (CPU e Memória)

1. 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

2. 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.

3. O que é umComputador?

4. 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)

5. Estrutura do computador

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

7. 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.

8. 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.

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

10. 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.

11. Memória • 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.

12. 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.

13. Exemplo

14. 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.

15. Representando Dados • Bit • Byte • Palavra

16. 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

17. 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.

18. 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.

19. 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.

20. Memória Cache RAM Processador Cache

21. 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.

22. 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

23. Registradores

24. 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

25. 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)

26. 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.

27. 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

28. 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.

29. 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

30. 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.

31. 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.

32. O Ciclo da Máquina

33. Barramentos

34. 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.

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

36. 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).

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

38. 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

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

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

48. 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.