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[Música]
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Olá hoje nós temos a quarta aula de
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organização de computadores e nós vamos
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falar justamente do conceito de programa
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armazenado por mais natural que possa
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aparecer para nós no dia de hoje que o
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computador tem os programas o que ele
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vai executar armazenado não foi assim
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que tudo começou se nós observarmos O
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enac que foi considerado o primeiro
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computador de grande porte digital
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programar esse computador significava
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conectar os fios e relés do painel de
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operação Então essas duas senhoras aqui
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estavam programando esse dispositivo e
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esse era um trabalho muito grande até
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que fazia com que os computadores fossem
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pensados para fazer propósitos
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específicos o enec especificamente fazia
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cálculos balísticos então justamente
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nesse conceito todo era importante
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pensar um modelo em que a gente pudesse
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programar o computador Afinal de contas
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se eu já tenho memória para armazenar os
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dados por que não também armazenar os
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programas e justamente Nesse contexto né
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pensando em como lidar com esse novo
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modelo de programação em como fazer essa
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programação é que aparece a ideia do
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modelo de fiman o John F era um
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matemático que teve várias contribuições
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na área de computação Ah ele foi
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trabalhar com o pessoal que projetou o
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en que contribuiu nesse projeto do enica
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depois ele foi contribuir com o projeto
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do edvac e nesse contexto Ele propôs
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esse conceito de programa armazenado ou
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seja desenvolver uma maneira de
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armazenar os programas na memória assim
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como a gente armazena os dados é
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importante destacar que esse conceito
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apesar de no nas nos livros e nas
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atribuições de arquitetura a gente vê
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atribuído a John phoa ele também foi
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simultaneamente pensado por Alan
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Turin bom o que que trata o modelo de
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Don phono ele vai falar de princípios de
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regras de conjuntos de características
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de como que a gente deveria projetar o
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computador de como a gente deveria
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projetar esse programa para ser
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armazenado como tudo isso deveria ser
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operado tá então é importante a gente
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pensar nesse conjunto de regras e ter o
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contexto histórico em que tudo isso foi
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proposto Lembrando que isso foi no final
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da década de 40 meados da década de 40
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que esse contexto foi proposto então a
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esse modelo de fona define os aspectos
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organizacionais e também os aspectos de
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sua
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programação bom o que que tem nesses
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princípios tratados por John phono Ah
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ele trata de quatro princípios
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principais aqui né Quatro princípios que
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vão ser usados para esse projeto
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primeiro deles é a simplicidade o
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computador vai executar operações
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básicas operações elementares com
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operandos né Eh também operandos
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elementares o segundo princípio é com
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respeito à linearidade e uniformidade e
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isso tá relacionado à memória quer dizer
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que nós temos uma única memória né Essa
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memória vai ter vai ser acessada de
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maneira contínua de maneira uniforme e
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ela vai fornecer tanto esse programa
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armazenado quanto as unidades de dados
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quanto os operandos que vão ser
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utilizados para fazer os cálculos para
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fazer as
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operações terceiro princípio tem a ver
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com sequencialidade e centralidade como
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é que funciona o nosso processador essa
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nossa unidade Central né do
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processamento que vai cuidar dessas
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programação dessas atividades ela vai
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executar as instruções que foram
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programadas instruções disponíveis na
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memória de maneira sequencial por isso o
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primeiro aspecto e justamente essa
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unidade de processamento Central né Eh
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ela é responsável por essa sequência de
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execuções por isso a centralidade né
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existe uma unidade de controle dentro do
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meu processador que é responsável por
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por essa sequência de operações por
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buscar instrução na memória por
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determinar como esse esse essa
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informação essa instrução vai ser operar
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dentro do processador e o quarto
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princípio que a gente tem é a unicidade
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que é uma característica extremamente
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importante des da desse modelo de F
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neuman ele diz que eu tenho uma única
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memória onde eu vou armazenar tanto
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dados quanto programas Então meus dados
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e os meus programas compartilham o mesmo
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espaço na minha memória nessa minha
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memória que é linear que acessada
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sequencialmente e é importante a questão
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da centralidade porque o processador vai
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ter que acessar Em alguns momentos a
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instrução e em alguns momentos o dado
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para poder fazer essas
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operações Então a partir desses
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princípios o John fon Norma propôs um
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modelo uma para ser seguido nessa
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implementação nesse modelo a gente já
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vai ver alguns elementos importantes que
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caracterizam todos os computadores
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modernos então nós temos a memória os
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dispositivos de entrada e saída e aqui o
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nosso processador Esse processador que é
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dividido tanto em unidad de controle
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quanto em unidade lógico
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aritmética Então essa unidade Central
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ela é responsável justamente por essa
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sequencialidade das instruções né ah vai
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acessar a memória então é importante
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observar aqui nessa figura tá
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simplificado por dois pares de setas
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separados mas eu tenho acesso da unidade
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de controle à memória Essa é responsável
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por buscar as instruções que vão ser
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executadas e aqui eu tenho minu unidade
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lógico aritmética acessando a memória
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para buscar os dados sobre o quais nós
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vamos executar as operações elementares
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tá então é importante destacar no modelo
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de fonoma eu tenho uma única memória com
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instruções
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e dados e o acesso é feito do
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processador tanto para buscar instruções
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e dados nessa memória uma outra
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característica que aparece aqui
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importante é o nosso acumulador dentro
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da unidade lógico aritmética nós vamos
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discutir daqui a pouco as várias
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organizações que um processador pode ter
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mas já foi colocado no modelo de fyan
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que a unidade lógico aritmética opera
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utilizando um acumulador Então essa é
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mais uma característica desse esse
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projeto um terceiro aspecto importante
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aqui né a gente já falou dos princípios
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a gente já falou dessa organização geral
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um outro terceiro aspecto importante
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associado ao conceito de programa
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armazenado é como vai funcionar essa
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operação como vai ser feita essa como o
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computador vai lidar com as instruções e
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é justamente o interpretador que é
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responsável por esse acesso contínuo à
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operação dos programas armazenados então
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o interpretador ele é estruturado como
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um loop contínuo se a gente pensar em
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termos de estrutura de programação ou
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como uma máquina de estados né se a
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gente pensar de uma maneira um pouco
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mais abstrata e essa máquina de estados
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tem três estados primeiro busca da
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instrução então o processador a unidade
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de controle precisa acessar a minha
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memória para buscar a instrução que vai
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ser executada a próxima instrução que
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vai ser executada uma vez que a
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instrução foi buscada na memória eu
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preciso passar pro segundo passo que
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implica em iniciar a decodificação dessa
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instrução para obter Quais são os
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operandos sobre o qual eu vou Executar a
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instrução então por isso eu tenho que
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calcular o endereço e buscar os
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operandos no caso do modelo de fon noan
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se a gente voltar aqui na na nossa
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figura eu tenho que buscar na minha
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memória os a instrução e depois o
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operand Então eu preciso calcular o
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endereço para buscar esse operando uma
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vez que eu já lei o endereço e busquei o
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meu operando eu posso Executar a
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instrução propriamente dita Então se
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essa instrução é uma instrução de soma
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por exemplo eu já tenho os operandos eu
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vou Executar a soma e vou armazenar o
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meu resultado no acumulador Isso é uma
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característica do modelo de phon todos
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os resultados são armazenados no
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acumulador uma vez que eu preciso
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colocar esse resultado de volta pra
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memória vou usar uma instrução que vai
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movimentar esse resultado do acumulador
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paraa memória tá então esses três
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estados contínuos permitem que eu
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Execute um programa Vou buscar a
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instrução fazer as etapas necessárias da
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execução da instrução volto pro estado
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inicial para buscar a instrução seguinte
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E aí depois vou Executar a instrução
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seguinte e assim continuamente por isso
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esse loop contínuo executando esse
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programa que tá armazenado Então essas
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são as características do modelo de fon
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noima ele especificou a os os princípios
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que devem ser seguidos com o conceito de
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programa armazenado fez um o modelo de
00:09:00
interação entre os elementos do
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computador memória entrada e saída e o
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nosso processador dividido unidade de
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controle e fluxo de dados e depois
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determinou o nosso interpretador de
00:09:11
instruções que vai permitir que a gente
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Execute essas sequências de instruções
00:09:15
bom então a gente pode pensar o modelo
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de fora é único não mais ou menos pela
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mesma época um outro grupo de
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projetistas de Engenheiros que estava
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projetando um outro computador em
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Harvard propôs um modelo diferente que é
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chamado de arquitetura Harvard A grande
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diferença que a gente vê aqui no modelo
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continua tendo entrada e saída tenho
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aqui meu processador unidade de controle
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e a unidade lógico aritmética e a grande
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diferência é que agora eu tenho dois
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componentes de memória diferente do
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modelo de phorma em que eu tinha uma
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única memória acessada por um barramento
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comum aqui eu vou ter dois duas memórias
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separadas acessadas por dois barramentos
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separados uma memória exclusiva para
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memórias de instrução ou seja aqui eu
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tenho somente o meu programa armazenado
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e uma outra memória exclusiva pros dados
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pros meus operandos tá então uma
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diferença importante para a gente
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lembrar da arquitetura Harvard do modelo
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de fona é com relação à memória e os
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barramentos de acesso à memória tá na
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arquitetura Harvard Nós temos duas
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memórias dois barramentos no modelo de
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phono uma única memória um único
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barramento o que isso faz o que aconteça
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no modelo de fona é que eu possa ter um
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gargalo no acesso ao à minha memória tá
00:10:40
então quando eu tenho que buscar a
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instrução eu acesso esse barramento de
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memória quando eu tenho que buscar o
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operando eu acesso novamente o mesmo
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barramento no modelo de phono então em
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termos de escalabilidade de evolução
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desse modelo ele tem algums aspectos de
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limitação de desempenho quando a gente
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pensa no fato de ser um único ento bom
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então esses dois modelos foram propostos
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lá pela década de meados da década de 40
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mas o que que a gente tem hoje nos
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nossos computadores o que que evoluiu
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como é que chegou nos nossos
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computadores modernos bom primeiro Vamos
00:11:15
pensar nos dispositivos embarcados nos
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dispositivos específicos onde a gente
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tem microcontroladores e dsps os
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dispositivos que vão trabalhar com
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processamento de sinal digital nesse
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caso a gente usa a arquitetura Harvard
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tipicamente esses dispositivos
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embarcados eles vão passar a sua vida
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toda executando uma única tarefa né
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então não existe o dinamismo que existe
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num desktop num servidor num computador
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então esses dispositivos Eles vão usar a
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memória ah home né para ter as os
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programas vão ser programados
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inicialmente e vão passar sua vida
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manipulando operando esse mesmo conjunto
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de programas eles são dificilmente
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reprogramados e ele usa memória RAM como
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memória flash como memória dinâmica para
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armazenar os dados por outro lado nos
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processadores modernos nas arquiteturas
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arm Intel que a gente usa em maior
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escala esses computadores misturam um
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pouco em termos de projeto os conceitos
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que a gente tem da arquitetura Harvard
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com arquitetura de phono como eu
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comentei a gente tem um gargalo quando a
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gente pensa em acessar instrução e
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memória com o mesmo barramento Então o
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que a gente tem nos processadores
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modernos é a que o primeiro nível da
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nossa hierarquia de memória separa
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memória de instrução de memória de dados
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e quando a gente olha o sistema de
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memória como um todo a nossa hierarquia
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de memória que a gente vai discutir em
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aulas mais para frente isso é visto como
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uma única memória então por isso que a
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gente fala memória principal contém
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dados e instruções compartilho o mesmo a
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mesma memória Ah e ela é acessada
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através de um barramento comum a partir
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do processador nós vamos discutir essas
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organizações esses barramentos mas a
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ideia nos processadores modernos é que a
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memória mais próxima do processador é
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separada em dados e instruções mas a
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hierarquia de memória como um todo ela
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acessada por um barramento único e
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contém tanto dados quanto
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programas um outro aspecto importante
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pra gente comentar né pra gente tratar
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Nesse contexto é a organização que a
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gente tem dentro da CPU eu falei para
00:13:24
vocês que uma das características do
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modelo de fona é que ele usa um acumul D
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dentro da unidade de processamento de
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dados dentro do fluxo de dados mas o que
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que isso quer dizer né então nós vamos
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ver aqui quatro modelos de organização
00:13:39
da nossa unidade lógico aritmética com
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relação ao acesso à memória que são
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modelos básicos que podem ser utilizados
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combinados de maneiras diferentes dentro
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de um
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processador primeiro deles é a pilha
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então no caso da organização em pilha eu
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tenho aqui a minha unidade lógico
00:13:57
aritmética que ou seja fazer as
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operações de soma subtração deslocamento
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todas as operações lógico aritméticas e
00:14:05
ela é associada a os elementos do topo
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da pilha Obrigatoriamente Então os meus
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dois operandos da minha unidade de
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lógica aritmética são elemento do topo
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da pilha e o elemento seguinte quando eu
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preciso buscar um elemento na memória eu
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preciso fazer a uma instrução específica
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que vai trazer um elemento da memória
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pra pilha um segundo elemento da memória
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pra pilha E aí quando eu for fazer a
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operação de soma eu vou Obrigatoriamente
00:14:30
usar esses dois elementos então não
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existe muita flexibilidade na maneira
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como eu combino os meus operandos para
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minha unidade lógico aritmética Mas é
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uma estrutura bastante
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simples o segundo elemento que a gente
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tem é o acumulador o acumulador que é
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utilizado na organização no modelo de
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fman no caso do acumulador um dos
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elementos Obrigatoriamente vem desse
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registrador especial que chamado de
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acumulador e o outro elemento a outra
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entrada da minha ula vem diretamente da
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memória o resultado produzido pela minha
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unidade lógico aritmética é armazenado
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diretamente no meu registrador
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acumulador então aqui nesse modelo se eu
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para eu carregar Inicialmente um valor
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eu preciso trazer esse valor para passar
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por uma soma com zero para chegar no meu
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registrador para depois poder somar com
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o segundo elemento E aí então copiar o
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que tá no meu registrador de Volta para
00:15:28
Mim minha memória
00:15:30
principal o terceira organização que a
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gente tem ela não usa nenhum elemento
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entre a memória e a unidade lógico
00:15:39
aritmética é a organização memória
00:15:41
memória ela considera que os operandos
00:15:42
vem diretamente de endereços de memória
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por minha unidade lógico aritmética ela
00:15:48
é flexível do ponto de vista que eu
00:15:50
posso ter tantos operandos quanto eu
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tenho na memória para escolher desse meu
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conjunto e não só um operando possível
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fixo aqui do meu registrador como já
00:15:59
tinha nesse caso Porém uma diferença que
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eu tenho aqui é o tempo de acesso as
00:16:04
memórias são mais lentas por causa da
00:16:06
tecnologia para serem lidas do que um
00:16:09
registrador por
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exemplo e justamente para tentar
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contrapor ter um pouco mais de
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flexibilidade do que organ as
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organizações anteriores e não ser tão
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dependente das da do tempo de acesso da
00:16:24
memória é que a gente tem a organização
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registrador registrador ou muitas vezes
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chamada de de organização load Store
00:16:31
Então nesse caso eu preciso trazer os
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elementos da memória pros registradores
00:16:36
depois eu vou selecionar dois
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registradores quaisquer como entrada da
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minha unidade lógico aritmética e
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finalmente vou escolher um terceiro
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registrador para armazenar esse meu
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resultado Então ela é mais flexível com
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relação à seleção dos operandos sem ter
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o atraso que eu tenho no acesso à
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memória para cada operação que eu vou
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realizar na minha unidade lógico
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aritmética e isso permite a gente pode
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ter as organizações modernas que T
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combinações dessas organizações o último
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aspecto que a gente vai observar hoje é
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como é que fica com escrever essa
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simples instrução c = a + b para esses
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quatro exemplos de arquitetura então
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aqui no primeiro caso no caso da pilha
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eu preciso trazer os elementos da
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memória para meu pra minha pilha e pro
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topo da pilha isso a gente faz através
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do comando de push depois eu vou fazer a
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soma e finalmente vou restaurar o valor
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que foi armazenado no topo da pilha pro
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meu endereço de memória então preciso de
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quatro instruções dessa máquina de pilha
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para implementar essa uma instrução de
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código de linguagem de alto nível no
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caso da organização de acumulador um
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elemento meu Obrigatoriamente ao
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acumulador Então eu preciso trazer um
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valor de memória para o acumulador
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através da instrução de load depois eu
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vou somar o que está no acumulador com o
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outro endereço de memória
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resultado pro acumulador E aí Finalmente
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eu copio do acumulador pra memória
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novamente então aqui eu preciso de três
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instruções na arquitetura de memória
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memória é a arquitetura que eu posso
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acessar diretamente a memória então eu
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posso indicar Quais são os meus dois
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operandos A e B e já armazenar em C
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então do ponto de vista do número de
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instruções Esse é o mais eficiente eu
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tenho uma única instrução tá depois eu
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tenho uma combinação registrador memória
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que é uma arquitetura um pouco mais
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flexível do que a a baseada em
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acumulador já que eu tenho mais de um
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registrador disponível Ah e eu posso
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combinar operandos entre registrador e
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memória Então eu tenho o mesmo número de
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instruções instruções similares a que eu
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tenho na organização de acumulador e
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finalmente na organização registrador
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registrador eu vou precisar trazer os
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dois operandos para registradores R1 e
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R2 para depois poder fazer a soma e
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finalmente armazenar o valor de R3 na
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endereço de memória dado por C então eu
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vou precisar de quatro instruções para
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executar essa essa instrução de soma
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numa arquitetura numa organização
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registrador registrador então aqui a
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gente vê que o número de instruções é
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variável porém é importante lembrando
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quando a gente discutiu as questões de
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desempenho que o tempo de ciclo para
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cada uma dessas organizações vai ser
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diferente então quando eu calcular o meu
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tempo de ciclo e multiplicar isso pelo
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produto pelo número de instruções que eu
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tenho isso vai me resultar num tempo de
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execução e num desempenho e não
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necessariamente a organização que tem
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menos instruções vai ser a mais rápida
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vai ser a que tem menor tempo de
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execução porque o tempo de ciclo dela
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tende a ser maior do que as demais então
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juntando com os conceitos de desempenho
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eu preciso considerar as características
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do meu fluxo de dados para saber o tempo
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de ciclo para então definir qual delas
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vai ter o melhor desempenho
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bom como referências para esse assunto
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nós temos aqui o capítulo 1 e 2 do livro
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de arquitetura do stalins e a sessão
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1.10 do livro do paterson e do Ren
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[Música]
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C
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[Música]
