As máquinas de von Neumann

Vamos explorar outra vertente da história da computação. Um ano antes da construção do ENIAC, em 1945, um cientista húngaro chamado John von Neumann fez uma proposta de arquitetura que mudaria a história da computação. Como vimos quando estudamos o ENIAC, basicamente ele era uma máquina computacional que contava com operadores para a entrada de instruções o tempo todo. A figura 12.01 exibe as programadoras do ENIAC interagindo com o plugboard, placa que era necessária para escolher a operação e inserir os dados de entrada.

Fig 12.01 - O ENIAC utilizava placas que precisavam ser manuseadas manualmente para inserir instruções e configurar as entradas para as operações do computador.

Qual era a proposta de von Neumann? Basicamente, ele propos uma arquitetura com um bus de dados comum a todos os componentes e a implementação de uma unidade de controle capaz de selecionar a operação que deve ser feita. Para finalizar, um dispositivo de memória guardaria não só os dados que devem ser utilizados na operação da máquina, como também as instruções em si. O modelo de von Neumann introduziu o conceito do programa armazenado. Essa mudança foi tão importante que até hoje pauta o que é conhecido como a arquitetura de von Neumann.

Fig 12.02 - A arquitetura de von Neumann representada em um diagrama de blocos simplificado. A utilização de apenas um barramento de dados e uma unidade de controle para decodificar as instruções armazenadas em memória para depois acionar a unidade de lógica e aritmética significa que não seria mais necessário operadores manipulando placas de entrada manuais.

1. A proposta de von Neumann

Vista pela primeira vez em um dos primeiros relatórios de um computador eletrônico chamado EDVAC, a proposta de von Neumann pode ser resumida em cinco principais pontos.

1. Um computador deve ter uma unidade de lógica e aritmética (ALU). A essa unidade, vamos atribuir o acrônimo CA, de Circuito aritmético.
2. Um computador deve ter uma unidade de controle central (CC). Essa unidade é responsável pela controle dos circuitos operacionais do computador e também pelo sequenciamento de operações.
3. Um computador deve ter um bloco de memória (M). Nele, devem ser armazenadas as intruções a serem executadas e também as variáveis de entrada para essas operações.
4. Um computador deve ter uma interface para a entrada de dados (I). Essa entrada não deve ser encaminhada diretamente para o CC ou CA, mas sim passar por M.
5. Um computador deve ter uma interface para a saída de dados (O). Essa também deve passar por M após sair de CC ou CA. Idealmente, também deve haver um dispositivo capaz de gerenciar a fila de dados para I e O. Vamos chamar essa interface de R.

Levando em consideração a proposta acima, a figura 12.03 apresenta um diagrama de blocos atualizado para a arquitetura de von Neumann.

Fig 12.03 - Diagrama de blocos atualizado da arquitetura de von Neumann.

A inspiração para essa arquitetura veio de uma comparação entre o sistema nervoso de um ser humano e um sistema computacional. Traçou-se o seguinte paralelo entre os tipos de neurônios e as unidades operacionais do computador:

Tipo	Função	Unidade relacionada
Neurônios associativos	Conexão entre neurônios	CA, CC, M
Neurônios motores	Comandam os músculos	I
Neurônios sensoriais	Captam informações do ambiente externo	O

Para entender melhor como funcionaria um computador com essa arquitetura, vamos estudar mais a fundo o funcionamento do segundo computador eletrônico feito por von Neumann, o IAS.

2. O IAS

A figura 12.04 exibe o diagrama de blocos de operação do IAS.

Fig 12.04 - Diagrama de blocos simplificado da arquitetura do IAS.

Eu sei, eu sei. É muita coisa de uma vez só. Peço apenas para que tenha essa imagem em mente enquanto discutimos aspectos específicos da operação do IAS e eu prometo que aos poucos tudo isso vai fazer sentido. Ok? Ok! Vamos começar falando sobre os registradores que o IAS usa.

2.1. Registradores do IAS

Boa parte da confusão que essa imagem gera em uma primeira leitura é a sopa de letrinhas que é criada com o conteúdo de alguns desses blocos. Apesar de eu ter apresentado registradores para vocês em um contexto em que deixei claro que eles são amplamente utilizados dentro da CPU, nós nunca discutimos quais registradores tipicamente existem em uma CPU e para que servem. Chegou a hora.

Registradores do CA

• MBR - O Memory Buffer Register serve como a principal interface entre o CA e os dispositivos de memória e i/o. Sempre que alguma informação precisa sair ou entrar de CA, o MBR é quem armazena essa informação até que ela seja transportada/usada.
• AC - O Acumulador é um registrador clássico dentro de qualquer ALU. Ele serve para guardar operandos e resultados de operações.
• MQ - Similar ao acumulador, o registrador de multiplicador e quocioente é um registrador extra para que a IAS seja capaz de armazenar operandos ou resultados.

Exemplo: em uma operação de A x B em que tanto A como B tem 40 bits, a saída da operação deverá ter 80 bits. Nesse caso, os 40 bits mais significativos são armazenados no AC e os 40 bits menos significativos são armazenados no MQ.

Registradores do CC

• IR - O Instruction Register guarda a próxima instrução a ser executada. Ele armazena apenas os 8 bits relacionados ao opcode.
• IBR - O Instruction Buffer Register é utilizado para guardar instruções que devem ser executadas após a instrução armazenada no IR. No IAS, o IBR é utilizado apenas quando há uma instrução nos 20 bits da direita da palavra de instrução (calma, já explico o que é isso). Diferente do IR, o IBR armazena todos os 20 bits da instrução.
• PC - O Program Counter armazena o endereço de memória da instrução que deve ser executada após o ciclo atual.
• MAR - O Memory Address Register existe para armazenar endereços de memória que devem ser acessados na RAM do sistema. Note que o PC armazena apenas endereços de instruções, enquanto o MAR recebe tanto endereços de instruções como endereços de variáveis. É por isso que um endereço no PC sempre passa pelo MAR antes de ser buscado na memória do sistema.

Legal. Agora que sabemos o que é cada um dos registradores, vamos discutir sobre o formato dos dados do IAS.

2.2. Dados do IAS

O IAS é capaz de armazenar em sua memória 4096 palavras. Cada palavra (word) tem 40 bits. Existem dois tipos de palavra no IAS. Palavras de instrução e palavras de número.

Palavras de instrução

A palavra de instrução é dividida em duas partes: a instrução da esquerda e a instrução da direita. Cada uma delas ocupa 20 bits. Para cada instrução, há a divisão de 8 bits para o opcode e os 12 bits restantes para um endereço de operando/nova instrução. A figura 12.05 representa esse tipo de palavra.

Fig 12.05 - A palavra de instrução do IAS tem 40 bits, sendo 20 bits para cada uma das instruções. O opcode é armazenado em 8 bits e o endereço é armazenado em 12 bits.

Palavra de número

A palavra de número é consideravelmente mais simples. Ela conta apenas com um bit de sinal e 39 bits para o valor numérico. Aqui é interessante notar que o IAS usa a representação de complemento de dois para os números negativos.

Fig 12.06 - A palavra de número usa apenas um bit para representar o sinal e os outros 39 bits para o valor numérico.

2.3. Instruções do IAS

O conjunto de instruções do IAS conta com 21 operações. Elas são divididas em:

• Operações de transferência de dados - são utilizadas para carregar ou descarregar os registradores do CA.
• Operações de saltos incondicionais - geram um comportamento não linear do programa a ser executado ao permitir que o PC pule para uma instrução que não esteja logo na sequência na memória. Esse tipo de operação permite, por exemplo, a criação de loops.
• Operações de saltos condicionais - mesma coisa que os saltos incondicionais, mas dessa vez o salto é feito (ou não) baseando-se no valor do registrador AC. É o esqueleto de uma estrutura condicional.
• Operações de artimética
• Operações de manipulação de endereço - serve para modificar valores de memória, substituindo parte do valor por dados contidos no registrador AC.

A figura 12.07 apresenta a tabela completa de instruções do IAS.

Fig 12.07 - Tabela completa de instruções do IAS.

Exercício 12.01

Considerando o conjunto de instruções da IAS, qual seria a instrução para carregar o conteúdo de memória do endereço 2 para o acumulador?

Exercício 12.02

Considere o seguinte conteúdo na memória da IAS onde ficam armazenadas as instruções do programa:

Endereço	Comando
08A	010FA210FB
08B	010FA0F08D
08C	020FA210FB

O que cada uma das instruções faz? Reescreva-as em sua forma mneumonica.

2.4. Ciclos de busca e execução

Você pode estar se perguntando agora como exatamente é possível mesclar operações de controle com operações aritméticas. A resposta para isso é a divisão da operação da CPU em dois ciclos distintos:

1. Ciclo de busca (fetch)
2. Ciclo de execução (execute)

Ciclo de busca

A figura 12.08 representa o fluxograma de execução do IAS, porém omitindo o ciclo de execução. Dessa forma, conseguimos estudar isoladamente o comportamento do ciclo de busca.

Fig 12.08 - Fluxograma do ciclo de busca do IAS. Basicamente, o algoritmo consiste em buscar a próxima instrução da memória ou da IBR e guardar o código de operação no IR e o endereço do operando em MAR.

Ciclo de execução

De modo similar, a figura 12.09 exibe o ciclo de execução. Nele, há uma decisão a ser tomada baseando-se no código de operação armazenado em IR. Em nome da simplicidade, o fluxograma foi simplificado para não considerar todas as 21 operações da IAS.

Fig 12.08 - Fluxograma do ciclo de busca do IAS. Basicamente, o algoritmo consiste em buscar a próxima instrução da memória ou da IBR e guardar o código de operação no IR e o endereço do operando em MAR.

Exercício 12.03

Para realizar a instrução do exercício 12.01, quantos acessos à memória a CPU precisa fazer para completá-la?

Exercício 12.04

Na IAS, descreva em português o processo que a CPU deve realizar para ler o valor a partir da memória e para escrever um valor na memória em termos do que está colocado em MAR, MBR, barramento de endereço, barramendo de dados e barramento de controle.