A CPU e seus componentes Uma abordagem lúdica“Uma grande abordagem didática. Sem dúvida, o melhor trabalho.” — Prof. Vitor Hugo, Diário de Pernambuco David S. Moura — João H. Pacheco Michel K. Hirata — Tiago F. Souza Victor F. Dias
SUMÁRIO Apresentação -------------------------------------------------------------- 03 CPU — Demon Slayer------------------------------------------------- 05 CPU — Sailor Moon--------------------------------------------------- 21
APRESENTAÇÃO Caro estudante, Nem sempre é fácil assimilar as particularidades da arquitetura e do funcionamento da CPU. São vários os seus componentes, e específicas as suas funções. Foi pensando nessa dificuldade que preparamos o presente material, que vincula, de maneira didática, e separadamente, cada um dos conceitos e ações a um elemento de duas mídias japonesas: Demon Slayer e Sailor Moon. Ambas as obras atingem públicos geralmente muito distintos, e é por isso que as duas estão aqui à disposição do aluno, para que ele escolha a que mais possa lhe agradar, favorecendo assim o processo de aprendizagem, que sem dúvida é sempre mais produtivo e simples se associado a algo visualmente prazeroso. Bons estudos. Os autores 3
A MENTE DO CAÇADOR: A CPU EM ANALOGIA COM5
CARTILHA: CPU (UNIDADE CENTRAL DE PROCESSAMENTO) BEM-VINDOS ORGANIZAÇÃO: Michel koithi Hirata libório Tiago Rafael S. S. david Silva Moura Neto João Henrique PACHECO Victor Fernando Santos dias ORIENTADOR: PROFESSOR VICTOR HUGO6
SUMÁRIO A MENTE EM COMBATE: CPU ------------------------------------------- 8 COMPONENTES INTERNOS --------------------------------------------- 9 UNIDADE DE CONTROLE (UC) ------------------------------------------ 10 UNIDADE LÓGICA E ARITMÉTICA (ULA) -------------------------------- 11 REGISTRADORES ------------------------------------------------------ 12 CICLO BUSCAR-DECODIFICAR-EXECUTAR -----------------------------13 HORA DE PRATICAR! --------------------------------------------------- 15 GABARITO -------------------------------------------------------------- 17 REFERÊNCIAS ---------------------------------------------------------- 187
4 A MENTE EM COMBATE: CPU A CPU é o foco absoluto do caçador do qual processa o ambiente, dita a sobrevivência e a vitória contra os demônios que representam os programas executados no sistema CPU (UNIDADE CENTRAL DE PROCESSAMENTO) É O MOTOR LÓGICO DO COMPUTADOR QUE EXECUTA PROGRAMAS ARMAZENADOS NA MEMÓRIA PRINCIPAL CICLO BUSCAR DE INSTRUÇÕES, DECODIFICAR E EXECUTAR8
COMPONENTES INTERNOS UNIDADE DE CONTROLE (UC) UNIDADE LÓGICA E ARITMÉTICA (ULA) REGISTRADORES Espada Nichirin Corvo Kasugai Postura de respiração 59
UNIDADE DE CONTROLE (UC) RESPONSÁVEL POR ORQUESTRAR O FLUXO E LER AS INSTRUÇÕES DA MEMÓRIA. ENCARREGADA DE BUSCAR A INSTRUÇÃO NA MEMÓRIA PRINCIPAL, DETERMINAR O SEU TIPO E FAZER DECISÕES O Corvo Kasugai voando acima da batalha, grasnando as direções e avisando de onde vem o próximo ataque inimigo, controlando o fluxo da missão 610
EXECUÇÃO DO TRABALHO PESADO REALIZA OPERAÇÕES ARIMÉTICAS, BOOLEANAS/LÓGICAS, RETIRA DADOS BRUTOS DOS REGISTRADORES, PROCESSA A TRANSFORMAÇÃO E DEVOLVE O RESULTADO FINAL EM 3 PASSOS MUITO SIMPLES: 1.ENTRADA: RECEBE DOIS VALORES (EX: NÚMERO 5 E NÚMERO 3). 2.COMANDO: RECEBE UMA ORDEM DO QUE FAZER (EX: "SOMA AÍ!"). 3.SAÍDA: ENTREGA O RESULTADO PRONTO (NÚMERO 8). UNIDADE LÓGICA E ARITMÉTICA (ULA) Envolta em efeitos de água ou fogo faz o corte real matemático (dividir o problema ao meio) 711
ARMAZENAMENTO TEMPORÁRIO DE ALTA VELOCIDADE E ACESSO INSTANTÂNEO PEQUENA MEMÓRIA INTERNA DA CPU GUARDAR RESULTADOS TEMPORÁRIOS E DADOS DE CONTROLE ESSENCIAIS REGISTRADORES Posturas de respirações essenciais armazenadas na memória muscular do Caçador 812
CICLO BUSCAR DECODIFICAR EXECUTAR Tanjiro vê o fio de abertura, buscou a instrução do ambiente Escolhe a postura ideal para derrotar o inimigo Finaliza o combate ao desferir a postura de maneira correta 913
BUSCAR - TRAZER A PRÓXIMA INSTRUÇÃO DA MEMÓRIA PARA O REGISTRADOR IR, ALTERA O REGISTRADOR PC PARA APONTAR PARA A INSTRUÇÃO SEGUINTE DECODIFICAR - DETERMINA O TIPO DE INSTRUÇÃO QUE FOI TRAZIDA, VERIFICA SE USA A PALAVRA NA MEMÓRIA E DETEMINA ONDE ELE ESTÁ EXECUTAR - TRAZ A PALAVRA PARA UM REGISTRADOR SE NECESSÁRIO, EXECUTA A INSTRUÇÃO ATRAVÉS DA ULA E VOLTA A PRIMEIRA ETAPA DE BUSCAR 1014
Atividade 1: Marque V para as afirmações verdadeiras e F para as falsas: a) ( ) A CPU (tanjiro) é conhecida como o “cérebro” do computador b) ( ) A UC (corvo Kasugai) é responsável por resolver contas de somar e subtrair c) ( ) Os Registradores são as memórias mais rápidas do computador, mas guardam pouca informação por vez d) ( ) Sem a CPU, as outras peças do computador continuam funcionando normalmente HORA DE PRATICAR! Atividade 2: Qual componente da CPU é responsável por realizar o "corte real" matemático e lógico, sendo comparado à Espada Nichirin do caçador? a) ( ) Unidade de Controle (UC) b) ( ) Registradores c) ( ) Memória Principal d) ( ) Unidade Lógica e Aritmética (ULA) Atividade 3: O Corvo Kasugai representa a Unidade de Controle (UC). Baseando-se no papel do corvo durante as missões dos caçadores, qual é a principal função da UC dentro do processador? a) ( ) Guardar todos os arquivos do computador para sempre. b) ( ) Realizar cálculos matemáticos complexos. c) ( ) Orquestrar o fluxo de dados, ler as instruções da memória e tomar decisões. d) ( ) Resfriar o processador durante batalhas intensas. 1115
Atividade 4: Por que os Registradores foram comparados às "posturas de respirações essenciais armazenadas na memória muscular" do Tanjiro? a) ( ) Porque são o tipo de memória mais lento do computador, exigindo muita concentração. b) ( ) Porque representam um armazenamento temporário de altíssima velocidade e acesso instantâneo para a CPU. c) ( ) Porque eles controlam os dispositivos externos, como o teclado e o mouse. d) ( ) Porque eles buscam as instruções diretamente no HD do computador. HORA DE PRATICAR! Atividade 5: Sobre o ciclo de instrução da CPU (Buscar-Decodificar- Executar), marque V para verdadeiro e F para falso: a) ( ) A fase de "Buscar" é como quando Tanjiro vê o fio de abertura, trazendo a próxima instrução da memória. b) ( ) "Decodificar" é o momento em que a ULA realiza a conta matemática. c) ( ) Na fase de "Decodificar", a CPU determina o tipo de instrução, assim como Tanjiro escolhe a postura ideal para o ataque. d) ( ) "Executar" é a etapa final, onde a ação é realizada e a instrução é concluída (o golpe é desferido). Atividade 6: Preencha as lacunas abaixo com as 3 etapas do Ciclo de Instrução da CPU: Para derrotar um demônio (processar um dado), a CPU primeiro precisa ____________ a instrução na memória. Em seguida, ela deve ____________ essa instrução para entender o que precisa ser feito e escolher a melhor postura. Por fim, a CPU utiliza a ULA para ____________ a ação e finalizar o combate. 1216
GABARITO 13 Atividade 1: a) V b) F c) V d) F Atividade 2: Letra D Atividade 3: Letra C Atividade 4: Letra B Atividade 5: a) V b) F c) V d) V Atividade 6: Buscar - Decodificar - Executar17
REFERÊNCIAS TANENBAUM, Andrew S.; BOS, Herbet, Organização Estruturada de Computadores. 6. ed. São Paulo: Pearson Education do Brasil, 2013. 1418
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SUMÁRIO 01. Apresentação--------- 23 02. Lore & personagens--- 26 03. A CPU---------------- 31 3.1 UNIDADE DE CONTROLE-- 32 3.2 ULA------------------ 33 3.3 REGISTRADOR PC------- 34 3.4 REGISTRADOR IR------- 35 3.5 REGISTRADORES GERAIS- 36 04. CAMINHO DE DADOS----- 37 05. CICLO DE EXECUÇÃO---- 41 06. DESAFIOS------------- 43 07. GABARITO------------- 48 08. CONSIDERAÇÕES FINAIS- 49 09. REFERÊNCIAS---------- 5122
APRESENTAÇÃO A CPU é indispensável ao computador. Podemos chamá-la de “cérebro” do computador, já que é responsável por processar dados, executar todas as instruções dos programas e controlar todos os outros componentes do sistema.23
Sim, mas nem sempre é fácil assimilar os seus componentes. Nossa intenção é, portanto, apresentar a CPU e os seus componentes da maneira mais lúdica possível, vinculando cada um deles a um personagem24
do anime/mangá Sailor Moon, obra de Naoko Takeuchi, criando assim um apelo narrativo-visual que ajudará o aluno a fixar os conceitos e revisá-los quando preciso.25
Para entender a arquitetura da CPU, vamos usar o universo de Sailor Moon. Na história, Usagi Tsukino é uma jovem comum que descobre ser Sailor Moon, unindo-se a outras guardiãs para proteger o universo Lore & Personagens26
de forças sombrias. Cada integrante do grupo possui habilidades específicas que se encaixam perfeitamente no papel dos componentes internos do processador.27
Sailor Moon (Usagi) — A líder da equipe, protetora da Lua e da Terra. Sailor Mercury (Ami) — É o gênio da equipe, sob a guarda do planeta Mercúrio. Sailors28
Sailor Mars (Rei) — Sacerdotisa com poderes clarividentes, é a Sailor sob a proteção de Marte. Sailor Jupiter (Makoto) — Com grande força bruta e poderes elétricos, é a Sailor do planeta Júpiter.29
Sailor Venus (Minako) — A mais antiga das Sailors, a que primeiro recebeu a missão e começou a agir para combater o mal. =30
A CPU A CPU (Unidade Central de Processamento) funciona como o cérebro do computador: ela interpreta instruções, faz cálculos complexos e gerencia o fluxo de informações para executar todos os programas e tarefas do sistema.31
A Unidade de Controle (UC) gerencia o tráfego de dados e comanda as ações da CPU. Como líder, a Sailor Moon direciona cada componente sobre o que fazer e quando agir. Unidade de Controle (UC) SAILOR MOON32
ULA A ULA é responsável por realizar todas as operações matemáticas (soma, subtração) e comparações lógicas (igual, maior). Por que a Sailor Mercury? Ami é o gênio analítico do grupo. Ela calcula estratégias e dados em segundos, assim como a ULA no computador. SAILOR MERCURY33
O PC guarda o endereço da próxima instrução a ser executada. Como uma sacerdotisa com visão do futuro, Sailor Mars indica qual será o próximo passo do sistema. SAILOR MARS REGIST. PC34
REGIST. IR O IR armazena a instrução que está sendo executada no momento. Sendo a primeira guardiã a atuar, Sailor Venus sabe exatamente o que precisa ser feito no presente. SAILOR VENUS35
Memórias ultra-rápidas para dados temporários de uso imediato. Representam a força e agilidade da Sailor Jupiter no trabalho pesado. SAILOR JUPITER REGIST. GERAIS36
Caminho de Dados O Caminho de Dados é a rota de alta velocidade por onde as informações trafegam para cumprir uma missão dentro da CPU! 1. Recepção da Missão: A instrução vinda da memória desembarca no IR (Sailor Venus),37
que repassa os detalhes da ameaça para a UC (Sailor Moon). 2. Envio de Suprimentos: Sailor Jupiter (Registradores) dispara os dados acumulados direto pela rodovia interna.38
3. O Golpe Final: Os dados chegam no laboratório de Sailor Mercury (ULA), que calcula a solução e devolve o resultado para os registradores em milissegundos! Status: Missão cumprida com sucesso. Quanto mais rápido esse circuito roda, mais potente é o processador!
Representação:
Ciclo de Execução Para realizar qualquer tarefa no computador, a CPU repete um ciclo contínuo em três passos perfeitamente sincronizados: 1. Busca (Fetch) — A Visão do Futuro: O PC (Sailor Mars) aponta onde está a próxima ordem na memória. A ordem é buscada e entregue ao IR (Sailor Venus).41
2. Decodificação (Decode) — A Ordem da Líder: A UC (Sailor Moon) lê a instrução que está no IR e traduz exatamente o que precisa ser feito. 3. Execução (Execute) — O Poder em Ação: A UC aciona a ULA (Sailor Mercury) para resolver as contas ou os Registradores Gerais (Sailor Jupiter) para guardar o resultado.42
DESAFIO DE FIXAÇÃO 1. Quem é quem? Associe a Guardiã ao componente: ( A ) Sailor Moon ( B ) Sailor Mercury ( C ) Sailor Mars ( D ) Sailor Venus ( E ) Sailor Jupiter43
( ) Regist. PC: Guarda a próxima instrução. ( ) UC : Comanda e gerencia a CPU. ( ) ULA: Faz os cálculos e lógicas. ( ) Regist. IR: Guarda a instrução atual. ( ) Regist. Gerais: Armazenam dados imediatos.44
2. Verdadeiro ou Falso ( ) A UC (Sailor Moon) executa as somas e multiplicações. ( ) O IR (Sailor Venus) armazena a instrução do momento presente. ( ) A ULA (Sailor Mercury) toma decisões de comando no sistema.45
3. Ciclo de Execução Ordene de 1 a 3 a sequência do ciclo: ( ) Decodificar: UC (Sailor Moon) interpreta o comando. ( ) Executar: ULA (Mercury) calcula ou Jupiter guarda. ( ) Buscar: PC (Mars) aponta e a instrução vai para o IR (Venus).46
4. Caminho de Dados Ordene de 1 a 3 o fluxo dos dados: ( ) Processamento: ULA (Mercury) calcula o resultado. ( ) Recepção: IR (Venus) recebe a ordem e avisa a UC (Sailor Moon). ( ) Disparo: Registradores (Jupiter) enviam os dados pela rodovia.47
GABARITO 1: C, A, B, D, E 2: F, V, F 3: 2, 3, 1 4: 3, 1, 248
Considerações Finais Desmistificar a CPU através do universo de Sailor Moon mostra que a arquitetura de computadores pode ser aprendida de forma leve e memorável. A integração entre liderança (UC/Sailor Moon), foco no presente (IR/Venus),49
visão de futuro (PC/Mars), precisão matemática (ULA/Mercury) e força bruta (Registradores/Jupiter) traduz perfeitamente o funcionamento do processador. Esperamos que esta jornada visual ajude os alunos a dominarem o ciclo de execução e o caminho de dados com facilidade.50
Referências TANENBAUM, Andrew S.; BOS, Herbert. Organização Estruturada de Computadores. 6. ed. São Paulo: Pearson Education do Brasil, 2013. TAKEUCHI, Naoko. Pretty Guardian Sailor Moon. Tóquio: Kodansha, 1991-1997.51
Anotações52