Organização do Processador 🧠

A CPU é responsável pelo processamento e execução de programas que estão armazenados nela. Ela é dividida em três partes:

Unidade Central (UC);
Registradores;
Unidade Lógica Aritmética (ULA ou UAL);

Podendo ser dividida em duas partes funcionais:

Unidade Funcional de Controle;
- UC
Unidade Funcional de Processamento;
- ULA e Registradores

Diagrama de Funcionamento da CPU

           Unidade Funcional de Processamento
  -------                -----------------        
  | ULA |                | Registradores |         
  ---|---                | (RISC e CISC) |         
     |                   -----|--------|--         
     |                        |        |           
     |                        |        |           
==== | ====================== | ====== | =================================
     |     -------------      |        |
     |-----| Barramento |-----|        |     
     |-----|  Interno   |-------|------|--|-----------|O------------|
     |     -------------        |         |           |             |
     |                          |         |           |             | 
     |                          |         |           |             |
==== | ======================== | ======= | ========= | =========== | ====
     |                          |         |      -----|------   ---------
     |                          |         |      | B.       |   | B.    |  
     |----|---------------|   --|--    ---|--    | Endereço |   | Dados |
     |    | Decodificador |---| RI |---| CI |    -----|------   ----|---- 
     |    | de Instruções |   -----    ------    REM  |         RDM |
     |----|---------------|                           |             | 
     |                                                |             |
   --|---                                      |------O------|      | 
   | UC |--------------------------------------|   Memória   O------|
   ------                                      |  Principal  |
                                               |-------------|                                      
        Unidade funcional de Controle                                          

- o => significa o fluxo de direção dos dados
- REM => Registro de Endereços Memória
- RDM => Registro de Dados Memória

Unidade Funcional de Processamento

Todo sistema operacional possui uma única função de existência, ou seja, o porquê dele existir e a função para esses sistemas são: entrar com dados, processar dados, saída de dados processados, assim nasce a Unidade Funcional de Processamento.

Logo a UFP, possui algumas operações básicas:

Operações Aritméticas
Álgebra Booleana
Movimentação de Dados entre a CPU e a Memória

ULA

É a parte central da CPU já que é onde as operações lógicas e aritméticas irão ser feitas.
Ela não recebe as instruções diretamente, e sim as instruções são processadas pela UC. Assim que processado, é enviado para a ULA que realiza o que se pede e retorna o resultado.

Registradores

É o tipo de memória que é rápida e com pouco armazenamento.
Sendo que varia em sua função e quantidade de acordo com o modelo do processador.
A maioria dos processadores utilizam a arquitetura baseada em registradores de processos gerais (RISC/CISC):

RISC (Reduced Instructions Set Computer):
- Caracterizado pela simplicidade e eficiência nas execuções de instruções (voltado mais para dispositivos que exigem menos processamento como dispositivos móveis e laptops);
CISC (Complex Instructions Set Computer):
- Caracterizado por um conjunto de instruções mais complexas e abrangentes (voltado para dispositivos que exigem mais poder de processamentos como desktops e servidores);

Unidade Funcional de Controle

Executa algumas funções:

Busca de instruções a serem executadas e armazenadas em um registrador da CPU;
Interpretar as instruções para serem enviadas à ULA
- Gerar sinais de controle, ao interpretar vai gerar um sinal para a ULA dizendo qual das operações devem ser executadas;

Contador de Instruções (CI)

O Contador de Instruções é aquele que vai registrar a contagem para sequenciamento das instruções, ou seja, montar aquela fila de fichas, onde cada ficha possui um número de ordem de chamada para que se possa ter o controle das ordens de instruções.

Registrador de Instruções (RI)

Este Registrador de Instruções possui a função de armazenar a instrução que deve ser executada pela CPU.

Decodificador de Instruções

O RI irá passar uma sequência de bits representando a instrução a ser executada para o Decodificador de Instruções que, por sua vez, irá interpretar essa sequência de bits e relacionar com a operação que deve ser feita. Em seguida, mandar essa instrução já interpretada para a UC, assim ela manda os sinais necessários para a ULA, por exemplo, do que deve ser feito.

Diagrama de funcionamento RI e Decod. Instruc.

    ------     _____________      ______
    | UC |o----| Decod.    |o-----| RI |
    ------     | Instrução |      ------
               -------------

RDM e REM

RDM (Registrador de Dados em Memória): sendo o registrador que armazena os dados que estão sendo transmitidos da CPU e para a Memória e vice-versa.
REM (Registrador de Endereços de Memória): sua função é armazenar o endereço de acesso à memória para que seja necessária a leitura e a escrita de dados.

Ambos os registradores possuem registro temporário dos dados que são gravados neles.

    --------------
    | Barramento o-----|----------|
    |  Interno   |------|         |
    --------------      |         |
                     ---|---   ---|---
                     | RDM |   | REM |
                     -----|-   ---|---
                          |       |
                         -o-------o-
                         | Memória |
                         -----------

Barramentos 🚍

Barramentos são as interconexões dos componentes computacionais.

Tipos de Barramentos

São divididos em três categorias:

Estrutura
- Dados
- Endereço
- Controle
Hierarquia
- Local
- Sistema
- Expansão

Estrutura

É formado por três tipos seguintes de Barreamentos:

    CPU   MP  E/S
     |    |    |
--------------------  Barramento Dados
     |    |    | 
-------------------- Barramento Endereços
     |    |    |
-------------------- Barramento Controle

Barramento de Dados

Esse barramento interliga o RDM (Registrador de Dados em Memória) com a memória principal, para a transferência de instruções ou dados a serem executados.

Sendo um barramento bidirecional:
- Já que pode tanto ir da CPU à Memória, assim realizando uma operação de escrita;
- E também consegue ir da Memória à CPU, assim realizando uma operação de leitura.

A largura do barramento está diretamente ligada ao desempenho da máquina, já que quanto mais envio de dados (bits) maior será a velocidade e poder de processamento, tal que, por consequência, o desempenho irá aumentar. Os primeiros PCs continham apenas 8 bits de largura do seu barramento, hoje temos algo em torno ou maior que 128 bits.

Barramento de Endereços

Feito para interligar o REM (Registrador de Endereços de Memória) com a Memória Principal que irá fazer a transferência de bits que vão representar endereços de memória das instruções ou dados a serem executados.
Tem seu sentido unidirecional, já que somente a CPU aciona a memória principal para fazer operações de leitura e escrita.

Barramento de Controle

Irá interligar a UC com os outros componentes.
Sendo bidirecional, pois consegue enviar sinais de controle para a Memória e receber dela sinais do tipo wait (espere), para que possa terminar a execução da tarefa para começar outra.

Assim, os barramentos compartilham os dados por vias que são físicas, por meio de fios de cobre, e conectam todos os componentes.

Hierarquia de Barramentos

A Hierarquia está ligada à velocidade de tráfego desses barramentos.

Barramento Local ou Interno

É o barramento mais rápido, já que está dentro da área da CPU e funcionando no mesmo tempo do relógio do processador, ou seja, está na mesma velocidade de clock do processador.

Barramento Sistema

Tem por finalidade fazer a conexão entre o barramento local com os outros componentes do sistema, como por exemplo: memória principal, cache L2, E/S. Ele faz uso do chipset norte da placa-mãe.

Um Circuito Integrado (chipset) cuida de fazer a integração desse barramento deste modo:

      |----------|
      | Placa de |   |-----------|      |------| 
      |  Vídeo   |   | Memória|  |      | CPU  |
      |---|------|   | Principal |      |--|---|
          |          |-----|-----|         | 
          |                | Barramento    |
          |                | de Memória    |
          |           |----|--|            |                         
          |-----------| Ponte |------------|
       Barramento     | Norte |   Barramento Externo
         AGPU         |-------|

Barramento de Expansão (ou E/S)

Sendo o barramento que interliga os dispositivos de E/S com os outros componentes do computador. Tal integração ocorre por meio do chipset (circuito integrado) chamado de: ponte sul.

                    Barramento 
           |------|    PCI     |-------|     
           | Ponte|------------| Algum |
           | Sul  |            |  E/S  |
           |--|---|            |-------| 
              |  
              | Barramento ATA ou IDE
              |
            |-|------|
            | Disco  |
            | Rígido |
            |--------|

💡 Em Discos Rígidos os dois tipos ATA e IDE podem ser integrados irá variar do tipo de memoria escolhida.

ATA

IDE

Slots

Os slots nada mais são que as entradas que os barramentos possuem.
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Dispositivos de E/S ⇳

Os dispositivos de entrada e saída são os responsáveis por fazer essa integração da máquina com o humano, para que se possa tanto inserir dados quanto receber esses dados processados.
Possuindo as seguintes funções:

Receber e enviar informações para o meio.
Converter as informações recebidas e enviadas para possuírem um formato inteligível para o computador e para o usuário.

Exemplos: teclado, mouse, HD, SSD, etc.

Classificação dos Dispositivos

Entrada

Eles fornecem os dados, ou seja, um teclado é um dispositivo de entrada.

Saída

Eles exibem os dados, ou seja, um monitor é um dispositivo de saída.

Entrada e Saída

Eles realizam tanto a entrada quanto a saída de dados, uma impressora se enquadra nessa categoria, já que ela recebe o que se quer imprimir e gera a saída do material impresso.

Comunicação

Os dispositivos de E/S precisam se comunicar com a CPU, e para isso existem algumas tecnologias de comunicação.

Serial

Envio de dados bit a bit.

 Gabinete
-----            --------------
| CPU |----------| Controlador | 
------           | ----------- |         ---------
                 |    Buffer   |--------| Teclado |
                  -------------          ---------

O controlador também pode ser chamado de driver.
Buffer: é a área que vai armazenar temporariamente e fazer a sincronização de velocidade.

USB

Uma das formas de fazer a comunicação de dispositivos é o Universal Serial Bus (USB), possuindo alguns tipos, como:

Micro USB: mais lento e comum em carregadores.
USB-A: usado de forma muito comum para conectar laptops, desktops, etc.
USB-C: rápido, carrega e pode-se usar os dois lados para carregar, por exemplo.
USB-B: usado em impressoras.

Bluetooth

É uma forma de conexão feita por ondas de rádio, simples, sem fio e rápida.

Wi-Fi

Conexão feita por sinais sem fio.

Gerenciamento dos Dispositivos

Existem algumas formas de gerenciamento:

Polling: antiga forma de gerenciamento, em que a CPU fica constantemente consultando os dispositivos de E/S para verificar se estão prontos ou precisando de atenção.
Interrupção: a CPU fica ouvindo um dispositivo e, quando este terminar sua tarefa, ela será interrompida para processar a solicitação.
DMA (Acesso Direto à Memória): permite o acesso direto à memória principal para transferir dados, sem a intervenção da CPU em cada processo.

Este é o fim...

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Veja mais

Referencias e links úteis que recomendo e que estou vendo:

Uma visão elementar de Arquitetura de Computadores | Parte 3