1.1 Introdução

Todo o computador é formado por cinco elementos essenciais ou unidades: a unidade aritmética-lógica (UAL / ULA), a unidade de memória, a unidade de controle, a unidade de entrada e a unidade de saída. A interconexão entre tais unidades está mostrada na figura 1. As setas no diagrama indicam a direção do fluxo de dados, instruções e sinais de controle.

Observemos que as linhas grossas indicam o tráfego de dados e instruções, informação que em geral necessitam de um número grande de linhas para serem transmitidas. Já as linhas tracejadas representam os sinais de controle, normalmente em número reduzido, de maneira que são necessárias poucas linhas para representá-los.

A numeração das setas nos ajudará a facilitar a referência na descrição que segue.

Figura 1 – Organização básica de um computador

1.2 Unidade Aritmética-Lógica

É a parte do computador onde são realizadas as operações aritméticas e lógicas com os dados. O tipo de operação a ser realizada num particular instante de tempo é determinado por sinais vindos da unidade de controle (seta 1). Os dados a serem operados pela unidade aritmética-lógica poderão vir não só da memória (seta 2) como da unidade de entrada (seta 3). Os resultados das operações efetuadas na unidade aritmética-lógica podem ser transferidos para a memória (seta 4) ou para a unidade de saída (seta 5).

São exemplos de operações aritméticas: adição (ADD), subtração (SUB), multiplicação (MUL), divisão (DIV).

São exemplos de operações lógicas: e (AND), ou (OR), negação (NOT), ou exclusivo (XOR).

1.3 Unidade de Memória

A memória armazena grupos de dígitos binários (palavras) que podem representar instruções a serem executadas pelo processador ou dados para serem operados pelas instruções durante a execução de um programa.

Ela também serve como local de armazenamento para resultados intermediários ou finais obtidos pelas operações aritméticas efetuadas pela unidade aritmética-lógica (seta 4). A memória é uma unidade que executa somente duas operações: leitura e escrita. O funcionamento da memória também é controlado pela unidade de controle, a qual indica, através de sinais de controle (seta 6), qual das duas operações a memória deve realizar naquele instante. Um determinado endereço pode ser acessado pela unidade de controle, que gera o endereço desejado e o entrega à memória (seta 7). As informações podem ser escritas na memória vindas da ULA ou da unidade de entrada (seta 8), mais uma vez sob o comando da unidade de controle. As informações podem ser lidas da memória para a ULA (seta 2) ou diretamente para a unidade de saída (seta 9).

1.4 Unidade de Entrada

A unidade de entrada é constituída por tipos de dispositivos que obtêm informações externas ao computador e as coloca na unidade de memória (seta 8) ou na ULA (seta 3). A unidade de controle determina onde a informação de entrada deve ser colocada (seta 10). A unidade de entrada é usada no armazenamento de instruções e dados na memória para que o programa constituído por essas instruções e dados possa ser executado. Essa unidade também é usada para entrar com dados na ULA, a partir de um dispositivo externo, durante a execução de um programa. Alguns dos dispositivos de entrada mais comuns são: teclados, discos magnéticos, fitas e conversores analógico-digitais (ADC´s).

1.5 Unidade de Saída

A unidade de saída é formada por todos os tipos de dispositivos usados para transferir informações do computador para o “mundo exterior”. Os dispositivos de saída também são dirigidos pela unidade de controle (seta 12), podendo receber dados da ULA (seta 5) ou da memória (seta 9), colocando-os no formato apropriado para o consumo externo ao computador. Exemplos de dispositivos de saída são: displays, impressoras, discos magnéticos, fitas magnéticas, monitores de vídeo e conversores digital-analógicos (DAC´s).

Enquanto executa um programa, o computador tem necessidade de apresentar resultados ou sinais de controle para o "mundo exterior". Por exemplo, um sistema pode ter uma impressora de linhas como dispositivo de saída. Nesse caso, o computador envia sinais para que os resultados sejam impressos em formulário contínuo. Um pequeno computador pode informar seus resultados usando um painel luminoso ou um display de LED´s (Light Emitting Diode).

1.6 Interface

O aspecto mais importante das unidades de ENTRADA e SAÍDA diz respeito ao interfaceamento, que pode ser definido como o ato de combinar dispositivos muito diferentes, para que eles possam funcionar de maneira compatível e coordenada. Podemos também definir o interfaceamento de maneira mais específica, como sendo a sincronização da transmissão da informação digital entre o computador e os dispositivos externos de entrada e saída.

Muitos dispositivos da entrada/saída não são diretamente compatíveis com o computador por diferenças de velocidade de operação, formato dos dados (hexa, ASCII, binário), modos de transmissão (serial, paralelo) e níveis dos sinais lógicos. Tais dispositivos precisam de circuitos especiais de interface que permitam que eles se comuniquem com as outras unidades do computador ao qual elas vão se ligar.

Um bom exemplo sobre interfaceamento é o caso do terminal de vídeo, que pode operar como dispositivo de entrada e de saída. Este terminal transmite e recebe dados serialmente, um bit de cada vez, enquanto a maioria dos computadores manipula dados em paralelo. Assim, o terminal de vídeo precisa de um circuito de interface que faça as modificações necessárias dos dados transmitidos/recebidos, de maneira a permitir que a comunicação terminal-computador e computador-terminal seja feita sem problemas.

1.7 Unidade de Controle

A função da unidade de controle, como o nome indica, controla (dirige) a operação de todas as demais unidades componentes do computador, fornecendo-lhes sinais de temporização e de controle. Vista por outro ângulo, a função da unidade de controle assemelha-se à de um maestro, que tem a responsabilidade de manter todos os membros de uma orquestra em perfeito sincronismo. Essa unidade contém circuitos lógicos combinacionais e seqüenciais, responsáveis pela geração dos sinais de controle necessários à execução das instruções de um programa.

A unidade de controle busca uma instrução da memória, enviando seu endereço (seta 7) e um comando de leitura (seta 6) à unidade de memória. A instrução armazenada no endereço enviado é depois transferida para a unidade de controle (seta 11). Essa instrução, que está codificada em binário, é então decodificada pelos circuitos da unidade de controle para determinar qual a instrução. Logo após, essa mesma unidade usa a informação contida na instrução para gerar os sinais de controle necessários à execução da instrução em questão.

1.8 Processador (Unidade Central de Processamento)

Na figura 1, a ULA e a unidade de controle são mostradas como partes de uma única unidade: processador. A distinção é feita com a finalidade de separar a parte “inteligente“ do computador das demais. Iremos usar tal denominação diversas vezes em nosso estudo dos microcomputadores, pois como veremos mais tarde, nos microcomputadores, a unidade central de processamento é implementada em um único chip VLSI, denominado microprocessador.