Conceitos

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3. O computador e o processador
“Conto os versos de um poema, calculo a altura de uma estrela, avalio o número de
franjas, meço a área de um país, ou a força de uma torrente – aplico, enfim, fórmulas
algébricas e princípios geométricos – sem me preocupar com os louros que possa tirar
de meus cálculos e estudos!”
– Malba Tahan, O Homem que Calculava
De uma forma simplificada, o computador é um equipamento que recebe, processa e retorna
as informações ao usuário, transformando-as com uma determinada utilidade, segundo as
instruções definidas por um programa.
Um programa é um conjunto de instruções e dados que são carregados na memória do
computador no formato binário e que definem uma forma de interação com o usuário e
especificam as tarefas que serão realizadas pelo computador.
Os programas são inicialmente definidos pelos programadores com o uso de uma linguagem
de alto nível (como C, Python, Fortran e outras) e que são posteriormente traduzidos pelo
compilador para a linguagem de máquina, que é a linguagem que o processador entende.
A seguir vamos ver, modernamente, como isso tudo começou e detalhes sobre a arquitetura
e o funcionamento do computador.
3.1 ARQUITETURA DE VON NEUMANN
Basicamente, a estrutura e a funcionalidade do computador moderno foram definidas por
Von Neumann em 1945, durante o projeto do computador EDVAC, com a publicação de um
relatório (NEUMANN; GODFREY, 1993) descrevendo a sua arquitetura, conforme apresentado
na Seção 2.3.3.
Para entendermos a importância da arquitetura Von Neumann vamos começar fazendo
uma pergunta: qual a diferença entre uma calculadora e um computador?
Uma calculadora básica realiza apenas as funções pré-determinadas em seu teclado. Se
desejarmos fazer um novo tipo de operação, isso só será possível com a modificação dos
circuitos eletrônicos que compõem a calculadora, além do seu teclado, para a inclusão da nova
função. Não há, portanto, flexibilidade para realizar alterações na calculadora para se adaptar
a novas aplicações.
O computador, por sua vez, é um equipamento que oferece a possibilidade de ser confi-
gurado facilmente para novas tarefas, de acordo com as necessidades de cada aplicação do
usuário. A grande inovação da proposta de Von Neumann foi uma nova forma de arquite-
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134 3. O computador e o processador
tura para o computador que permitisse um alto grau de flexibilidade, de forma a adaptá-lo
facilmente para diversas aplicações.
A proposta de computador controlado pelo programa armazenado em memória (NEU-
MANN; GODFREY, 1993) foi um dos conceitos fundamentais apresentados por Von Neumann
que permitiu essa flexibilidade. Em seu modelo de computador foi introduzido o conceito de
memória, um dispositivo de armazenamento temporário, para onde programas (instruções e
dados) diferentes poderiam ser carregados a partir de uma unidade de entrada, para serem
executados pela unidade aritmética e lógica, com os resultados sendo transferidos da memória
para uma unidade de saída, tudo isso sob a coordenação de uma unidade de controle. Deste
modo, ficava garantida a flexibilidade do computador, que pode ter o seu funcionamento facil-
mente alterado mediante o uso de instruções e dados diferentes, de acordo com a aplicação de
cada usuário.
Figura 3.1 – Arquitetura de Von Neumann
© 2021 Gabriel P. Silva
Sendo mais formal, os componentes da máquina de Von Neumann (Figura 3.1) podem ser
descritos assim:
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3.1. Arquitetura de Von Neumann 135
• Unidade Aritmética e Lógica: É a unidade que executa as operações aritméti-
cas e lógicas tais como: soma, subtração, multiplicação, divisão, raiz quadrada,
movimentação entre a unidade aritmética e a memória, verificação do sinal do re-
sultado, conversão de decimal para binário e vice-versa. Um total de 10 operações
fundamentais foi definido por Von Neumann no artigo original.
• Unidade de Controle: É a unidade responsável pelo sequenciamento das opera-
ções, transferência dos dados e instruções e pelo controle das demais unidades do
computador.
• Memória: É a unidade onde as instruções, os dados de entrada, as tabelas de refe-
rência, e os resultados intermediários são armazenados para permitir a execução
de um programa.
• Entrada: É a unidade que transfere a informação (numérica ou não) do meio
externo. Todas as transferências devem ser feitas para a memória e nunca direta-
mente para a unidade de controle.
• Saída: É a unidade que transfere a informação (numérica ou não) para o meio
externo. Todas as transferências devem ser feitas da memória para o meio externo,
e nunca diretamente da unidade de controle.
Von Neumann, em uma analogia com o comportamento dos neurônios, sugere o uso da
numeração binária para a representação interna dos números, ao invés da numeração decimal,
pela evidente economia que isso proporciona no tempo gasto nos cálculos e na complexidade
dos circuitos.
O componente eletrônico básico da máquina EDVAC, com comportamento análogo ao
neurônio biológico era o E-element, que poderia ser implementado com 1 ou 2 tubos de vácuo
(válvulas) e combinado para criar circuitos mais complexos para a unidade aritmética, memória
e unidade de controle. O E-element é um dispositivo que recebe e emite sinais por uma linha
conectada a ele, de forma equivalente ao axônio de um neurônio. Além disso, esses sinais, tais
como sinais do sistema nervoso, demoram uma quantidade de tempo para serem transmitidos.
Entretanto, diferentemente do sistema nervoso humano, essa quantidade de tempo possui
um valor fixo, pois alguns outros atrasos presentes no sistema nervoso humano são ignorados
pelos E-elements. Além disso, outra diferença do E-element para o sistema nervoso humano
é que todos esses elementos atuam de forma sincronizada pelo relógio central da máquina,
enquanto que o funcionamento dos neurônios é assíncrono.
As válvulas foram escolhidas como elementos básicos por serem dispositivos existentes,
com a tecnologia disponível naquela época, de menor tempo de chaveamento (mudança do
valor lógico 0 para o valor lógico 1). O uso de um sinal elétrico periódico para cadenciar todas
as operações do computador foi também proposto por Von Neumann, dando origem ao que
chamamos de relógio do computador.
O modelo de arquitetura de Von Neumann continua sendo utilizado no projeto dos compu-
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136 3. O computador e o processador
tadores comerciais nos dias de hoje e o estudo de suas características permite uma compreensão
adequada do funcionamento dos computadores atuais.
Note que no modelo de Von Neumann tudo armazenado na memória: em princípio dados e
instruções ficam na mesma memória, sem conflito, desde que estejam em endereços diferentes.
Contudo, há algumas situações nas quais é conveniente armazenar dados e instruções em
memórias fisicamente diferentes, esse tipo especial de organização recebe o nome especial de
arquitetura Harvard(Fig. 3.2).
Figura 3.2 – Arquitetura Harvard
© 2021 Gabriel P. Silva
Esse nome deriva do fato de que esse tipo de organização foi adotado pelo processador
Mark I apresentado na Seção 2.2.5, desenvolvido pela Universidade de Harvard.
3.2 MODELO DE BARRAMENTO DE SISTEMA
O modelo de Von Neumann passou por um refinamento que recebeu o nome de modelo
de barramento de sistema (Figura 3.3). Nesse modelo, a unidade de controle e a unidade
aritmética, e também os registradores, são agregados em um único elemento que recebe o
nome de processador. A unidade de entrada e a unidade de saída são apresentadas agora
também como uma única unidade, chamada de unidade de entrada/saída. A memória continua
sendo vista com uma unidade independente, com as mesmas funções da arquitetura de Von
Neumann, ou seja, armazenamento de dados e instruções dos programas em execução.
Um elemento novo que surge é o próprio barramento de sistema, que faz a interligação
entre o processador, a memória e a unidade de entrada/saída. O barramento de sistema é
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3.2. Modelo de Barramentode Sistema 137
Figura 3.3 – Modelo de Barramento de Sistema
© 2021 Gabriel P. Silva
composto pelos barramentos de endereço, dados e controle.
O barramento de endereços transporta os sinais de endereço através de fios ou trilhas
até a memória. Sinais esses que vão, principalmente, determinar qual a posição de memória
que irá ser lida ou escrita. Os endereços podem ser fornecidos tanto pelo processador como
pela unidade de entrada/saída. A informação dessa posição de memória, que está sendo lida
ou escrita na memória, transita pelo barramento de dados, que é bidirecional. Apesar do
nome, tanto instruções como os dados propriamente ditos circulam por esse barramento. O
barramento de controle indica qual a natureza da operação que vai ser realizada: leitura ou
escrita, na maior parte dos casos, e possui também sinais para a arbitragem do barramento,
para determinar quem vai utilizar o barramento naquele momento, que pode ser tanto o
processador como a unidade de entrada/saída.
Eventualmente, nos modernos computadores, existem também um ou mais barramentos
dedicados para ligar os periféricos à unidade de entrada/saída. Isso permite que o acesso do
processador à memória se faça com maior eficiência, pela diminuição do tráfego de dados no
barramento de sistema.
Em realidade, o modelo de barramento de sistema foi se modificando ao longo dos anos, se
adaptando às demandas de miniaturização dos computadores, que se tornaram cada vez mais
compactos, portáteis e com menor consumo de energia.
Nas placas-mãe (motherboard em inglês) dos computadores pessoais modernos não há um
barramento de sistema explícito, mas apenas um controlador (ou chipset em inglês) que faz a
intermediação entre o processador e os dispositivos de entrada e saída, como pode ser visto na
Figura 3.4.
Nesse tipo de arquitetura estão embutidos na mesma pastilha, além do processador: o
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138 3. O computador e o processador
Figura 3.4 – Placa de Processador Moderno
© 2016 Intel
controlador e o barramento de acesso à memória principal; o controlador e a interface para o
barramento de interconexão à placa de vídeo; além de possuir um terceiro barramento que faz
a interface com o (chipset).
Esse chipset, conhecido como ponte sul, é responsável por diversas funções tais como:
controlador de DMA; controlador de interrupção; temporizadores; relógio de tempo real;
controlador USB; controlador de áudio; controlador de ethernet ; interface para os discos rígidos;
interface para o barramento PCI Express; entre outros componentes que iremos detalhar mais
adiante.
A seguir vamos examinar cada um dos componentes do modelo de barramento de sistema
com mais detalhes.
3.2.1 Processador
No processador, além da unidade aritmética e lógica (UAL) e unidade de controle, encontramos
também os registradores. Os registradores são elementos de memória, de pequena capacidade,
mas de alta velocidade, colocados junto da UAL para armazenar os valores que vão ser utilizados
como operandos e receber os resultados gerados pela UAL. Se os operandos e resultados
fossem armazenados diretamente na memória, o tempo para a realização das operações da
UAL aumentaria tremendamente. O conjunto desses registradores presentes no processador é
denominado de banco de registradores.
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3.2. Modelo de Barramento de Sistema 139
Os registradores do processador são referenciados explicitamente pelas instruções lógicas,
aritméticas e de transferência de dados, podendo ser operandos fontes (lidos) ou de destino
(escritos) para essas instruções. Contudo, além desses registradores, existem ainda outros
registradores que são transparentes ao programador, tais como o registrador de instrução (RI),
cuja função é armazenar a instrução que está sendo executada atualmente pelo processador.
Existe um outro registrador especial denominado apontador de instruções (PC), que contém
o endereço da próxima instrução que vai ser executada. Esse registrador pode ser alterado, por
exemplo, pelas instruções de desvio, chamada e retorno de procedimento (funções e subrotinas).
A função do processador é executar os programas que estão armazenados na memória
principal. Isso é feito buscando suas instruções, examinando-as, e então executando-as uma
após a outra. O processador é responsável pela realização de uma série de funções, dentre as
quais destacamos:
• Buscar instruções e dados na memória;
• Programar a transferência de dados entre a memória e os dispositivos de entra-
da/saída;
• Decodificar as instruções;
• Realizar das operações aritméticas e lógicas;
• Responder aos sinais enviados por dispositivos de entrada/saída, tais como inter-
rupções e sinais de erro.
Na Figura 3.5 podemos ver a fotografia de um processador de 64 bits utilizado nos modernos
computadores.
Figura 3.5 – Processador Intel Core I7
© Jud McCranie [CC BY-SA 4.0 (h�ps://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)]
O processador tem seu funcionamento sincronizado pelo relógio, que pode operar em
frequência diferente dos demais componentes do computador, e serve para cadenciar as
diversas fases de execução das instruções. �anto mais rápido (maior a frequência) for o sinal
de relógio, mais rápido as instruções, e por consequência os programas, serão executados. No
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140 3. O computador e o processador
entanto, o atraso dos componentes básicos do processador (portas lógicas, flip-flops, etc.) e a
potência máxima que consegue ser dissipada pelo seu encapsulamento, limitam a frequência
máxima de relógio do processador.
Com a evolução dos computadores, outros componentes que anteriormente eram externos,
têm sido incorporados à mesma pastilha em que está o processador, entre esses elencamos:
memória cache; controlador de vídeo; e até mesmo outros processadores.
Maiores detalhes sobre o funcionamento do processador podem ser vistos no Capítulo 3.4.
3.2.2 Memória
A memória principal é utilizada para armazenar os programas e dados que vão ser processados
durante a operação normal do computador. A menor unidade de informação que pode ser
manipulada individualmente na memória é o byte, um conjunto de 8 bits, sendo que cada byte
possui um endereço distinto na memória. Ou seja, para que qualquer informação possa ser
lida ou escrita na memória, deve ser acompanhada de um endereço, que pode ser fornecido
tanto pelo processador como pela unidade de entrada/saída.
Figura 3.6 – Pente de Memória de Computador
© 2021 Gabriel P. Silva
Os dados ou instruções armazenados na memória são transferidos pelo barramento de
dados, cuja largura em bits varia de acordo com o tipo de pastilha ou cartão de memória
utilizado para compor a memória principal do processador, mas um valor comum nos modernos
computadores é uma largura de 64 bits.
A unidade de memória do computador é formada uma parte volátil, chamada de memória
principal, e por outra parte não volátil. As informações armazenadas na memória principal
podem ser alteradas durante a execução de um programa, mas são mantidas apenas enquanto
o computador estiver ligado. Uma memória principal com capacidade de armazenamento na
ordem de alguns gigabytes é comum nos computadores pessoais modernos.
A memória não volátil, que mantém o seu conteúdo quando o computador é desligado, é uti-
lizada para armazenar os programas responsáveis por iniciar o funcionamento do computador,
realizar os testes iniciais e copiar o sistema operacional do disco para a memória principal. Nos
primeiros computadores pessoais compatíveis com o IBM/PC, essa memória recebia o nome
do programa que ela armazenava: BIOS (Basic Input/Output System) — veja a Seção 3.3.1.
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3.2. Modelo de Barramento de Sistema 141
Embora seja não volátil, nos modernos computadores a BIOS pode ser atualizada diretamente
no computador, mediante reprogramação de seu conteúdo, mas isso deve acontecer apenas
eventualmente.
Maiores detalhes sobre a memória do computador serão apresentados no Capítulo 4.
3.2.3 Entrada e Saída
A unidadede entrada e saída (E/S) não se encontra definida por um único encapsulamento ou
componente no computador. Em realidade, essa unidade é constituída por diversos controlado-
res e interfaces que permitem a comunicação entre os dispositivos de entrada/saída (também
chamados de periféricos) com o processador e a memória. Sem os periféricos a comunicação
entre o homem e o computador não seria possível.
Normalmente a unidade de E/S faz a conversão da informação do formato binário, arma-
zenado no computador, para formato analógico, perceptível no meio externo pelos sentidos
humanos e vice-versa. Eventualmente a informação pode ser transferida sempre no formato
binário quando, por exemplo, ocorre a comunicação entre dois computadores ou quando a
informação é armazenada em dispositivos removíveis.
Exemplos de dispositivos de entrada/saída são o teclado, mouse, impressora, monitor de
vídeo, disco rígido, pendrive, interface de rede, entre outros.
Os periféricos se interligam aos controladores através de barramentos específicos, cha-
mados de barramentos de E/S. Cada tipo de periférico tem um barramento com um padrão
próprio, mais adequado para transferir seus dados de/para o computador, resultando em uma
enorme quantidade de padrões de barramentos disponíveis para uso.
Figura 3.7 – Teclado de Computador
© 2021 Gabriel P. Silva
Os dispositivos de entrada/saída que são responsáveis pelo armazenamento de informação
de uma forma não volátil (meio magnético ou ótico, por exemplo) são chamados de memória
secundária ou memória de massa. Toda informação que precisa ser mantida depois que o
computador for desligado é guardada nesses dispositivos.
A memória secundária é onde os programas e dados, incluindo aqueles do sistema operaci-
onal, são armazenados de uma forma persistente no computador. Hoje em dia é constituída,
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142 3. O computador e o processador
principalmente, pelo conjunto de discos magnéticos do computador e também, cada vez mais,
pelos discos de estado sólido. Há vários outros tipos de dispositivos, removíveis ou não, que
podem ser considerados parte da memória secundária, tais como fitas magnéticas, discos
óticos, pendrives, entre outros. Uma das características da memória secundária é o alto volume
de dados e o baixo custo de armazenamento por byte quando comparado com a memória
principal.
Maiores detalhes sobre o funcionamento dos dispositivos e barramentos de entrada e saída
podem ser encontrados no Capítulo 5. Informações adicionais sobre a memória secundária e
os sistemas de armazenamento são apresentadas no Capítulo 6.
3.3 INICIANDO O COMPUTADOR
Os modernos computadores são controlados por um conjunto de programas que recebem o
nome de sistema operacional. É o sistema operacional que é responsável por mediar todas as
ações entre os usuários, ou suas aplicações, e o hardware do computador.
�ando um computador é ligado, uma de suas primeiras tarefas é carregar o sistema
operacional na memória principal do computador e deixá-lo disponível para todos usuários.
Isso é um requisito fundamental tanto para os grandes computadores corporativos, como
também para os computadores de uso pessoal.
Porém, a carga do sistema operacional em um computador é um processo complexo
que é realizado em diversas etapas. Deve-se notar que, quando o computador é ligado, a
memória principal (RAM) do computador não tem dados válidos, pois é volátil e perdeu todo
seu conteúdo quando o computador foi desligado. Assim, inicialmente, o processador deve
executar um programa que esteja armazenado em uma memória não volátil do computador,
normalmente uma memória reprogramável do tipo FLASH. 1
Dependendo do tipo de computador, esse programa pode seguir diversos padrões. Sem
perda de generalidade, iremos focar nosso estudo nos computadores pessoais compatíveis
com o IBM/PC, que utilizam o padrão BIOS, legado, ou UEFI, mais moderno, cujos detalhes
veremos a seguir.
3.3.1 BIOS
A BIOS é uma abreviatura de Basic Input-Output System, sendo responsável por ativar os com-
ponentes de hardware do seu computador, garantir que eles estejam funcionando corretamente
e, em seguida, executar o gerenciador de partida que vai iniciar o sistema operacional que você
tenha instalado.
Normalmente, existe uma interface de usuário para a BIOS, que pode ser ativada com uma
combinação de teclas. Nessa interface podem ser definidas várias configurações de hardware,
1 h�ps://pt.wikipedia.org/wiki/Memória_flash
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3.3. Iniciando o computador 143
Figura 3.8 – Carregando o Gerenciador de Partida
© 2021 Gabriel P. Silva
hora do sistema, dispositivos de boot e respectiva ordem de prioridade. Essas informações de-
vem ser armazenadas de uma forma persistente, para que possam estar disponíveis novamente
no próximo boot.
As primeiras memórias não voláteis dos computadores pessoais eram apenas de leitura,
o que obrigou os projetistas a encontrarem soluções para armazenar de forma permanente
algumas informações no computador. Então, quando você salva uma configuração, ela é
armazenada em uma pequena memória CMOS, que é alimentada por uma bateria à parte, da
própria placa-mãe e permanece ativa enquanto essa bateria estiver com carga. Essa bateria
também é responsável por guardar a hora do computador atualizada, alimentando o RTC
(Real Time Clock) quando computador é desligado.�ando você liga o computador, a BIOS
irá testar e configurar o seu computador e recuperar a hora atual a partir dessas configurações
salvas.
Esse teste inicial é conhecido pelo nome de POST (Power-On Self Test), e serve para verificar
diversos componentes, tais como: fonte de alimentação; adaptador de vídeo; memória principal
(RAM); temporizador; teclado e mouse; etc.
Após esses testes iniciais, se tudo estiver em ordem, o dispositivo de boot, que pode ser um
disco rígido, um pendrive ou mesmo a ethernet, deve ser acessado para que o processo de carga
do sistema operacional seja iniciada.
No caso do disco rígido, a BIOS procura por umMaster Boot Record (MBR - veja a Seção
6.1.3), onde está armazenada a primeira parte do gerenciador de partida, um pequeno trecho
de código, com menos de 512 bytes. Como é um código muito pequeno, a sua única utilidade é
procurar outro arquivo no disco e carregá-lo para realizar o processo de iniciação real. Como
tal, este código de bootstrap do MBR é frequentemente denominado de primeiro estágio do
gerenciador de partida.
O lugar exato onde o segundo estágio do gerenciador de partida será buscado pode mudar,
dependendo do sistema operacional em uso. Por exemplo, no caso do Windows uma partição
marcada como ativa será procurada na tabela de partição que fica no MBR. O primeiro setor
dessa partição ativa, ou seja, apenas 512 bytes, serãomais uma vez carregados namemória. Esse
código não é ainda o segundo estágio do gerenciador de partida, mas apenas uma continuação
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144 3. O computador e o processador
Figura 3.9 – Escolhendo o Sistema Operacional
© 2021 Gabriel P. Silva
do primeiro estágio, podendo se estender por vários setores da partição ativa. Depois de
totalmente carregado, o primeiro estágio irá buscar a segunda parte do gerenciador de partida,
que normalmente estará no sistema de arquivos do Windows.
No caso do sistema operacional Linux, dependendo do gerenciador de partida utilizado
(LILO, GRUB ou GRUB2), o processo de carga apresenta algumas variações. Mas basicamente,
o segundo estágio do gerenciador de partida é buscado em um setor do disco ou mesmo em
um arquivo no próprio sistema de arquivos do Linux.
A segunda parte do gerenciador de partida é a parte real do programa, que contém a
interface de usuário e o carregador do núcleo do sistema operacional. A interface de usuário
pode ser algo com uma simples linha de comando (versões antigas do LILO), um menu ou
ambos. Ele permite que você selecione qualquer número de sistemas operacionais e especifique
parâmetros adicionais de carga. As opções disponíveis são especificadaspor um arquivo de
configuração. Já o carregador do sistema operacional faz a carga do núcleo do sistema operaci-
onal na memória e o executa. Como alternativa, podemos ainda carregar outro carregador de
partida específico para outro sistema operacional e deixá-lo executar, no que é chamado de
carregamento em cadeia.
Após todos esses passos, o sistema operacional estará carregado, e o seu computador estará
pronto para uso.
3.3.2 UEFI
Em 2007, a Intel, AMD, Microso�, e outros fabricantes de computadores pessoais lançaram a
especificação Unified Extensible Firmware Interface (UEFI), utilizada hoje em dia pela quase
totalidade dos computadores no lugar da BIOS.
A UEFI substitui o BIOS tradicional nos computadores pessoais e não há como mudar de
BIOS para UEFI em um computador já existente. Você precisa comprar um novo hardware
que suporte e inclua a UEFI, como a maioria dos novos computadores fazem. A maioria das
implementações de UEFI fornece emulação de BIOS para que você possa escolher instalar e
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3.3. Iniciando o computador 145
iniciar sistemas operacionais antigos que esperam uma BIOS em vez da UEFI, para que sejam
compatíveis com versões anteriores.
Ao invés do MBR, o UEFI utiliza uma nova de particionamento do disco, chamada de GUID
Partition Table (GPT - veja a Seção 6.1.3) que permite superar muitas limitações do antigo
padrão BIOS/MBR, com partições maiores e redundância para a tabela de partição.
O UEFI também definiu um formato padrão para os seus programas executáveis, além
de definir uma extensão do formato FAT32 para ser utilizado nas partições que armazenam
esses programas. Ou seja, o UEFI carrega programas executáveis, compilados com um formato
definido na especificação do padrão, que estão armazenados em partições de sistema destinadas
exclusivamente para o UEFI, formatadas também com um padrão descrito na sua especificação
do padrão.
Além disso, há uma série de atributos no UEFI, tais como o Secure Boot, que permite
verificar se houve violações no sistema operacional que está sendo carregado; e pode suportar
o acesso à rede, permitindo que possa ser feito acesso remoto ao computador, mesmo antes da
carga do sistema operacional. Como uma BIOS tradicional, o único recurso disponível seria o
acesso físico ao computador para configurá-lo.
Em síntese, o UEFI é essencialmente um mini sistema operacional executando direto no
firmware do processador, podendo ser carregado da memória FLASH da placa mãe, carregado
do disco rígido ou mesmo através da rede.
As distribuições Linux usam a ferramenta efibootmgr para io gerenciador de partida do
UEFI. A distribuição Linux cria uma partição de sistema no padrão EFI, se ainda não houver
uma, e instala um carregador de boot EFI com uma configuração apropriada - frequentemente
o grub2-efi, mas há outros - em um caminho correto na partição do sistema EFI e chama o
efibootmgr para adicionar uma entrada do gerenciador de partida UEFI com o nome apropriado
apontando para seu carregador de partida.
O UEFI possui também um modo de compatibilidade com o padrão BIOS, configurá-
vel na interface de usuário. Contudo, não é recomendável misturar instalações de sistemas
operacionais com uso de BIOS e UEFI no mesmo computador.
Se você iniciar a mídia de instalação no modo “UEFI nativo”, ele fará uma instalação UEFI
nativa do sistema operacional, que vai tentar gravar um bootloader de formato EFI em uma
partição do sistema EFI e tentará adicionar uma entrada corresponde ao menu de partida.
Se você deseja fazer uma instalação nativa UEFI, provavelmente deseja instalar em um disco
formatado com GPT.
Se você iniciar a mídia de instalação no modo “compatibilidade do BIOS”, será feita uma
instalação compatível com a BIOS do sistema operacional: ele tentará gravar um carregador
de partida do tipo MBR no primeiro setor do disco. Se você deseja fazer uma instalação do tipo
“compatibilidade do BIOS”, provavelmente deseja instalar em um disco formatado com MBR.
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146 3. O computador e o processador
3.4 FUNCIONAMENTO DO PROCESSADOR
O processador é o componente eletrônico no computador responsável pela interpretação das
instruções em linguagem demáquina e controle de todos os demais dispositivos do computador,
com o objetivo de realizar as tarefas determinadas pelo usuário.
Para executar um programa que está na memória, o processador realiza permanentemente
a busca de instruções, no endereço de memória indicado pelo apontador de instruções (PC).
Depois que foi lida da memória, a instrução é transferida para o registrador de instrução (RI)
e o valor do apontador de instruções é automaticamente incrementado para o endereço da
instrução seguinte, indefinidamente até que uma instrução de transferência de controle seja
executada. Por exemplo, caso a instrução executada seja uma instrução de desvio incondicional,
o valor do apontador de instruções é alterado para o endereço especificado nessa instrução.
As instruções acessam os seus dados, chamados também de operandos, de diversas ma-
neiras, ou modos de endereçamento, em posições distintas na memória do computador. Veja
mais detalhes sobre modos de endereçamento na Seção 3.6.
Para o processamento das instruções o processador conta com um circuito especial, cha-
mado de unidade aritmética e lógica (UAL), capaz de realizar operações aritméticas como
soma e subtração com os operandos das instruções, sempre no formato binário. A fim de
agilizar essas operações, o processador possui internamente dispositivos especiais de armaze-
namento, chamados de registradores ou acumuladores, para guardar os resultados temporários
dessas operações. A unidade aritmética e lógica pode realizar diversas operações, entre elas
destacamos:
• Adição
• Subtração
• Multiplicação
• Divisão
• Operações lógicas (E, OU, OU EXCLUSIVO, INVERSÃO, etc.).
• Deslocamento e Rotação (à esquerda e à direita)
• Comparação
As operações aritméticas e lógicas são realizadas com a leitura dos operandos dos regis-
tradores ou memória e com a escrita do resultado no registrador de destino ou memória. Os
registradores são referenciados explicitamente pelas instruções e os endereços de memória
podem ser constantes embutidas na própria instrução ou valores contidos em registradores.
A largura da arquitetura de um processador (8, 16, 32 ou 64 bits) é definida pela largura em
bits do maior operando inteiro que pode ser processador em uma única operação pela UAL.
Note que a largura de uma arquitetura:
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3.4. Funcionamento do Processador 147
• NÃO é definida pelo tamanho em bits da instrução;
• NÃO é definida pela largura do barramento de dados interno ou externo;
• NÃO é definida pela largura em bits dos operandos da unidade de ponto flutuante;
• NÃO é definida pela largura em bits do apontador de instruções (PC) ou do
barramento de endereços.
Como consequência direta, a largura em bits do maior operando admitido pela UAL irá
determinar, normalmente, a largura em bits do acumulador e dos registradores de uso geral
do processador. Não há sentido para que sejam maiores ou menores do que isso.
Uma representação esquemática da unidade aritmética e lógica pode ser vista na Figura
3.10.
Figura 3.10 – Unidade Aritmética e Lógica
© 2020 Gabriel P. Silva
Nesta figuraA eB são os operandos da função a ser realizada pela ALU, que é determinada
pelo código colocado em F , cujo resultado final estará disponível em R, com os eventuais
valores de códigos de condição da operação (Negativo, Zero, Carry,Overflow, etc.) apresentados
em D.
3.4.1 Unidade de Controle
A unidade de controle é responsável pela coordenação da atividade de todos os componentes
do processador, realizando também busca da instrução na memória e transferindo-da para o
registrador de instruções (RI). A unidade de controle faz a decodificação da instrução que está
no RI:
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148 3. O computador e o processador
Figura 3.11 – Unidade de Controle por Hardware
© 2020 Gabriel P. Silva
•Determina qual o tipo de operação vai ser realizada pela U.A.L.;
• Determina quantos e quais são os operandos de leitura, e qual o registrador de
destino, se houver;
• Lê os operandos necessários para a execução da instrução e os coloca na entrada
da U.A.L.;
• A unidade de controle lê o resultado da saída da U.A.L. e envia para o destino
correto.
Há duas formas básicas para se implementar a unidade de controle:
• Através de microprogramação
• Controle direto pelo hardware (PLA, ROM)
As unidades de controle microprogramadas possuem em seu interior uma memória, nor-
malmente do tipo PROM, mas podendo ser uma RAM, com um microprograma que decodifica
as instruções e geram as diversas palavras de controle para a execução de uma instrução.
A palavra de controle é um conjunto de sinais, coordenados pelo relógio do processador,
que faz o acionamento de registradores, unidades funcionais, controle de multiplexadores e
outros circuitos do processador para a correta execução correta das instruções.
As unidades controladas pelo hardware possuem uma lógica de controle mais simples,
normalmente uma PLA e uma máquina de estados simples, que gera as palavras de controle
para a execução das instruções.
Em cada estado, a máquina de estados ativa um conjunto de saídas diferentes de controle
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21
.2
3.4. Funcionamento do Processador 149
para as unidades funcionais, registradores e multiplexadores que compõem o hardware do
processador, de acordo com a instrução que está sendo executada; além de fornecer informações
utilizadas para definir qual vai ser o próximo estado.
A função que define o próximo estado pode estar implementada como uma máquina de
estados finitos ou fazendo-se uso de um sequenciador explícito. Se o número de estados for
grande e houver muitas sequências de estados consecutivos sem desvio, a implementação com
uso de um sequenciador explícito é mais eficiente.
A lógica de controle, que decodifica o estado atual nos sinais de controle pode ser imple-
mentada com ROMs ou PLAs, ou uma combinação dos dois. As PLAs são mais eficientes, a
menos que a função de controle seja muito densa, quando então o uso de ROMs pode ser mais
adequado.
As unidades de controle microprogramadas são características das arquiteturas do tipo
CISC. O controle diretamente pelo hardware é encontrado normalmente nas arquiteturas do
tipo RISC (veja a seção 3.8).
A seguir apresentamos um texto extraído de (AUDE, 2001b), onde é explicado o funciona-
mento da unidade de controle microprogramada.
“A técnica de controle microprogramado foi proposta por Maurice Wilkes em 1951 [Wilk51].
Sua filosofia consiste em armazenar na chamada Memória de Controle as informações neces-
sárias para ativação dos sinais de controle da arquitetura do processador. Cada palavra de
memória, corresponde a uma microinstrução, e consiste, em geral, de dois campos. O primeiro
deles, campo de controle, é constituído por um conjunto de bits associados aos sinais de
controle da arquitetura do processador. Cada bit tem posição fixa nas diversas microinstruções
e pode comandar a ativação de um sinal de relógio, a liberação de um registrador em um
barramento, a definição da entrada a ser selecionada em um multiplexador, etc. O segundo
campo, denominado campo de endereçamento, é constituído por um outro conjunto de bits
utilizado na determinação do endereço na Memória de Controle onde está armazenada a pró-
xima microinstrução a ser executada. Na operação da Unidade de Controle microprogramada,
um conjunto de microinstruções é executado sequencialmente para se processar todas as fases
de uma instrução. A este conjunto de microinstruções dá–se o nome de microprograma da
instrução.
A Figura 3.12 ilustra a estrutura geral de uma Unidade de Controle Microprogramada.
�ando a microinstrução endereçada é lida da memória de controle, ela é armazenada no
registrador de controle. Os bits do campo de endereçamento da microinstrução são utilizados
na determinação do endereço da próxima microinstrução a ser lida da Memória de Controle,
enquanto que os bits do campo de controle comandam os pontos de controle da Unidade
Aritmética e do Sistema de Memória.
O endereçamento na Memória de Controle da próxima microinstrução a ser executada
pode ser explicitamente determinado pelo campo de endereçamento da microinstrução atual
ou através do uso de um registrador contador de microprogramas. Neste último caso, desvios
incondicionais no microprograma são usualmente implementados através da especificação do
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150 3. O computador e o processador
Figura 3.12 – Unidade de Controle Microprogramada
© 2020 Gabriel P. Silva
endereço alvo do desvio pelo campo de endereçamento da microinstrução atual. Em qualquer
estrutura adotada de endereçamento da Memória de Controle, no entanto, situações de desvio
condicional na execução do microprograma podem ocorrer, tanto em função do resultado
da decodificação da instrução como em função do estado de sinais gerados pela Unidade
Aritmética. Portanto, o circuito de Geração do Endereço da próxima microinstrução deve
receber informações do decodificador de instruções e dos sinais da Unidade Aritmética que
podem alterar o fluxo de execução dos microprogramas. A maneira como o endereço final
é efetivamente formado varia bastante, tendo em vista um compromisso entre o grau de
flexibilidade que se quer dar a este processo e a complexidade do circuito resultante.
Em uma Unidade de Controle microprogramada, a Memória de Controle pode ser imple-
mentada como memórias RAM (Random Access Memory), possibilitando que o microprograma
seja alterado facilmente na fase de teste e avaliação do projeto ou que a arquitetura do proces-
sador emule diferentes conjuntos de instruções, carregando-se na Memória de Controle os
novos microprogramas necessários para a emulação desejada. Entretanto, o uso de tecnologia
RAM para implementar a Memória de Controle obriga que, na fase de inicialização do sistema,
os microprogramas sejam carregados na Memória de Controle a partir de uma fonte de dados
externa, já que as memórias RAM são voláteis. Para contornar este problema, pode-se utilizar a
tecnologia de memórias de leitura exclusiva (ROM – Read Only Memory) para se implementar
a Memória de Controle. Porém, neste caso, perde-se um pouco da flexibilidade de se imple-
mentar a nível de microprograma a emulação de outras arquiteturas, já que a alteração dos
microprogramas gravados usualmente requer a o apagamento dos microprogramas antigos e a
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.2
3.4. Funcionamento do Processador 151
gravação dos novos microprogramas nos módulos de memória através de dispositivos especiais.
Além disso, as memórias de leitura exclusiva tendem a ter um tempo de acesso maior do que
as memórias RAM, podendo tornar mais lento o processamento das microinstruções.
Microprogramação horizontal x vertical
Existem basicamente dois estilos para se definir a microprogramação das instruções de um
processador: a microprogramação horizontal e a microprogramação vertical. A microprogra-
mação é dita totalmente horizontal quando a cada ponto de controle da Unidade Aritmética e
das Interfaces com os Sistemas de Memória e de E/S do processador corresponde um único bit
no campo de controle das microinstruções. Portanto, com a adoção do estilo de microprogra-
mação horizontal, os bits de controle da microinstrução atuam diretamente sobre os pontos de
controle da arquitetura do processador, não sendo necessária a introdução de nenhum circuito
de decodificação da informação armazenada na microinstrução, o que tende a tornar mais
rápida a ação da lógica de controle. Além disso, a microprogramação horizontal nunca impede
a execução de micro-operações em paralelo, bastando para isso que os bits correspondentes a
estas micro-operações estejam ativados na mesma microinstrução. Há, portanto, uma maior
flexibilidade na microprogramação da arquitetura, já que qualquer combinação de pontos de
controle pode ser acionadaem uma única microinstrução. Esta característica é muito útil em
projetos de sistemas computacionais que pretendem ser reconfiguráveis, através da emulação
de diferentes conjuntos de instruções.
Duas são as desvantagens principais da microprogramação horizontal. A primeira delas
está relacionada com o fato de que as microinstruções tendem a ser muito largas, ou seja,
a conter um grande número de bits de controle. Com isso, a Memória de Controle tende
a ser muito larga e curta, já que o número total de microinstruções tende a não ser muito
grande com o uso de microprogramação horizontal. Este fato dificulta a implementação da
Memória de Controle com módulos de memória comerciais, já que estes tendem a conter um
grande número de palavras com poucos bits, ou seja, tendem a ser compridas e pouco largas,
tendo, portanto, a relação de aspecto inversa àquela que é de fato necessária. Esta questão,
no entanto, não é relevante em implementações personalizadas da Memória de Controle em
circuitos integrados, já que, neste caso, a Memória de Controle é totalmente projetada a partir
de células básicas de 1 bit de memória.
A segunda desvantagem do uso de microprogramação horizontal está associada ao grande
número de microinstruções diferentes que normalmente são geradas para a composição dos
microprogramas. Com isso, torna-se mais difícil a definição de um micro-assembly, baseado
em um conjunto não muito extenso de microinstruções com funcionalidades diferentes.
Amicroprogramação vertical tem como filosofia determinar um conjunto nãomuito extenso
de microinstruções que podem ser utilizadas na definição dos microprogramas que controlam
o processamento das diferentes instruções, tornando muito simples a definição de um micro-
assembly para a especificação desses microprogramas. Cada microinstrução do conjunto
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152 3. O computador e o processador
realiza, em geral, poucas micro-operações, sendo, portanto, bastante simples. Supondo que, por
exemplo, este conjunto é composto por um número de microinstruções inferior ou igual a 2n e
superior a 2n−1, bastam apenas n bits para especificar uma dada microinstrução do conjunto.
Sendo assim, a Memória de Controle precisa apenas armazenar em cada palavra o código de n
bits que especifica a microinstrução a ser executada. Em consequência, a Memória de Controle
se torna muito estreita e, em geral, mais longa, já que com a perda de poder de expressão
das microinstruções para facilitar a definição de um conjunto reduzido de microinstruções, o
número de microinstruções associado a cada instrução tende a crescer.
É importante observar que com a utilização de microprogramação vertical, a execução das
instruções tende a se tornar mais lenta por dois motivos. Em primeiro lugar, como a informação
é armazenada de forma codificada na Memória de Controle, é necessária a introdução de
circuitos de decodificação do código da microinstrução para que os sinais de controle da
arquitetura do processador sejam efetivamente gerados. Com isso, o processamento de cada
microinstrução tende a se tornar mais lento. Em segundo lugar, conforme já foi dito, o número
de microinstruções associadas ao processamento de cada instrução é maior do que no caso da
microprogramação horizontal.
A decodificação do código de uma microinstrução vertical pode ser feita com circuitos
decodificadores ou através do esquema de nanoprogramação, onde a Memória de Controle
é composta de duas seções. A primeira delas armazena as microinstruções codificadas que
servem de endereçamento para a segunda seção da Memória de Controle, chamada de Me-
mória de Nanoprogramas, onde fica armazenada a microinstrução horizontal (nanoinstrução)
correspondente ao código de microinstrução gerado. Generalizando-se esta idéia, pode-se
inclusive fazer com que a cada microinstrução vertical corresponda eventualmente a mais de
uma nanoinstrução, ou seja, a um nanoprograma armazenado na Memória de Nanoprogramas.
Frequentemente, a Unidade de Controle microprogramada utiliza uma solução de compro-
misso entre a microprogramação totalmente horizontal e a microprogramação vertical. Nesta
solução, adota-se o princípio da microprogramação horizontal, mas é feita a codificação de
grupos de bits de controle que se referem a ações de controle que são sempre ou na maioria
das vezes mutuamente exclusivas. Tal situação ocorre, por exemplo, com um grupo de bits de
controle onde cada um deles comanda a liberação de um registrador diferente em um mesmo
barramento. Como sempre se libera apenas um registrador de cada vez em um barramento,
nenhuma microinstrução vai precisar acionar dois ou mais bits de controle deste grupo si-
multaneamente. Logo, se existem k registradores que podem ser liberados no barramento,
pode-se codificar a informação de qual o registrador que deve ser liberado com o uso de apenas
log2k bits de controle, ao invés de k bits de controle, sem perda alguma de flexibilidade na
microprogramação.
Com a adoção desta solução de compromisso, obtém-se praticamente a mesma flexibilidade
da microprogramação horizontal, com o uso de umaMemória de Controle não tão larga. Porém,
circuitos de decodificação devem ser utilizados para explicitar a ação de controle definida
pelos campos codificados da microinstrução e a definição de um micro-assembly continua não
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3.4. Funcionamento do Processador 153
sendo simples.”
3.4.2 Execução das Instruções
O processador executa uma instrução em uma série de etapas:
• Busca a próxima instrução que está localizada na memória para o registrador de
instrução;
• Atualiza o apontador de instruções (PC) para o endereço da próxima instrução a
ser executada;
• Determina o tipo de instrução e o número de operandos;
• Busca os operandos, se houver, para os registradores do processador;
• Executa a instrução;
• Armazena os resultados;
• Volta ao passo 1 para executar a próxima instrução.
Os processadores mais simples possuem pelo menos um acumulador (AC), enquanto que
os mais sofisticados possuem dezenas ou até mesmo centenas de registradores para armazenar
esses resultados temporários das operações. Em qualquer caso, em algum momento, esses
valores armazenados nos registradores serão transferidos para a memória do computador, nas
posições correspondentes às variáveis do programa. Um modelo bem simples de processador
pode ser visto na Figura 3.13.
Figura 3.13 – Processador com Acumulador
© 2016 Gabriel P. Silva
Uma facilidade que os processadores modernos oferecem é para a chamada de rotinas
ou procedimentos, ou seja, trechos de programa que podem ser acessados a partir de vários
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154 3. O computador e o processador
pontos do programa principal. A chamada de procedimentos, ao contrário de um desvio normal,
requer que um endereço de retorno seja armazenado em algum local, para que o processador
possa retornar para o ponto do programa principal de onde a rotina foi chamada. Assim, esse
endereço armazenado é utilizado para atualizar o valor do PC para retornar de uma rotina,
voltando para o endereço da instrução imediatamente depois daquela que originalmente
chamou a rotina.
Diversas formas podem ser utilizadas para armazenar este endereço de retorno, sendo
que uma delas guarda este endereço em uma estrutura dados na memória, chamada de pilha,
onde os elementos são retirados sempre na ordem inversa com que são colocados, ou seja, os
últimos elementos colocados são os primeiros a serem retirados e vice-versa.
Existe então um registrador especial, chamado de um apontador de pilha (SP), que aponta
sempre para o último elemento que está no topo da pilha e que é automaticamente atualizado
quando os elementos são inseridos ou retirados da pilha. Uma característica especial da pilha
é que ela é “cresce” no sentido inverso dos endereços de memória, do final para o começo da
memória.�ando um valor é inserido na pilha, o apontador de pilha é decrementado, antes
da movimentação dos dados, de um valor igual aotamanho do dado a ser colocado na pilha.
�ando um valor é retirado da pilha, o apontador é incrementado, depois da movimentação
dos dados, de um valor igual ao tamanho do dado retirado na pilha.
3.5 TIPOS DE ARQUITETURA DE PROCESSADORES
Os processadores podem ter diversos tipos de arquitetura que se diferenciam basicamente em
relação à forma de acesso e de armazenamento interno dos operandos para a execução das
instruções. Faremos nesta seção uma breve introdução aos seguintes tipos de arquitetura:
• Pilha
• Acumulador
• Memória-Memória
• Registrador-Memória
• Registrador-Registrador
Para cada uma dessas arquiteturas mostraremos na Tabela 3.1 como realizar a operação
C := A+B em detalhes, utilizando pseudo instruções em linguagem de montagem.
A arquitetura do tipo Memória-Memória é a que apresenta o menor número de instruções
na tradução da linguagem de alto nível para a linguagem de máquina, contudo, como veremos
a seguir, essa compactação de código vem com um custo adicional em termos de complexidade
e tempo de execução do programa.
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3.5. Tipos de Arquitetura de Processadores 155
Pilha Acumulador Memória-Memória Registrador-
Memória
Registrador-
Registrador
PUSH A LOAD A ADD C, B, A LOAD R1, A LOAD R1, A
PUSH B ADD B ADD R1, B LOAD R2, B
ADD STORE C STORE C, R1 ADD R3, R1, R2
POP C STORE C, R3
Tabela 3.1 – Tipos de Arquitetura
3.5.1 Arquitetura de Pilha
Nos processadores com arquitetura de pilha todos os operandos implicitamente estão no topo
da pilha. Com isso, as instruções gastam menos bits, quando comparados com as arquiteturas
com registrador, para codificar a origem e destino das operações. Isso era uma propriedade
importante nos computadores mais antigos, pois resultava em um tamanho menor para a
codificação das instruções, permitindo uma significativa economia de memória.
Figura 3.14 – Arquitetura de Pilha
© 2016 Gabriel P. Silva
As únicas operações de acesso à memória são “POP” e “PUSH”, para retirar e colocar
um operando no topo da pilha. Normalmente os primeiros elementos no topo da pilha se
encontram junto ao processador e o restante da pilha é distribuído na memória a partir do
endereço dado pelo apontador de pilha. A Figura 3.14 representa um modelo desta arquitetura.
A máquina virtual Java pode ser considerado um exemplo moderno deste tipo de arquitetura.
✞ ☎
PUSH A
PUSH B
ADD
POP C
✝ ✆
No exemplo mostrado acima, podemos verificar que a operação C := A+B é feita
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156 3. O computador e o processador
colocando-se primeiro o valor da variável A no topo da pilha, com a a instrução PUSH A.
Logo a seguir a variável B é colocado no topo da pilha com a instrução PUSH B. Agora, com
os valores de A e B já colocados nas duas primeiras posições da pilha, a instrução ADD é
executada, somando esses dois valores e o resultado é colocado por sua vez no topo da pilha.
A seguir o resultado é retirado do topo da pilha e escrito na variável C em memória com a
instrução POP C.
3.5.2 Arquitetura de Acumulador
A arquitetura de acumulador possui o acumulador com um dos operandos implícitos na maioria
instruções. O acumulador é um registrador especial colocado junto à unidade aritmética e
lógica (UAL) com o intuito de agilizar as operações que são realizadas pelo processador. Se
todas as operações fossem realizadas diretamente com todos os operandos em memória
provavelmente haveria um grande impacto negativo no desempenho desses processadores, já
que tempo gasto para acessar os dados na memória é bem maior que o tempo para acessar o
dado armazenado no acumulador.
É um modelo de arquitetura muito utilizado em processadores mais simples, tantos nos
processadores mais antigos como nos modernos processadores embarcados, por ser de fácil
implementação e ser uma solução de compromisso entre custo e desempenho. Exemplos
modernos de arquitetura de acumulador são os processadores PIC e o 8051. A Figura 3.15
representa um modelo desta arquitetura.
✞ ☎
LOAD A
ADD B
STORE C
✝ ✆
No exemplo mostrado acima, podemos verificar que a operação C := A+B é feita
colocando-e primeiro o valor da variável A no acumulador, com a instrução LOAD A. Logo a
seguir o acumulador é somado com a variável B com a instruçãoADDB, sendo que o resultado
é colocado de volta no acumulador. A seguir o resultado é retirado do acumulador e escrito na
variável C em memória com a instrução STORE C.
3.5.3 Arquitetura Memória-Memória
Os processadores com arquitetura memória-memória possuem instruções aritméticas e ló-
gicas com todos os operandos colocados de forma explícita, ou seja, possuem um total de 3
operandos, podendo estar todos em memória. Embora em sua maioria não dispensem o uso
também de registradores, as instruções aritméticas e lógicas podem referenciar todas as suas
variáveis diretamente na memória. Normalmente o código gerado para essas máquinas possui
um número menor de instruções mas que, por sua vez, resultam em arquiteturas com imple-
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3.5. Tipos de Arquitetura de Processadores 157
Figura 3.15 – Arquitetura de Acumulador
© 2016 Gabriel P. Silva
mentação bastante complexa. Um exemplo de arquitetura deste tipo é o VAX, um processador
bastante comercializado nas décadas de 70 e 80 no século passado.
✞ ☎
ADD C, B, A
✝ ✆
No exemplo mostrado acima, podemos verificar que a operação C := A+B é feita com
apenas uma única instrução ADD C, B, A que lê as variáveis A e B da memória, realiza a soma
e escreve o resultado de volta na memória na variável C.
3.5.4 Arquitetura Registrador-Memória
Os processadores com arquitetura registrador-memória normalmente possuem instruções
aritméticas e lógicas com dois operandos, sendo que um deles está em memória e o outro em
registrador. O resultado da operação é escrito automaticamente no mesmo registrador. Os
exemplos clássicos deste tipo arquitetura são o IBM 360 e os processadores da linha Intel x86.
✞ ☎
LOAD R1, A
ADD R1, B
STORE C, R1
✝ ✆
No exemplo mostrado acima podemos verificar que a operação C := A+B é realizada
colocando-se primeiro o valor da variável A no registrador R1, com a instrução LOAD R1, A.
Logo a seguir o valor armazenado no registrador é somado com a variável B com a instrução
ADD R1, B, sendo que o resultado é colocado de volta no registrador R1. A seguir o resultado
é copiado do registrador R1 e escrito na variável C em memória com a instrução STORE C,
R1.
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158 3. O computador e o processador
3.5.5 Arquitetura Registrador-Registrador
Os processadores com arquitetura registrador-registrador possuem características particulares.
A primeira delas é que as instruções aritméticas e lógicas possuem os três operandos em
registrador, sendo dois de origem e um destino. As únicas instruções que fazem acesso à
memória são “LOAD”, para carregar os dados da memória para os registradores e “STORE”,
para fazer o caminho inverso.
Figura 3.16 – Arquitetura de Registrador
© 2016 Gabriel P. Silva
A compilação dos programas em alto nível resultam um código com um maior número de
instruções, porém mais simples. Essas características permitem o desenvolvimento de projetos
de processadores mais simples e, em consequência, mais rápidos e com menor consumo
de energia. Por isso é o modelo de arquitetura, característico das arquiteturas RISC (veja a
Seção 3.8), é o mais disseminado entre os processadores comerciais atualmente. A Figura 3.16
apresenta um modelo simplificado desta arquitetura.
✞ ☎
LOAD R1, A
LOAD R2, B
ADD R3, R1, R2
STORE C, R3
✝ ✆
No exemplo mostrado acima, podemos verificar que a operação C := A+B é feita
colocando-se primeiro o valor da variável A no registrador R1 com a instrução LOAD R1, A.
Logo a seguir o registrador R2 recebe o valor da variável B com a instrução LOAD R1, B.
Depois conteúdo de R1 é somado com R2 e o resultado é colocado no registrador R3. A seguir
o valor armazenado em R3 é escrito na variável C em memória com a instrução STORE C, R3.
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3.6. Modos de Endereçamento 159
3.6 MODOS DE ENDEREÇAMENTOEm uma arquitetura de processador as instruções podem ter diversos modos de acessar os
seus operandos. Os operandos podem ser constantes ou variáveis em registrador ou memória.
Alguns modos de endereçamento existentes podem ser vistos a seguir:
• Registrador ou Acumulador
ADD R4, R3⇒ Regs[4] ← Regs[4]+Regs[3]
Operando no registrador ou acumulador.
• Imediato
ADD R4, #8⇒ Regs[4] ← Regs[4]+8
Operando é uma constante na instrução.
• Direto ou Absoluto
ADD R1, (1001)⇒ Regs[1] ← Regs[1]+Mem[1001]
Operando em memória com endereço na instrução.
• Indireto (via Registrador)
ADD R4, (R1)⇒ Regs[4] ← Regs[4]+Mem[Reg[1]]
Operando em memória com endereço no registrador.
• Indireto via Memória
ADD R2, @(1003)⇒ Regs[2] ← Regs[2]+Mem[Mem[1003]]
Operando em memória com endereço na memória.
• Deslocamento
ADD R2, 100(R1) ⇒ Regs[2] ← Regs[2]+Mem[R1+100]
Operando em memória com endereço obtido pela soma do
conteúdo do registrador com uma constante.
• Indexado
ADD R2, (R3+R4) ⇒ Regs[2] ← Regs[2]+Mem[R3+R4]
Operando em memória com endereço obtido pela soma do
conteúdo dos registradores.
• Pilha
PUSH ⇒ SP = SP +1 ; MEM[SP] ← ACC
A pilha é um operando implícito da instrução
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160 3. O computador e o processador
Note que uma instrução pode fazer uso de modos diferentes para buscar cada um dos seus
operandos. A Figura 3.17 ilustra alguns modos de endereçamento.
Figura 3.17 – Modos de Endereçamento
© 2020 Gabriel P. Silva
• No modo registrador ou acumulador, o operando da instrução está armazenado em um
registrador ou no acumulador. Note que no caso do acumulador, ele será um operando
implícito da instrução, e não aparecerá no código em linguagem de montagem.
• No modo imediato o valor do operando está codificado na própria instrução ou em bytes
subsequentes a ela.
• No modo direto, o valor codificado na instrução (ou nos bytes subsequentes) não é
operando em si, mas o endereço do operando na memória. Um novo acesso precisa ser
realizado para acessar o dado propriamente dito.
• No modo indireto, alguma vezes chamado de modo indireto via registrador, o registrador
não possui o operando, mas o endereço do operando na memória. Aqui também é
necessário um acesso à memória para buscar o operando.
• Nomodo indireto via memória, a instrução (ou os bytes subsequentes) contém o endereço
de memória da posição de memória que tem o endereço do operando. São necessários
dois acessos à memória para buscar o operando.
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3.7. Ordenação dos bytes na memória 161
• No modo deslocamento, a instrução (ou os bytes subsequentes) contém uma constante
que é somada ao conteúdo de um registrador, também especificado na instrução, para
obter o endereço do operando na memória. É necessário mais um acesso à memoria para
buscar o operando da instrução.
• No modo indexado, o valor codificado na instrução indica quais registradores devem ter
seus conteúdos somados para obter-se o endereço do operando na memória. É necessário
mais um acesso à memoria para buscar o operando da instrução.
• No modo pilha, o apontador de pilha (SP) é utilizado para endereçar a memória e buscar
o operando, de uma forma implícita.
Existem ainda outros modos de endereçamento mais complexos utilizado por diversos
processadores, mas cujo estudo foge ao escopo deste livro. Para maiores informações reco-
mendamos a consulta ao livro de Hennessy e Pa�erson (HENNESSY JOHN L. ; PATTERSON,
2017).
3.7 ORDENAÇÃO DOS BYTES NA MEMÓRIA
Uma variável com mais de um byte de comprimento pode ser armazenada de duas formas
diferentes, de acordo com a ordenação que o processador dá para a sequência de bytes dessa
variável na memória. Estes modos de ordenação são conhecidos com big-endian e li�le-endian.
Um sistema big-endian armazena o byte mais significativo de uma palavra no menor
endereço de memória e o menos significativo no maior. Um sistema li�le-endian, por outro
lado, armazena o byte menos significativo no menor endereço.
Os computadores armazenam as varáveis em vários grupos de tamanhos binários. Na
maioria dos computadores modernos, o menor grupo de dados com um endereço tem oito bits
e é chamado de byte. As variáveis com dois ou mais bytes, por exemplo, uma variável de 32
bits contém quatro bytes, possui duas maneiras distintas para um computador ordenar os
seus bytes individuais na memória e, ao longo da história da computação, os dois métodos
foram usados, levando a alguns problemas ocasionais.
Internamente, qualquer computador funciona igualmente bem, independentemente de
qual ordenação ele usa, já que seu hardware usa consistentemente a mesma ordenação para
armazenar e carregar seus dados. Por esse motivo, programadores e usuários de computador
normalmente ignoram a ordenação do computador com o qual estão trabalhando.
No entanto, essa ordenação pode se tornar um problema ao mover dados externamente ao
computador – como ao transmitir dados entre computadores diferentes pela internet, ou um
programador investigando bytes de dados internos do computador a partir de um dump de
memória – e a ordenação usada difere do esperado. Nesses casos, a ordenação dos dados deve
ser entendida e levada em consideração.
Por exemplo, o formato de codificação de caracteres UTF-16 e UTF-32 (veja Seção 1.2) usam
unidades de código com dois e quatro bytes de comprimento, respectivamente. Para essas
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162 3. O computador e o processador
codificações UTFs, existem três variantes: big-endian (BE), li�le-endian (LE) e não marcado. O
formato BE usa serialização de bytes com o byte mais significativo primeiro, o formato LE usa
serialização de bytes com o byte menos significativo primeiro e o formato não marcado usa
serialização de bytes big-endian por padrão, mas pode incluir um marcador com a ordem de
bytes (BOM em inglês) no início da transmissão para indicar a serialização de bytes real usada.
Um marcador de ordem de bytes (BOM) consiste no código de caractere U+FEFF no início
de um fluxo de dados, onde pode ser usado como uma assinatura que define a ordem de
bytes e a forma de codificação, principalmente de arquivos de texto simples não marcados. Em
alguns protocolos de nível superior, o uso de um BOM pode ser obrigatório (ou proibido) no
fluxo de dados Unicode definido nesse protocolo.
Tabela 3.2 – Formato da Codificação Unicode
Bytes Formato da Codificação
00 00 FE FF UTF-32, big-endian
FF FE 00 00 UTF-32, li�le-endian
FE FF UTF-16, big-endian
FF FE UTF-16, li�le-endian
EF BB BF UTF-8
Embora desnecessário, alguns arquivos com formato UTF-8 podem vir com a sequência
0xEFBBBF no seu início, o que pode gerar problemas de conversão quando transferidos entre
sistemas operacionais diferentes, como por exemplo, do Windows para o Linux ou vice-versa.
Ambos os tipos de ordenação são amplamente utilizados no desenvolvimento dos processa-
dores. A escolha inicial da ordenação de um novo projeto geralmente é arbitrária, mas revisões
e atualizações de tecnologia posteriores perpetuam essa ordenação existente e muitos outros
atributos de projeto para manter a compatibilidade com versões anteriores.
O li�le-endian é a ordem dominante para arquiteturas de processador (x86, originalmente as
implementações de ARMmais antigas, além do RISC-V) e nas respectivas memórias associadas.
Por outro lado, a ordenação utilizada nos processadores Motorola 68K; nas versões mais antigas
do SPARC (V8 de 32 bits) e PowerPC; e na maioria dos protocolos de rede é o big-endian, como
no conjunto de protocolos da Internet, onde é chamada de ordem de rede, transmitindo o byte
mais significativo primeiro.
Algumas arquiteturas, como os processadores MIPS; as versões mais recentes do ARM,
PowerPC (Motorola) e SPARC V9 de 64 bits (Sun/Oracle) podem fazer uso de um ou outro
modo de ordenação indistintamente, a partir de uma configuração em um registrador de
controle, e por isso são chamadas de bi-endian.
Uma curiosidade a respeito da origem dos termos li�le-endian e big-endian, que se deve a
um artigo“On Holy Wars and a Plea For Peace” de Danny Cohen publicado em 1 de abril (sic!)
de 1980 (Danny Cohen, 1980). Uma versão editada apareceu na IEEE Computer Magazine, em
outubro de 1981.
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3.8. RISC versus CISC 163
Figura 3.18 – Ordenação dos bytes
h�ps://www.wikiwand.com/en/Endianness
Este artigo clássico, muito influente e divertido, introduziu os termos li�le-endian e big-
endian e instou as pessoas a parar de travar guerras sagradas em torno de qual ordenação
de bytes era melhor. Ainda é uma leitura obrigatória para qualquer pessoa que tenha algum
interesse relativo à ordenação de bytes.
Os termos li�le-endian e big-endian foram emprestados da sátira de Swi�, “Viagens de
Gulliver” (SWIFT, 2004), na qual dois países entraram em guerra pela questão sobre qual
extremidade de um ovo cozido, a menor ou a maior (li�le end ou big end), ele deveria ser
quebrado para ser consumido.
Anteriormente, a ordenação dos bytes na memória tinha sido alvo de discussões intensas,
tanto na indústria e academia, mas que se acalmaram bastante nos últimos anos.
3.8 RISC VERSUS CISC
Um dos objetivos da arquitetura de um processador é permitir a execução dos programas o
mais rapidamente possível. Há várias técnicas que são empregadas para isso, mas de uma
forma simplificada o tempo de execução de um programa pode ser definido pela seguinte
equação:
Tp = Ci × Tc ×Ni (3.1)
Onde,
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164 3. O computador e o processador
- Tp = tempo de execução do programa
- Ci = ciclos gastos em média por instrução
- Tc = tempo de duração de um ciclo
- Ni = número de instruções do programa
O Ci também é conhecido com CPI (Ciclos por Instrução) e define o número médio de
ciclos gastos por cada instrução. É um valor que varia de acordo com o tipo de programa,
por exemplo, inteiro ou de ponto flutuante, além da arquitetura do processador e é obtido
dividindo-se o número total de ciclos de relógio gastos para executar um programa pelo total
de instruções executadas.
O seu inverso é IPC (Instruções por Ciclo) e tem sido usado mais modernamente na
arquiteturas superescalares, para indicar o número de instruções, normalmente maior do que
um, que podem ser executadas a cada ciclo de relógio do processador.
O tempo do ciclo (Tc) é o inverso da frequência do relógio, segundo a fórmula:
Tc =
1
F
(3.2)
Por exemplo, se a frequência do relógio for 100 MHz (100×106), o tempo de ciclo de relógio
será de 10 ns (10× 10−9).
Logo, quando maior a frequência do relógio, menor será o tempo de ciclo de relógio,
normalmente expresso em nanosegundos, e menor será o tempo total de execução do programa.
Logo, se buscava reduzir o tempo de execução aumentando ao máximo a frequência do relógio.
Mas isso tem um limite em função do atraso dos componentes do processador, assim como da
potência que pode ser dissipada pelo conjunto encapsulamento e dissipador.
Uma outra forma de melhorar o desempenho é diminuir o número total de instruções
(Ni) gastas para traduzir um programa da linguagem de alto nível para a linguagem de
máquina, assim sendo, instruções cada vez mais complexas eram implementadas no conjunto
de instruções do processador. Essas instruções podiam realizar de uma só vez várias operações
complexas, acessando o maior número possível de operandos de uma única vez, com vários e
diversos modos de endereçamento possíveis.
Mas a contrapartida é que o número de ciclos para executar cada instrução era muito maior,
e um hardware mais complexo resultava em frequências de relógio menores, dado o longo
tempo necessário para a decodificação das instruções. Essa aproximação foi utilizada pelas
arquiteturas CISC (complex instruction set computers), utilizada nas primeiras arquiteturas de
processadores, incluindo aquelas utilizadas nos primeiros microprocessadores, sendo absolutos
até o início da década de 80.
No início da década de 80 surgiu nas universidades americanas (Berkley e Stanford especi-
ficamente), uma nova proposta de arquitetura para os processadores. Nesse novo conceito,
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3.8. RISC versus CISC 165
procurava-se reduzir o tempo de execução dos programas através da diminuição do número
de ciclos gastos para executar cada instrução e também no tempo de duração de cada ciclo de
máquina.
Para atingir esse objetivo as instruções foram simplificadas ao máximo, realizando cada
uma delas o menor número operações e com a menor quantidade de operandos possível. Além
disso, os modos de endereçamento dos operandos utilizados eram extremamente simples, com
o objetivo de diminuir a complexidade do hardware do processador. As novas arquiteturas
receberam o nome de RISC (Reduced Instruction Set Computers). A consequência negativa
disso é que um maior número de instruções em linguagem de máquina eram necessárias para
codificar um programa em linguagem de alto nível quando comparados com as arquiteturas
convencionais da época, mas fato esse plenamente compensado pelos demais ganhos que a
arquitetura apresentava.
Durante a década que se seguiu um intenso debate foi realizado sobre qual tipo de arquite-
tura seria melhor e mais rápida. Porém, no início da década de 90, os processadores RISC se
estabeleceram como o padrão de arquitetura no mercado.
Exemplos de arquitetura CISC eram então os processadores x86 da Intel. Já os processadores
SPARC, MIPS e ARM são exemplos de arquiteturas RISC. Atualmente os processadores da Intel
são uma arquitetura híbrida, sendo externamente compatíveis com o código da arquitetura
x86, mas que são traduzidas em tempo de execução para as instruções RISC da arquitetura
interna que efetivamente executam as instruções.
Resumindo, as arquiteturas CISC apresentavam as seguintes características:
• Instruções complexas demandando um número grande e variável de ciclos de
máquina para sua execução;
• Uso de diversos modos de endereçamento de operandos;
• Instruções com formato muito variável;
• Diferentes tipos de instruções podiam referenciar operandos na memória principal;
• Cada fase do processamento da instrução podia ter duração variável em função
da complexidade.
�e resultavam nas seguintes consequências:
• Implementação com uso de pipeline (vamos ver mais adiante) é difícil;
• A taxa média de execução das instruções por ciclo tende a ser bastante superior a
1 ciclo por instrução (CPI);
• A unidade de controle é em geral microprogramada;
• Códigos compactos podem ser gerados pelos compiladores;
Por outro lado as arquiteturas RISC ofereciam as seguintes características resumidamente:
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166 3. O computador e o processador
• Instruções mais simples demandando um número fixo de ciclos de máquina para
sua execução;
• Uso de poucos modos simples de endereçamento de operandos;
• Poucos formatos diferentes de instruções;
• Apenas as instruções de load e store referenciam operandos na memória principal;
• Cada fase de processamento da instrução tem a duração fixa igual a um ciclo de
máquina.
Resultando também nas seguintes consequências:
• São implementadas com o uso do pipeline;
• A taxa média de execução de instruções por ciclo de máquina é igual ou inferior a
1 ciclo por instrução (CPI);
• A unidade de controle é em geral hardwired ;
• O processo de compilação é complexo e requer cuidados especiais para otimização
do desempenho do código gerado.