MÁQUINA DE VON-NEUMANNFELIPE G. TORRES
Tecnologia da informação e comunicação
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MÁQUINA DE VON NEUMANN
Arquitetura de computadores 3
Jhon Von Neumann
• Foi um matemático húngaro deorigem judaica, naturalizadoestadunidense.
• Contribuiu na teoria dosconjuntos, análise funcional,mecânica quântica, ciência dacomputação, teoria dos jogos,análise numérica, estatística eoutras áreas da matemática.
(1903 - 1957, Hungría)
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Jhon Von Neumann
• Foi professor na Universidadede Princeton e um dosconstrutores do ENIAC.
• John von Neumann propôs queas instruções, lidas na épocapor cartões perfurados, fossemgravadas na memória docomputador;
(1903 - 1957, Hungría)
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• Neumann contribuiu para a construção dos computadores deforma grandiosa, pois, ainda hoje a maioria destas máquinasseguem o modelo inventado pelo mesmo.
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INDICAÇÃO DE LEITURA
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• Em 1946, von Neumann e seus colegas começaram o projeto deum novo computador de programa armazenado, conhecidocomo computador IAS, no Princeton Institute for AdvancedStudies.
• O computador IAS, embora não concluído antes de 1952, é oprotótipo de todos os computadores de uso geral.
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A estrutura geral de um computador IAS, consiste em:
• Uma memória principal, que armazena dados e instruções.
• Uma unidade lógica e aritmética (ALU) capaz de operar sobredados binários.
• Uma unidade de controle, que interpreta as instruções namemória e faz com que sejam executadas.
• Equipamento de entrada e saída (E/S) operado pela unidade decontrole.
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A estrutura geral de um computador IAS, consiste em:
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A estrutura geral definida por von Neumann possui cinco pontossendo eles:
1°) Como o dispositivo é principalmente um computador, ele teráque realizar as operações elementares da aritmética maisfrequentemente.
• São elas adição, subtração, multiplicação e divisão.
• Em qualquer velocidade, uma parte aritmética central dodispositivo provavelmente terá que existir, e isso constitui aprimeira parte específica: CA (do inglês, Central Arithmetic).
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A estrutura geral definida por von Neumann possui cinco pontossendo eles:
2°) Controle lógico do dispositivo, ou seja, a sequenciaçãoapropriada de suas operações, pode ser executado de forma maiseficiente por um órgão de controle central.
• O primeiro deverá ser armazenado de alguma maneira; osegundo é representado por partes operacionais definidas dodispositivo.
• Por controle central, essa última função, e as unidades que orealizam formam a segunda parte específica: CC.
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A estrutura geral definida por von Neumann possui cinco pontossendo eles:
3°) qualquer dispositivo que tiver que executar sequências deoperações longas e complicadas (cálculos) precisa ter umamemória considerável.
• As instruções que controlam um problema complicado precisaser relembrado.
• A memória total constitui a terceira parte específica dodispositivo: M.
• O dispositivo precisa ser capaz de manter contato de entrada esaída (sensorial e motor) com algum meio específico desse tipo.A gravação externa ao dispositivo é R (do inglês recording).
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A estrutura geral definida por von Neumann possui cinco pontossendo eles:
4°) O dispositivo precisa ter unidades para transferir informaçõesde R para suas partes específicas C e M.
• Essas unidades formam sua entrada, a quarta parte específica: I(do inglês input).
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A estrutura geral definida por von Neumann possui cinco pontossendo eles:
5°) O dispositivo precisa ter unidades para transferir de suaspartes específicas C e M para R.
• Essas unidades formam sua saída, a quinta parte específica: O(do inglês output).
• É melhor fazer todas as transferências de M (por O) para R, enunca diretamente de C.
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MEMÓRIA DO IAS
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• A memória do IAS consiste em 1.000 locais de armazenamento,chamados palavras (words), de 40 dígitos binários (bits) cada.
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MEMÓRIA DO IAS
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• O Opcode são códigos operacionais armazenados na memóriade 8 bits de tamanho.
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MEMÓRIA DO IAS
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• A Unidade de Controle central opera o IAS buscando instruçõesna memória e executando-as uma por vez.
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REGISTRADORES
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A Unidade Lógica e Aritmética possui locais de armazenamentochamados de registradores. Sendo eles:
• Registrador de buffer de memória (mBR, memory bufferregister): contém uma palavra a ser armazenada na memóriaou enviada à unidade de E/S, ou é usada para receber umapalavra da memória ou de uma unidade de E/S.
• Registrador de endereço de memória (mAR, do inglês memoryaddress register): especifica o endereço na memória da palavraa ser escrita ou lida no MBR.
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REGISTRADORES
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A Unidade Lógica e Aritmética possui locais de armazenamentochamados de registradores. Sendo eles:
• Registrador de instrução (IR, do inglês instruction register):contém o opcode de 8 bits da instrução que está sendoexecutada.
• Registrador de buffer de instrução (IBR, do inglês instructionbuffer register): empregado para manter temporariamente apróxima instrução a ser executada.
• Contador de programa (pc, do inglês program counter):contém o endereço do próximo par de instruções a serapanhado da memória.
REGISTRADORES
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A Unidade Lógica e Aritmética possui locais de armazenamentochamados de registradores. Sendo eles:
• Acumulador (Ac) e quociente multiplicador (mq, do inglêsmultiplier quotient): empregado para manter temporariamenteoperandos e resultados de operações da ALU. Por exemplo, oresultado de multiplicar dois números de 40 bits é um númerode 80 bits; os 40 bits mais significativos são armazenados no ACe o menos significativos no MQ.
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FLUXOGRAMA PARCIAL DA OPERAÇÃO DO IAS
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AC: Acumulador
IBR: Registrador de buffer deinstrução
IR: Registrador de instrução
MAR: Registrador deendereço de memória
mBR: Registrador de bufferde memória
PC: Contador de programa
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INSTRUÇÕES DA IAS
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O computador IAS tinha um total de 21 instruções. Estas podemser agrupadas da seguinte forma:
• Transferência de dados: movem dados entre memória e registradores daALU ou entre dois registradores da ALU.
• Desvio incondicional: normalmente, a unidade de controle executainstruções em sequência a partir da memória. Essa sequência pode seralterada por uma instrução de desvio, que facilita operações repetitivas.
• Desvio condicional: o desvio pode se tornar dependente de uma condição,permitindo assim pontos de decisão.
• Aritméticas: operações realizadas pela ALU.
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INSTRUÇÕES DA IAS
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O computador IAS tinha um total de 21 instruções. Estas podemser agrupadas da seguinte forma:
• Transferência de dados: movem dados entre memória e registradores daALU ou entre dois registradores da ALU.
• Desvio incondicional: normalmente, a unidade de controle executainstruções em sequência a partir da memória. Essa sequência pode seralterada por uma instrução de desvio, que facilita operações repetitivas.
• Desvio condicional: o desvio pode se tornar dependente de uma condição,permitindo assim pontos de decisão.
• Aritméticas: operações realizadas pela ALU.
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GARGALO DO MODELO VON NEUMANN
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• A separação entre a CPU e a memória leva para o gargalode von Neumann, a produção limitada (taxa detransferência) entre a CPU e a memória em comparaçãocom a quantidade de memória.
• Na maioria dos computadores modernos, o throughput émuito menor do que a taxa com que o processador podetrabalhar.
• A CPU é continuamente forçada a esperar por dados queprecisam ser transferidos para ou a partir da memória.
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GARGALO DO MODELO VON NEUMANN
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• Como a velocidade da CPU e tamanho da memória têmaumentado muito mais rapidamente que a taxa detransferência entre eles, o gargalo se tornou mais um problema,um problema cuja gravidade aumenta com cada geração deCPU.
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REVISÃO DA AULA
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REFERÊNCIAS
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MEIRELLES, Fernando de Souza. INFORMÁTICA: NOVAS APLICAÇÕES COMMICROCOMPUTADORES., Makron Books. 2005
CAPUANO E IDOETA. Elementos de eletrônica Digital. Ed Erica
TORRES, Gabriel. Hardware: curso completo . 4. ed. Rio de Janeiro: AxcelBooks, 2005
BROOKSHEAR, J. Glenn. Ciência da Computação – Uma Visão Abrangente.Porto Alegre: Bookman. 2009
CAPRON, Harriet L. Introdução a Informatica. Pearson Brasil
PERES, Fernando Eduardo; FEDELI, Ricardo Daniel; POLLONI, Enrico G. F.Introdução À Ciência da Computação – 2. ed. Cengage Learning, 2010
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VÍDEOS
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Música sobre a Máquina de Von Neumann[Disponível em https://youtu.be/sCXCTrw6Chs]
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