Computadores são equipamentos projetados para auxiliar os seres humanos em suas tarefas diárias. Através de um conjunto de hardwares e softwares interconectados, o computador pode auxiliar desde tarefas básicas do dia a dia, como usar uma calculadora para fazer uma conta, até tarefas mais complexas, como analisar volumosas quantidades de dados em um ambiente empresarial.
Desde o surgimento dos primeiros computadores, ainda na década de 1940, observou-se um aumento exponencial na capacidade do hardware e, consequentemente, os softwares ficaram cada vez mais elaborados e inteligentes. Foi, também, nos anos de 1940, que surgiu a Arquitetura de Von Neumann, um modelo de arquitetura de computadores, usado na construção de dispositivos eletrônicos até os dias atuais.
Neste artigo, vamos conhecer um pouco mais sobre essa arquitetura fundamental para a computação.
1 – Arquitetura de Von Neumann
A Arquitetura de Von Neumann, recebe este nome em referência a John von Neumann (Budapeste, 28 de dezembro de 1903 — Washington, D.C., 8 de fevereiro de 1957), um matemático e cientista húngaro, que deixou grandes contribuições para a área da computação e matemática.
A Arquitetura de Von Neumann surgiu na década de 1940, durante o projeto do computador EDVAC, que foi um dos primeiros computadores eletrônicos construídos no mundo. O modelo proposto por John von Neumann trouxe a possibilidade de um computador armazenar programas. Até então, os computadores projetados e construídos apenas executavam conjuntos de instruções e entregavam os resultados imediatamente, sem armazenar os programas na memória.
2 – Os elementos da Arquitetura de von Neumann
A Arquitetura de von Neumann é composta por 4 elementos básicos:
- Sistema de entrada e saída de dados;
- Sistema de memória;
- Unidade de processamento central (CPU);
- Barramentos.
Cada elemento tem uma função específica na arquitetura e para que um computador funcione eles precisam estar conectados entre si.
A arquitetura pode ser representada da seguinte forma:
Os dados entram pelos dispositivos de entrada e são alocados na memória. O processador coleta os dados na memória e executa o seu processamento. Os dados resultantes do processamento são retornados para a memória e posteriormente são transferidos para os dispositivos de saída. Toda a transferência de dados entre os elementos ocorre através dos barramentos.
Resumidamente, esse é o modelo proposto pela Arquitetura de Von Neumann. Para um melhor entendimento da arquitetura, vamos ver abaixo uma descrição mais detalhada de cada um dos elementos.
2.1 – Unidade de processamento central (UCP)
Também conhecida como CPU (abreviação do inglês para Central Processing Unit), a UCP é o processador do dispositivo. É o componente responsável por coletar os dados na memória do computador, identificar o tipo do dado, definir qual procedimento deve ser feito com ele, executar o procedimento e retornar o resultado para a memória.
Um processador é dividido em duas partes principais:
- Unidade Lógica Aritmética (ULA): parte responsável por executar as operações lógicas (AND, OR e NOT) e as operações aritméticas (adição, subtração, multiplicação e divisão).
- Unidade de Controle (UC): parte responsável por controlar as operações da CPU. Essa unidade busca dados e instruções na memória principal e determina o tipo de cada um.
Além dos componentes acima, a estrutura do CPU conta com outros dois elementos importantes para seu funcionamento: os registradores e a memória cache.
- Registradores: trata-se de uma memória de alta velocidade usada para gravar as informações que estão sendo processadas. Endereços de memória e resultados intermediários de cálculos são exemplos de informações salvas nessa memória.
- Memória Cache: também é uma memória de alta velocidade que fica dentro do processador. Sua função é armazenar os dados mais utilizados pelo processador, com o objetivo de tornar mais rápido o processamento como um todo.
2.2 – Memória
A memória é o componente responsável por armazenar os dados e os programas do computador (instruções). Pode ser dividida em dois tipos: principal e secundária.
- Memória principal: é a memória RAM dos dispositivos, responsável por armazenar, temporariamente, os dados e instruções que estão em uso. Importante ressaltar que, a memória RAM é uma memória volátil, ou seja, os dados são apagados quando o dispositivo é desligado.
- Memória secundária: representada por HDs e SSDs, esse tipo de memória é permanente, ou seja, os dados não são apagados quando o dispositivo é desligado.
2.3 – Dispositivos E/S
Também chamados de dispositivos I/O (do inglês Input/Output), são responsáveis pela interação do computador com o mundo externo, promovendo a entrada e saída de dados do dispositivo.
Mouses, teclados, telas touchscreen e microfones são exemplos de dispositivos de entrada, enquanto telas, alto-falantes e impressoras são exemplos de dispositivos de saída.
2.4 – Barramentos
São as vias de comunicação entre os dispositivos E/S, a memória e o CPU. É através dos barramentos que os dados trafegam de um ponto ao outro da arquitetura. Cada barramento é composto por três partes menores:
- Barramento de dados: como o próprio nome diz, é a parte do barramento que transfere os dados entre os componentes.
- Barramento de endereço: transfere a localização (endereço de memória) dos dados.
- Barramento de controle: atua como um regulador dos barramentos de dados e endereços, garantindo a correta transferência dos dados.
3 – Gargalo de Von Neumann
Apesar de ser amplamente usada na construção de computadores e dispositivos eletrônicos em geral, a Arquitetura de Von Neumann não é perfeita. O Gargalo de Von Neumann é um problema de ordem técnica, existente desde a criação do modelo até os dias atuais.
O gargalo ocorre na transmissão de dados entre a memória principal (memória RAM) e a CPU. Enquanto, a CPU é capaz de processar dados em altíssimas velocidades em diferentes núcleos de processamento, a memória RAM, mesmo em suas gerações mais modernas, enfrenta problemas com taxas de transferência de dados limitadas.
O gargalo ocorre quando a CPU fica ociosa, aguardando a realização da transferência de dados da memória principal para poder fazer o processamento desses dados.
Várias técnicas foram criadas para minimizar os efeitos do gargalo de Von Neumann, porém, ainda não há uma solução definitiva para o problema.
Conclusão
A Arquitetura de Von Neumann foi fundamental para o desenvolvimento da computação moderna, sendo, até os dias atuais, a base conceitual de construção de diversos dispositivos eletrônicos.
Certamente, é um dos conteúdos mais básicos e fundamentais da área de computação. Entender a Arquitetura de Von Neumann possibilita uma melhor compreensão do funcionamento dos computadores e dispositivos eletrônicos que usamos em nosso dia a dia.
Espero que o conteúdo aqui apresentado seja útil de alguma forma para você. Em caso de dúvidas, sugestões ou reclamações fique à vontade para entrar em contato.
Referências:
https://canaltech.com.br/hardware/o-que-e-o-gargalo-de-von-neumann
https://embarcados.com.br/arquitetura-de-john-von-neumann
https://medium.com/trainingcenter/a-arquitetura-de-von-neumann-121489873fd4
https://pt.linkedin.com/pulse/arquitetura-de-von-neumann-fundamentos-da-computa%C3%A7%C3%A3o-moderna-machado-qhsnf
https://pt.wikipedia.org/wiki/Arquitetura_de_von_Neumann
https://pt.wikipedia.org/wiki/EDVAC
https://pt.wikipedia.org/wiki/John_von_Neumann
https://www.tecmundo.com.br/hardware/1736-o-que-e-barramento-.htm