Arquitetura de Computadores: Um Tutorial Completo

Em um mundo de ciência da computação, a arquitetura de computadores é uma especificação que realmente diz como o sistema de computador é feito e como ele funciona sob o capô.

De uma forma mais ampla, a arquitetura do computador nos diz como o hardware e o software do computador são implementados e colocados dentro de um sistema de computador.

Não só como eles são implementados, mas também como eles estão trabalhando e se comunicando uns com os outros. Para tornar nosso conceito mais claro, tome o exemplo da arquitetura do edifício ou do planejamento do edifício.

O mesmo conceito é usado com a arquitetura do computador que nos diz principalmente como o computador é feito dentro. Principalmente, a arquitetura de computadores é distribuída em três categorias principais que estão listadas abaixo, mas brevemente descritas nas próximas seções.

• Projeto do sistema
• Arquitetura do conjunto de instruções
• Microarquitetura

Os computadores que implementam essas arquiteturas são feitos ou implementados usando determinados padrões de design que as arquiteturas acima mencionadas definem. Essas arquiteturas são projetadas tendo em mente os requisitos do sistema, do usuário e de novas tecnologias.

Existem dezenas de benefícios de usar a arquitetura de computador dependendo da arquitetura de computador que você está usando, mas, em resumo, algumas das principais vantagens da arquitetura de computador são:

Ao fazer o sistema de computador

As arquiteturas de computador permitem que você projete e implemente os sistemas de computador de uma maneira específica que cada arquitetura define. Ele ajuda você a tornar o produto mais rápido e solucionar os problemas do cliente o mais rápido possível.

Da perspectiva de um desenvolvedor

Do ponto de vista de um desenvolvedor, a arquitetura do computador faz com que você programe os aplicativos que também exigem os requisitos de hardware de baixo nível, como você pode programar em linguagem Assembly para desenvolver e programar o hardware e dispositivos embarcados, como processadores, placas-mãe, etc.

Eficiência

A arquitetura de computadores ajuda você a projetar, desenvolver, implementar aplicativos e softwares rapidamente, sem muitos recursos e de maneira mais eficiente.

Documentações

Cada arquitetura de computador tem sua própria documentação. A documentação ajuda você a aprender e usar a arquitetura de maneira mais eficiente e rápida.

A definição de arquitetura de computador não é muito suculenta e, portanto, não contém profundidade. É o tipo de arquitetura de computador que torna o tópico interessante e profundo.

Nesta seção, veremos diferentes tipos de arquitetura de computadores que o ajudarão na vida acadêmica e profissional.

Tipo 1: Arquitetura Von-Neumann

Fonte da imagem: www.geeksforgeeks.org

Von-Newmann é a arquitetura de computador que foi projetada e feita no modo de design de computador derivado de Von-Newmann. Newmann projetou essa arquitetura para os computadores programados armazenados que nada mais são do que os computadores inteligentes que são programados para executar tarefas eficientes e de alto cálculo.

História

A história da arquitetura de Von-Newmann é simples: antes deste modelo, o mundo tinha dois tipos de computadores: um computador simples, ou seja, uma calculadora, e o outro eram os computadores de programas armazenados.

Os computadores armazenados e programados eram os mais eficientes que eram capazes de fazer as tarefas pesadas, como ler, escrever discos e memórias, eles podem auto-modificar o código para executar as tarefas e podem fazer todas as tarefas que um computador moderno pode executar, mas ainda assim eles eram muito lentos. Então, para resolver esse problema, Von-Newmann derivou o modelo de fazer com que os computadores funcionassem mais rápido.

Componentes

Os componentes dos modelos Von-Newmann são:

• Unidade de processamento que pode executar cálculos complexos com processadores
• Unidade de Controle que lida com o registro de instruções e contador de programas
• Memória que armazena e recupera ou produz dados no tempo de execução
• Discos rígidos externos
• Dispositivos de entrada e saída

Uso

Os computadores que são feitos com este modelo são usados na fabricação:

• montadores, compiladores, vinculadores, carregadores e outras ferramentas de automação programadas
• Em linguagens de alto nível como C, C++, Java, etc., que também podem manipular o código

Tipo 2: Arquitetura de Harvard

Fonte da imagem: wikimedia.org

O conceito do modelo de Harvard pode ser facilmente entendido quando em contraste com a arquitetura de Von-Newmann.

O modelo de Harvard implementa a separação de armazenamento e caminhos únicos para as instruções e dados. Mas na arquitetura Von-Newmann, as instruções do programa e os dados compartilham o mesmo espaço de memória.

História

A arquitetura de Harvard originou-se do computador baseado em relé Harvard Mark I. O trabalho na arquitetura foi iniciado em 1937 e totalmente implementado em 1944.

Componentes

Os componentes do modelo de Harvard incluem:

• Unidade Aritmética e Lógica (ALU)
• Unidade de Controle (ambas foram separadas)
• Memória de instrução (separada)
• Memória de dados (separada)
• Dispositivos de entrada, saída

Uso

Os modelos de Harvard são usados especificamente nos dispositivos ou aplicativos que seriam usados como dispositivos de incorporação. Eles são comumente usados com as CPUs com caches.

Tipo 3: Arquitetura do conjunto de instruções

Fonte da imagem: slideplayer.com

A Arquitetura do Conjunto de Instruções (ISA) é o conjunto de instruções que inclui as instruções RISC (Reduced Instruction Set Computer) e CISC (Complex INstruction Set Computer). Muitos dispositivos, como CPUs, executam as instruções descritas pelo ISA.

História

A Arquitetura do Cinjunto de Instruções foi programada pela IBM na década de 90.

Componentes

Os componentes da Arquitetura do Conjunto de Instruções incluem:

• Instruções
• Modos de endereçamento
• Tipos de dados nativos
• Arquitetura de memória
• Interrompe
• Instruções de E/S externas

Uso

Arquitetura do Conjunto de Instruções é um conjunto de instruções e, portanto, é usado para programar os dispositivos embarcados.

Tipo 4: Microarquitetura

A microarquitetura nos mostra a representação lógica de como o microprocessador funciona, é projetado e se comunica com seus componentes.

Também inclui a comunicação de registradores, barramentos, placas-mãe que implementa a Arquitetura do Conjunto de Instruções. Em outras palavras, podemos dizer que a arquitetura de computadores é uma mistura de Arquitetura de Conjunto de Instruções e Microarquitetura.

Componentes

Microarquitetura é a combinação de ALU, multiplexadores e outros componentes e blocos lógicos digitais.

Uso

As microarquiteturas são comumente usadas em microprocessadores e microcontroladores.

Tipo 5: Projeto do sistema

O projeto do sistema é uma forma ou processo de definir os requisitos de arquitetura do computador, como módulos, interfaces, sistemas complexos, hardware, software, etc.

Componentes

O design do sistema tem dois componentes ou categorias

• Design lógico
• Design de hardware

Uso

Como o nome define, o design do sistema é usado para projetar a arquitetura do sistema.

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