conceitos básicos sobre arquitetura de computadores
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Arquitetura de Computadores 1
Conceitos BásicosConceitos Básicos• Representação dos dados• Bases Numéricas• Conversão de bases
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Arquitetura de Computadores 2
Organização de um ComputadorOrganização de um Computador
• O computador é uma máquina capaz de sistemicamentecoletar, manipular e fornecer resultados.
• Processamento de dados consiste em uma série de atividades ordenadamente realizadas com o objetivo de produzir um arranjo determinado de informações e resultados.
• Um computador digital é um conjunto de componentes integrados segundo uma estrutura de sistema que manipula dados na forma digital (0s e 1s).– Unidade Central de Processamento (CPU)– Memória– Unidades de E/S
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Arquitetura de Computadores 3
Representação dos Valores LógicosRepresentação dos Valores Lógicos
• O computador trabalha com a base de numeração binária onde os números são representados por um conjunto de 0s e 1s.
....001010101011010101101010101010100001111111110000000000....
Nível de tensãoVolts(V)
Nível lógico 1
Nível lógico 0
t
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Arquitetura de Computadores 4
Representação dos dadosRepresentação dos dados
• A informação é – armazenada, transferida e manipulada em grupos de bits
• Num mesmo computador podem ser empregadas grupos de bits de tamanhos diferentes.
• Os dados em um computador são representados na forma binária :– Bit (1 digito binário) ou Binary Digit: valor 0 ou 1– Byte = 8 bits– Palavra (word), conforme a arquitetura ocupará n bytes.– Caracter: conjunto de n bits que define 2n caracteres
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Arquitetura de Computadores 5
Revisão de Bases NuméricasRevisão de Bases Numéricas• Na base decimal são usados 10 dígitos (ou algarismos) diferentes
{0,1,2,3,4,5,6,7,8,9}, formando números em base 10.• Cada algarismo N de um número possui um valor que depende de
sua posição. (N * Bpos)Exemplo:1999 • O dígito mais a direita (9) representa a quantidade de unidades,
pois está na posição 0. O dígito 9 mais a esquerda ,pode ser interpretado como sendo 9 * 100
O valor completo do número pode ser calculado como sendo1*103 + 9 *102 + 9*101 + 9*100
1*1000 + 9*100 + 9*10 + 9*11000 + 900 + 90 + 91999
Base Decimal
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Arquitetura de Computadores 6
Revisão de Bases NuméricasRevisão de Bases Numéricas
• Na base hexadecimal dispomos de 16 algarismos {0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,A,B,C,D,E,F}, onde os dígitos de 0 a 9 são idênticos as decimais, e os dígitos de A a F, correspondem aos valores decimais de 10 a 15, sucessivamente.
Exemplo:10AC16
1*163 + 0*162 + 10*161 + 12*160
1*4096 + 0*256 + 10*16 + 12*14096 + 0 + 160 + 12426810
Base Hexadecimal
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Arquitetura de Computadores 7
Revisão de Bases NuméricasRevisão de Bases Numéricas
• Na base octal temos 8 algarismos {0,1,2,3,4,5,6,7}Exemplo:5218
5*82 + 2*81 + 1*80
5*64 + 2*8 +1*1320 + 16 + 133710
Base Octal
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Arquitetura de Computadores 8
Revisão de Bases NuméricasRevisão de Bases Numéricas• A base binária ou base 2 é a maneira usual de representação de
números em computadores eletrônicos.• Nesta forma de representação temos apenas dois algarismos
disponíveis {0,1} que correspondem aos sinais elétricos ligado edesligado.
100112
1*24 + 0*23 + 0*22 + 1*21 + 1*20
1*16 + 0*8 + 0*4 +1*2 +1*116+0+0+2+11910
• Cada algarismo de uma representação numérica binária é denominados de bit, que corresponde à abreviatura de binary digit.
• Outras denominações usadas com freqüência:• byte = conjunto de 8 bits • nibble = conjunto de quatro bits ou meio byte
Base Binária
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Arquitetura de Computadores 9
Tabela ResumoTabela Resumo
15F171111
14E161110
13D151101
12C141100
11B131011
10A121010
99111001
88101000
7770111
6660110
5550101
4440100
3330011
2220010
1110001
0000000
DecimalHexadecimalOctalBinario
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Arquitetura de Computadores 10
Revisão Conversão de BasesRevisão Conversão de Bases
• Para a conversão de um número em uma base qualquer para a base decimal usa-se a seguinte fórmula:
N=dn-1 x bn-1 + dn-2 x bn-2 + ... + d1 x b1 + d0 x b0
Onde:• d : Indica cada algarismo do número• n-1, n-2, 1,0 : Indicam a posição de cada algarismo• b : Indica a base de numeração• n : Indica o número de dígitos inteiros
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Arquitetura de Computadores 11
Revisão Conversão de BasesRevisão Conversão de Bases
• Este procedimento consiste em dividir o número representado na base 10 sucessivamente pela nova base em que se deseja representá-lo, até que o quociente da divisão seja menor que a base em questão.
• Em seguida toma-se o último quociente e os restos das sucessivas divisões em ordem inversa e obtém-se, assim, a representação do número na nova base.
Exemplo:Converter 2710 para base 2:
Portanto 2710 = 110112
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Arquitetura de Computadores 12
Representação dos dadosRepresentação dos dados
• Quando representamos números em papel temos quantos dígitos forem necessários para representar um número.
• Isto não acontece quando um computador armazena um número. Ele utiliza um número fixo de dígitos binários, ou bits, para a representação em base 2. Portanto se estamos utilizando um byte para armazenamento, todos os 8 bits, e no máximo 8 bits, serão usados.
• Por exemplo, 2710, armazenado em um byte:• 00011011
27 26 25 24 23 22 21 20
Inteiros Binários sem Sinal
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Arquitetura de Computadores 13
Operações com Inteiros sem Sinal Operações com Inteiros sem Sinal
• Para somar dois números em binário efetuamos a adição de cada dígito das duas parcelas da direita para a esquerda.
• Assim como na aritmética decimal, precisamos estar atento ao "vai um" (carry), isto é, se estamos somando dois dígitos e o resultado for maior do que pode ser representado em um único dígito, devemos somar o excesso na próxima coluna.
Adição
0+0=01+0=10+1=11+1=0 e "vai 1"Exemplo:
11001 : 9
+0101 : 51110 : 14
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Arquitetura de Computadores 14
Operações com Inteiros sem Sinal Operações com Inteiros sem Sinal
• Um overflow acontece sempre que o resultado de uma soma não puder ser armazenado no número de bits disponíveis.
• Por exemplo, se estamos trabalhando com números de 4 bits e vamos somar 10+13, o resultado (23) não pode ser armazenado em apenas 4 bits. Isto é um overflow.
11010 : 10
+ 1101 : 130111 : 7 (overflow)
• Pode-se detectar uma situação de overflow se tivermos "vai um" (Carry Out) saindo da última coluna (carry out).
Adição
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Arquitetura de Computadores 15
Operações com Inteiros sem Sinal Operações com Inteiros sem Sinal
• A subtração de dois números inteiros sem sinal em binário é feita de forma análoga como em decimal.
• As regras são:
Subtração
0-0=00-1=1, pede emprestado 1 (10 – 1)1-0=1 1-1=0
Exemplo:1
1001 : 9- 0101 : 5
0100 : 4
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Arquitetura de Computadores 16
Representação dos dadosRepresentação dos dados
• Para representarmos números de n bits usamos 1 bit para o sinal e n-1 para o valor ou magnitude.
Exemplo com números de 5 bits:5: 00101 15: 01111 1: 00001
-5: 10101 -15: 11111 -1: 10001
27 26 25 24 23 22 21 20
Inteiros Binários com Sinal
sinal magnitude
Sinal:0 -> positivo1 -> negativo
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Arquitetura de Computadores 17
Operações com Inteiros com sinalOperações com Inteiros com sinal
• Devemos comparar os sinais• Se os sinais são iguais: realizar como uma adição ou
subtração normal, sem o sinal.
0011 : +3+ 0100 : +4
0111 : +7
1010 : -2+ 1101 : -5
1111 : -7
Adição
sinal sinal
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Arquitetura de Computadores 18
Operações com Inteiros com sinalOperações com Inteiros com sinal
• Se os sinais são diferentes: – realizar uma subtração entre o maior valor absoluto e o menor.– O sinal final corresponde ao sinal do maior valor absoluto.
-7 +2 = 7 - 2 1111 : -7
+ 0010 : +21101 : -5
-2 +5 = 5 - 20101 : +5
- 1010 : -20011 : +3
Problema: Muito “complicado” para identificar a operação correta, uso de comparadores
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Arquitetura de Computadores 19
Operações com Inteiros com Sinal Operações com Inteiros com Sinal
Determinação do Overflow a partir do Sinal
• Se forem somados 2 números com o mesmo sinal e o resultado tiver o mesmo sinal, então não há overflow.
• Se forem somados dois números com mesmo sinal e o resultado tiver sinal contrário, então há overflow.
• Se forem somados dois números com sinais opostos, nunca há overflow.
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Arquitetura de Computadores 20
RepresentaçõaRepresentaçõa dos dadosdos dados
• O que falta para completar 1 em cada um dos bits do número. É facilmente conseguido negando-se os dígitos binários.
Exemplo com números de 5 bits:
5: 00101 15: 01111 1: 00001-5: 11010 -15: 10000 -1: 11110
Complemento de 1
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Arquitetura de Computadores 21
RepresentaçõaRepresentaçõa dos dadosdos dados
• Adiciona-se 1 ao complemento de 1 do número. • É, sem dúvida, o método mais usado atualmente para
representação de números inteiros com sinal na grande maioria dos sistemas de computadores.
Exemplo com números de 5 bits:
5: 00101 15: 01111 1: 00001-5: 11011 -15: 10001 -1: 11111
Complemento de 2
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Arquitetura de Computadores 22
Tabela ResumoTabela Resumo
-1-0-7151111
-2-1-6141110
-3-2-5131101
-4-3-4121100
-5-4-3111011
-6-5-2101010
-7-6-191001
-8-7-081000
77770111
66660110
55550101
44440100
33330011
22220010
11110001
00+000000
Complemento de 2Complemento de 1Sinal MagnitudeInteiro PositivoBinário
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Arquitetura de Computadores 23
RepresentaçõaRepresentaçõa dos dadosdos dados
Sinal e Magnitude:• Duas representações para o zero• Simetria de Positivos e Negativos• Dificuldade em fazer operaçõesComplemento de Um• Duas representações para o zero• Simetria de Positivos e Negativos• Dificuldade em fazer operaçõesComplemento de Dois• Uma única representação para zero• Um negativo a mais que os positivos
Análise dos Modos de Representação
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Arquitetura de Computadores 24
Operações com Inteiros em Operações com Inteiros em Complemento de 2 Complemento de 2 Soma de dois números positivos
1 111+5 000101 +20 010100+1 000001 +14 001110+6 000110 +34 100010 (-30)Nenhum Carry Carry InSem Overflow Overflow
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Arquitetura de Computadores 25
Operações com Inteiros em Operações com Inteiros em Complemento de 2 Complemento de 2 Soma de Números com sinais opostos
111 1 1 -5 111011 -10 110110
+10 001010 +5 000101+5 000101 -5 111011
Carry In e Carry Out Nenhum CarrySem Overflow Sem Overflow
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Arquitetura de Computadores 26
Operações com Inteiros em Operações com Inteiros em Complemento de 2 Complemento de 2 Soma de Números com sinais negativos
111 11 1-5 111011 -10 110110-5 111011 -24 101000
-10 110110 -34 011110 (+30)Carry In e Carry Out Carry OutSem Overflow Overflow
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Arquitetura de Computadores 27
Operações com Inteiros em Operações com Inteiros em Complemento de 2 Complemento de 2 Análise do Overflow pelo carry in e carry out
• Se houver número par de carry não há overflow.• Se houver número impar de carry então há overflow.
NãoSimSim
SimNãoSim
SimSimNão
NãoNãoNão
OverflowCarry OutCarry In
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Arquitetura de Computadores 28
Representação BCDRepresentação BCD
• Codificação onde um número é representado como uma seqüência de dígito decimais e cada dígito é codificado como um número binário de 4 bits.
0: 00001: 00012: 00103: 0011 4: 0100 5: 01016: 01107: 01118: 10009: 1001Exemplo:
– 7458: 0111 0100 0101 1000
BCD - Decimal Compactado em Binário
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Arquitetura de Computadores 29
Representação de CaracteresRepresentação de Caracteres
• Os caracteres são representados nos computadores através de códigos numéricos, onde cada combinação de bits representa uma letra ou símbolo diferente.
• Principais Conjuntos de Caracteres:– BCD - Binary Code Decimal: 6 bits por caracter permitindo 64
caracteres diferentes. Não é mais usado atualmente.– EBCDIC - Extended Binary Coded Decimal Interchange Code:
Codificação exclusiva da IBM, ainda em uso em mainframes. Caracteres de 8 bits, permitindo 256 símbolos.
– ASCII - American Standard Code for Information Interchange - 7 bits para representar os caracteres mais um de paridade. permitindo 128 caracteres. Há uma versão extendida (ANSI) com 8 bits, sem paridade, onde estão disponíveis 256 caracteres.
– UNICODE - Novo padrão proposto. Caracteres com 16 bits.
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Arquitetura de Computadores 30
Representação dos DadosRepresentação dos Dados
• Como os computadores são binários, todas as indicações núméricas referenciam a potência de 2.– K representa 1.024 unidades (210) – M representa 1.048.576 unidades (220)
• Logo:• 64K bytes = 64 x 1.024 bytes = 65.536 bytes,• 2 M bytes = 2 x 1.048.576 bytes = 2.097.152 bytes
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Arquitetura de Computadores 31
Representação dos DadosRepresentação dos Dados
• 64K bytes = 64 x 1.024 bytes = 65.536 bytes,– Quantos bits deverá ter a palavra para acessar uma memória de
64 K bytes?• Resposta:• 64 K = 26 x 210 = 216
• A palavra deve ter no mínimo 16 bits
• 2 M bytes = 2 x 1.048.576 bytes = 2.097.152 bytes– Quantos bits deverá ter a palavra para acessar uma memória de
2 M bytes?• Resposta:• 2 M = 21 x 220 = 221
• A palavra deve ter no mínimo 21 bits
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Arquitetura de Computadores 32
Palavras na MemóriaPalavras na Memória• A memória principal armazena
palavras de um tamanho fixo, as quais recebem o nome específico de palavra de memória.
• Um tamanho típico para palavra de memória é 8 bits (1 byte).
• O tamanho da palavra utilizada para endereçar a memória depende do número de endereços disponíveis.
• Assim, para uma memória com 1.024 endereços, por exemplo, o tamanho da palavra para endereçamento da memória será 10 bits (pois 210 = 1024).
MemóriaDados
MemóriaPrograma
00h01h02h...
...
...
N bits
M bits
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Arquitetura de Computadores 33
Palavras na CPUPalavras na CPU
• A palavra interna à CPU, por sua vez, geralmente tem tamanho distinto do das demais.
• Uma CPU projetada para trabalhar com n bits é dita ser um processador de n bits. Existem processadores de 1 a 64 bits (ou até mais).
• Nos computadores pessoais tipo IBM/PC compatíveis, são empregados processadores de 16, 32, 64 e 128 bits, conforme o modelo.
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Arquitetura de Computadores 34
Palavras na CPUPalavras na CPU