Organização e arquitetura de computadores .

1. Evolução dos computadores

1.1. Geração 0 - Computadores Mecânicos. 1642 - 1945. Engrenagens Mecânicas e Eletromecânicas. Ex.: Antikythera, Máquina de Pascal. Geração 1 - Válvulas. 1945 - 1955. Relés, capacitores e válvulas. As instruções eram por cartões perfurados. Ex.: ENIAC, IBM 603. Modelo de Von Neumann contribuiu em muito para a evolução dos computadores: memória física (0 e 1), unidade lógica e aritmética (ULA), Unidade de Controle (UC) e equipamentos de I/O. Geração 2 - Transistores. 1955 - 1965. Transistores e interruptores eletrônicos para operações lógicas. Geração 3 - Circuitos Integrados. 1965 - 1980. Inúmeros Transistores e outros componentes eletrônicos em miniaturas encapsulados, chamado de CHIP. IBM 360, fazia milhares de cálculos por segundo e 500 mil multiplicações, tornando os demais obsoletos. Geração 4 - Microprocessadores. 1970 - atualmente. Múltiplas Instruções. LSI (Larga Escala de Integração), o que aumentou os componentes dentro dos CHIPS. A Intel concentrou os componentes dentro da CPU (Unidade Central de Processamento) = ULA + UC + Controlador IO.

2. Sistema de númeração

2.1. É possível a conversão devido a notação posicional de cada base. Os sistemas de numeração mais conhecidos são: Hexadecimal, Decimal, Octal e Binário Hexadecimal = 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, A, B, C, D, E, F Decimal = 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 Octal= 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 Binário = 0, 1 Como converter base binária para base octal e base hexadecimal Número Binário 101101011001 Para converter para base octal, pega-se de três em três: 101.101.011.001 = a.b.c.d d = 0 + 0 + 1 = 1 c = 0 + 2 + 1 = 3 b = 4 + 0 + 1 = 5 a = 4 + 0 + 1 = 5 Então, 1011010110012 = 55318 Para converter para base hexadecimal, pega-se de quatro em quatro: 1011.0101.1001 = x.y.z z = 8 + 0 + 0 + 1 = 9 y = 0 + 4 + 0 + 1 = 5 x = 8 + 0 + 2 + 1 = B Então, 1011010110012 = B5916 Para converter para a base decimal, usa-se a notação posicional. 1011.0101.1001 = 1 x 211 + 0 x 210 + 1 x 29 + 1 x 28 + 0 x 27 + 1 x 26 + 0 x 25 + 1 x 24 + 1 x 23 + 0 x 22 + 0 x 21 + 1 x 20= 2048 + 0 + 512 + 256 + 0 + 64 + 0 + 16 + 8 + 0 + 0+ 1 = 2905 Para converter de decimal para binário, divide-se a base por 2: 2905 : 2 = 1452 (resto 1) 1452 : 2 = 726 (resto 0) 726 : 2 = 363 (resto 0) 363 : 2 = 181 (resto 1) 181 : 2 = 90 (resto 1) 90 : 2 = 45 (resto 0) 45 : 2 = 22 (resto 1) 22 : 2 = 11 (resto 0) 11 : 2 = 5 (resto 1) 5 : 2 = 2 (resto 1) 2 : 2 = 1 (resto 0) 1 : 2 = 0 (resto 1) 2905 = 1011.0101.1001

2.1.1. Portas lógicas e suas funçoẽs

3. Portas lógicas e suas funções

3.1. As portas lógicas são os componentes básicos de construção de circuitos digitais (ex. microprocessador) agrupados e embutidos em um circuito integrado. Elas executam operações sobre operadores binários (0 ou 1), aplicadas a diversas finalidades. As principais portas são: AND, OR, NOT e XOR. Agrupadas formam os chamados circuitos combinatórios, e seguem um conjunto de regras determinados pela matéria chamada Álgebra Booleana. São encontradas desde o nível de integração em Ultra Larga Escala (USLI) ou Super Larga Escala (SLSI). A Álgebra Booleana ou Álgebra de Chaveamentos, resulta sempre em um resultado, com os valores possíveis de 0 ou 1. Pode-se dessa forma pré definir todos os possíveis resultados de uma operação lógica, o que se chama Tabela Verdade. Dessa forma, cada operação lógica possui sua própria tabela verdade.

3.1.1. NAND e NOR

3.1.2. É a negação da AND e da OR.

3.1.3. 1. Desenhe os circuitos que implementam as seguintes expressões booleanas.

4. Subsistema de Memória

5. Em ordem do mais barato para o mais caro, segue: Disco Rígido, CD/DVD, Pen Drive, SSD (TeraBytes, GBytes) - RAM, ROM (MegaBytes) - CACHE (KiloB) - Registrador (Bytes)

5.1. Registradores

5.2. São memórias de armazenamento volátil (temporário - dependem de energia para manter a informação). Localizam-se no interior da CPU (Unidade Central de Processamento ou Processador). Custo alto, capacidade para 1 palavra, velocidade do Processador.

5.3. Cache

5.4. A memória cache é o intermediário entre o processador e a memória principal. Sua velocidade é moderada e serve para diminuir o gargalo de velocidade quando o processador busca informações na memória principal. É uma memória volátil. Por exemplo, o processador busca primeiramente na cache interna L1 (32KB), depois na Static Random Acess Memory ( SRAM - cache externa L2- 512KB) e depois da na memória principal Dynamic Random Acess Memory (DRAM - 64MB).

5.5. Memória Principal

5.6. A memória principal é denominada memória RAM (Random Acess Memory - Memória de Acesso Aleatório). Também é uma memória volátil. A memória RAM é genericamente denominada DRAM.

5.7. Os padrões mais utilizados de memórias RAM são:

5.8. DDR (Double Data Rate) - duplicam o desempenho da memória transmitindo dois ciclos de clock de dados.

5.9. DDR 2: quatro ciclos de clock de dados para o processador.

5.10. DDR 3: oito ciclos de clock de dados para o processador e consomem bem menos energ

5.11. Memória ROM (Read Only Memory)

5.12. São classificadas em:

5.12.1. PROM (Programmable Read-Only Memory) - um dos principais tipos de memória ROM. Aparelhos realizam a gravação dos dados através de reações físicas com elementos elétricos. Não pode ser mais alterado ou apagado.

5.12.2. EPROM (Erasable Programmable Read-Only Memory) - permitem que dados sejam regravados no dispositivo. A gravação se dá através de luz ultravioleta. Para uma nova gravação todos os dados devem ser apagados primeiro.

5.12.3. EEPROM (Electrically-Erasable Programmable Read-Only Memory) - permiti a regravação através de eletricidade, o que permite que não seja necessário remover do local a memória.

5.12.4. EAROM (Electrically-Alterable Programmable Read-Only Memory) - os dados só podem ser alterados por partes. São usados em aplicações que exigem apenas reescrita parcial dos dados. É praticamente igual a EEPROM.

5.12.5. Flash - São memórias mais rápidas e com maior capacidade de armazenamento, são como a EEPROM, e são utilizadas nos Pen Drives.

5.12.6. CD-ROM, DVD-ROM e afins: só podem ser gravados uma vez, ou de fábrica, ou pelo usuário. As CD-RW e DVD-RW são regraváveis como as EEPROMs.

5.13. São classificadas em:

5.14. PROM (Programmable Read-Only Memory) - um dos principais tipos de memória ROM. Aparelhos realizam a gravação dos dados através de reações físicas com elementos elétricos. Não pode ser mais alterado ou apagado.

5.15. EPROM (Erasable Programmable Read-Only Memory) - permitem que dados sejam regravados no dispositivo. A gravação se dá através de luz ultravioleta. Para uma nova gravação todos os dados devem ser apagados primeiro.

5.16. EEPROM (Electrically-Erasable Programmable Read-Only Memory) - permiti a regravação através de eletricidade, o que permite que não seja necessário remover do local a memória.

5.17. EAROM (Electrically-Alterable Programmable Read-Only Memory) - os dados só podem ser alterados por partes. São usados em aplicações que exigem apenas reescrita parcial dos dados. É praticamente igual a EEPROM.

5.18. Flash - São memórias mais rápidas e com maior capacidade de armazenamento, são como a EEPROM, e são utilizadas nos Pen Drives.

5.19. CD-ROM, DVD-ROM e afins: só podem ser gravados uma vez, ou de fábrica, ou pelo usuário. As CD-RW e DVD-RW são regraváveis como as EEPROMs.

6. O Processador: organização e arquitetura

6.1. A UCP (Unidade Central de Processamento ou CPU) é composto por ULA (Unidade Lógica Aritmética) e UC (Unidade Controle). Suas funções são subdivididas em Unidade Funcional de Controle e Unidade Funcional de Processamento.

6.2. Unidade Funcional de Controle: RDM, REM, CI, RI, Decodificador de Instruções, UC e Clock.

6.3. Unidade Funcional de Processamento: ACC, ULA e Registradores.

6.4. Unidade Funcional de Processamento

6.5. Manipula os dados, produzindo um resultado útil. As principais utilizações são: somar, subtrair, multiplicar, dividir, operações lógicas (AND, OR, XOR, etc) e movimentação de dados entre UCP e a memória.

6.6. Unidade Funcional de Processamento

6.7. Manipula os dados, produzindo um resultado útil. As principais utilizações são: somar, subtrair, multiplicar, dividir, operações lógicas (AND, OR, XOR, etc) e movimentação de dados entre UCP e a memória.

6.8. Unidade Funcional de Processamento

6.9. Manipula os dados, produzindo um resultado útil. As principais utilizações são: somar, subtrair, multiplicar, dividir, operações lógicas (AND, OR, XOR, etc) e movimentação de dados entre UCP e a memória.

6.10. Barramentos

6.11. São condutores elétricos que interligam os componentes e controlam o fluxo de bits. Eles organizam o tráfego de informações verificando as necessidades de recursos e as limitações de tempo de cada componente, para não ocorrer colisão, nem deixar de atender algum componente. É dividido em três: barramento de dados, barramento de endereços e barramento de controle.

6.12. Barramento de dados: interliga o RDM à memória principal. Influencia direta no desempenho do sistema. Quanto maior o barramento, mais rápido as informações chegam à CPU. Existem barramentos de 32, 64 ou 128 bits. É bidirecional.

6.13. Barramento de endereços: interliga o REM (localizado na UCP) à memória principal, para transferência dos bits que representam determinado endereço de memória de cada instrução. É unidirecional.

6.14. Barramento de controle: interliga a Unidade de Controle aos demais componentes do sistema. É bidirecional. UCP envia sinais para a memória principal para uma operação de leitura ou escrita, como pode receber um sinal de Wait (espere) da memória principal, para que aguarde o término de uma operação.

6.15. Existe uma hierarquia de barramentos de acordo com sua velocidade:

6.16. Barramento Local: maior velocidade. Liga o processador à memória cache e memória principal.

6.17. Barramento do Sistema: alguns fabricantes utilizam esse barramento como intermediário entre o barramento local e à memória principal, a fim de evitar o acesso direto da UCP à mesma. Um circuito integrado denominado chipset (ponte) sincroniza o acesso entre as memórias.

6.18. Barramento de expansão: também denominado barramento de entrada e saída (E/S). Interliga os diversos (I/O) aos demais componentes, tais como monitor, dvd/cd, impressoras, etc. Também utiliza-se de ponto para se conectar ao sistema, pois as mesmas quem regulam as diferentes velocidades entre os barramentos.

7. São condutores elétricos que interligam os componentes e controlam o fluxo de bits. Eles organizam o tráfego de informações verificando as necessidades de recursos e as limitações de tempo de cada componente, para não ocorrer colisão, nem deixar de atender algum componente. É dividido em três: barramento de dados, barramento de endereços e barramento de controle.

8. Barramento de endereços: interliga o REM (localizado na UCP) à memória principal, para transferência dos bits que representam determinado endereço de memória de cada instrução. É unidirecional.

9. Existe uma hierarquia de barramentos de acordo com sua velocidade:

10. Barramento do Sistema: alguns fabricantes utilizam esse barramento como intermediário entre o barramento local e à memória principal, a fim de evitar o acesso direto da UCP à mesma. Um circuito integrado denominado chipset (ponte) sincroniza o acesso entre as memórias.

11. Representação de Dados

11.1. Toda representação é dada por padrões de codificação, uma vez que tem que representar em números binários.

11.2. BCD - Binary Code Decimal - Utiliza 6 bits/caracteres, codificando 64 caracteres.

11.3. EBCDIC - Extented Binary Code Decimal Interchange Code - Exclusivo IBM, utiliza 8 bits, codificando 256 caracteres.

11.4. ASCII - American Standart Code for Information Interchange - Utiliza 8 bits, codificando 256 caracteres.

11.5. UNICODE - Utiliza 16 bits, codificando 65.536 símbolos. Pretende unificar todos as linguagens em um único código. Está sendo desenvolvido desde 1991.

11.6. A codificação normalmente está em uma memória ROM já contida no hardware.

11.7. Tipo Numérico:

11.8. Positivo: bit de sinal igual a 0.

11.9. Negativo: bit de sinal igual a 1.

11.10. A representação dos números é limitada pela capacidade da máquina, com isso surgem dois termos:

11.11. overflow: quando ocorre o estouro da capacidade de representação de um número.

11.12. underflow: quando o número é menor que o valor representável.

12. Dispositivos de entrada e saída (I/O)

12.1. São exemplos de dispositivos de entrada e saída:

12.1.1. Teclados

12.1.2. Impressoras

12.1.3. Monitores

12.1.4. Discos Magnéticos

12.2. Metodologias de comunicação entre UCP e Dispositivos E/S

12.2.1. Entrada e Saída Programada: também chamado de pooling, a UCP fica verificando se todos os dispositivos necessitam de atendimento. A UCP fica ocupada em espera constante.

12.2.2. Entrada e Saída controladas por Interrupção: a UCP avisa o dispositivo de E/S e assim que necessário ele faz uma interrupção na mesma. Dessa forma, a UCP fica livre. Não é mais utilizada, pois sofreu melhoras.

12.2.3. Acesso Direto à Memória (DMA): a UCP se limita a solicitar a transferência ao dispositivo de controle de E/S (DMA Controller) que lê ou escreve os dados para a memória do computador, sem a intervenção do processador. A UCP é avisada apenas no início e no fim da operação. A fim de evitar super lotar a linha que recebe pedidos externos, foi desenvolvido o controlador de interrupções.