4 - Arquitectura dos computadoreshalestino/II/cap3.pdf · processamento dos processadores duplicaria a cada 18 meses. Esta profecia tornou-se tão verdadeira que acabou por se tornar

Introdução à Informática

Arquitectura dos

computadores

Escola Superior de Tecnologia e Gestão

Instituto Politécnico de Bragança

Outubro de 2006

Introdução à informática Arquitectura dos computadores 2

História (1)

• ENIAC, 1945– 1800 válvulas

– 100m2 de área

– 5000 adições e 500 multiplicações por segundo

Substituição de uma válvula Programação do ENIAC


História (2)

• Invenção do transístor (finais dos anos 50)

• Invenção dos circuitos integrados (anos 60)

• Invenção do microprocessador (anos 70)

• Cada vez maior integração

• Cada vez maior capacidade

• Cada vez menor custo


Computador - Definição

• Máquina ou conjunto de dispositivos mecânicos, electrónicos e electromecânicos, capazes de processar dados

• Sistema eléctrico de manipulação de símbolos, rápido e preciso, que recebe dados de entrada (input), armazena-os, processa-os e produz resultados (output) sob direcção de um conjunto detalhado de instruções (programa)


Hardware e Software

• Hardware– Dispositivos físicos (electrónicos, mecânicos e electromecânicos)

• Software– Programas do computador (conjuntos complexos de instruções) que fazem funcionar o Hardware sob intervenção mais ou menos interactiva do utilizador

– Software de sistema:• S. O.• Primeira “camada” de software• Conjunto de instruções que transformam o hardware num sistema com o qual o utilizador pode efectuar determinadas tarefas ou fazer funcionar os programas

– Software de aplicação:• Engloba todo o tipo de programas de computador• Permitem realizar tarefas específicas ou genéricas (p. ex.: Facturação, Processamento de Texto, etc.)


Arquitectura interna

• Existe uma grande diversidade de soluções e uma grande competitividade entre fabricantes

• A competitividade tem constituído um dos grandes motores da informática

• Infelizmente, a diversidade de arquitecturas resulta, por vezes, na existência de algumas incompatibilidades entre sistemas

• Apesar da diversidade de arquitecturas, existe uma organização base que é comum a todos os computadores modernos

• O hardware de qualquer computador pode ser visto como um conjunto de três blocos interactivos:– Processador– Memória– Periféricos

• Estes componentes são interligados por um barramento (bus) através do qual é transmitida a informação


Máquina de von Neumann• Modelo proposto para um computador por volta de 1940• Modelo inicial:

– Elemento processador segue as instruções armazenadas numa memória de programas, para ler canais de entrada, enviar comandos para canais de saída e alterar as informações contidas numa memória de dados

• Estrutura em barramento – base dos computadores modernos– memórias de dados e de programa são fundidas numa memória única, e as comunicações entre elementos são efectuadas através de uma via comum de alta velocidade

Entradas

PPrroocceessssaaddoorrMemória deProgramas

Memória deDados

Saídas

Memória

PPrroocceessssaaddoorr

Periféricos

Barramento

Modelo inicial Estrutura em barramento


Componentes• O computador é constituído a partir de placas de circuito impresso onde são ligados os circuitos integrados (processador, memória, etc.) e outros componentes

• As placas de circuito impresso possuem pistas muito finas de um metal condutor que permitem interligar electricamente os diversos componentes


Placa Principal• Placa Mãe (Motherboard ou Mainboard)• Placa onde são colocados ou ligados todos os outros componentes do computador– Processador– Memórias (RAM, ROM e Cache)– Controladores– Slots de expansão

• Tem como função permitir que o processador comunique com todos os periféricos instalados com maior velocidade


Esquema da motherboard


Motherboard – um esquema real


Estrutura Básica de um Computador

Unidades de Entrada Unidades de Saída

UC

UAL

Registos

UCP

Primária

Secundária

Memória


Unidade Central de Processamento• Unidade porque é só uma• Central porque é o componente fundamental do computador• Processamento porque é nesta unidade que a informação é processada• Vulgarmente conhecida como microprocessador do computador

– É o verdadeiro cérebro do computador• É responsável por executar as instruções do software• O controlo da memória e dos periféricos é também da responsabilidade do processador

• Circuito integrado com muitos milhares de dispositivos electrónicos para efectuar as operações de processamento da informação

• Tem como função obter, descodificar e executar instruções e de transferir informações para e de outros recursos através do barramento

• Microprocessador (Ex: Intel Pentium IV a 3,2 GHz)• Grande parte da enorme evolução tecnológica a nível das tecnologias de

informação deve-se principalmente à evolução deste componente


UCP - Secções• Secções e componentes fundamentais:– Secção de Aquisição e Descodificação de Instruções

– Secção de Execução:• Unidade de Controlo (UC)

• Unidade Aritmética e Lógica (ALU)

• Registos ou Registers


UCP – Unidades constituintes• Processa as instruções e dados recebidos da Secção de Aquisição e Descodificação de Instruções

• Constituída pelas seguintes componentes:– Unidade de Controlo (UC):

• Selecciona as instruções segundo a ordem de execução• Interpreta (descodifica) as instruções• Activa as operações da máquina que executam cada instrução• Controla as transferências de dados• Controla a sequência das instruções

– Unidade Aritmética e Lógica (ALU)• Precisa de operandos e código da operação para executar instruções• Efectua as operações aritméticas e operações lógicas• Pode ter duas unidades diferentes para tratar nº reais (co-processador) e inteiros

– Registos• Componentes que armazenam dados temporariamente• Utilizados pela ALU para efectuar operações• Tempos de acesso muito baixos• Baixa capacidade de armazenamento


Execução de programas

• Um computador executa um programa guardado na memória copiando as instruções para a unidade de controlo

• As instruções são extraídas para a Unidade de Controlo, uma de cada vez, de uma forma sequencial

• A Unidade de Controlo possui dois registos essenciais para a execução de um programa:– Program Counter (contador de instruções): registo da UC que guarda o endereço da próxima instrução a ser executada; possibilita saber qual a próxima instrução em qualquer parte do programa

– Instruction Register (registo de instruções): guarda a instrução que está a ser executada


Arquitectura de um computador


O ciclo da Máquina

1. Retirar a instrução apontada pelo Program Counter

2. Descodificar a instrução

3. Executar a acção associada à instrução


Medidas do desempenho de um processador

• O desempenho do CPU pode ser medido em função de dois factores:– Capacidade (ou comprimento) da palavra: ou seja o nº de bits que são utilizados para transferir dados interna e externamente em cada ciclo

– Frequência do relógio: determina o número de ciclos por segundo (número de palavras que pode ler por segundo) e estáneste momento, expresso em GHz (109 ciclos por segundo)

• Hoje em dia os processadores que equipam os computadores pessoais correntes funcionam tipicamente com frequências de relógio de 200 MHz a 3,4 GHz

• O Pentium 4, o mais recente modelo de processador da Intel, atingiu já uma frequência de relógio de 3,4 GHz


UCP - Lei de Moore

• Durante a década de 70, Gordon Moore, era o presidente da Intel e lançou uma profecia que dizia que a partir daquele momento o poder de processamento dos processadores duplicaria a cada 18 meses. Esta profecia tornou-se tão verdadeira que acabou por se tornar na famosa “lei de Moore”

• Mas, sendo assim até quando é que os processadores podem evoluir? Até onde a lei de Moore pode continuar a ser válida?

• O que é que possibilitou esta evolução?– VLSI (Very Large Scale Integration)


Evolução dos processadores• Intel 8086 (1978), 16 bits, 1 MHz• Intel 8088 (1979), 16 bits, 4 MHz• NEC V20 e V30 (1981), clones dos anteriores, mas 30% mais rápidos• Intel 80186 (1981), 16 bits, 8 MHz a 25 MHz, memória até 1 MB• Intel 80286 (1982), 16 bits, 6 a 20 MHz, memória até 16 MB, suportava o protected mode

(possibilitava a multitarefa) usados nos PC AT da IBM• Intel 386 (1988), 32 bits, 16 a 40 MHz• Intel 486 (1991), 32 bits, 33 a 100 MHz• Intel Pentium (1993), 64 bits, 75 a 233 MHz, 100 MIPS• Intel Pentium MMX (1997), 64 bits, 166 a 266 MHz, 10 a 60% mais rápidos que os anteriores• Intel Pentium II (1997), 233 a 450 MHz• Intel Celeron (1998), 266 a 700 MHz, mais económicos para fazer face à concorrência• Intel Pentium III (1999), 450 MHz a 1.13 GHz• Intel Pentium IV (2000), 1.4 GHz a 3,4 GHz• …


Memórias ou dispositivos de armazenamento

• É à memória que compete armazenar as sequências de instruções, os dados relevantes para essas instruções e os resultados das mesmas

• É o CPU, no entanto, que controla que informação é armazenada na memória e em que local da memória ela éarmazenada– funciona como um armazém de informação à disposição do processador

• Dividida em pequenos blocos sequenciais, cada um identificado por um endereço, através do qual se pode aceder a cada um dos blocos para leitura ou escrita de unidades de informação


Parâmetros de classificação de memórias

• Tempo de Acesso– Tempo que a UCP demora a aceder à memória

• Capacidade de Endereçamento– Distingue qual o menor valor endereçável na memória (medida em bits ou bytes)

• Tamanho– Limita a quantidade de informação que é possível armazenar (medido em bits ou bytes)

• Tipo de Acesso– Sequencial – para aceder a determinada posição de memória é necessário ler ou passar por todas as posições anteriores

– Aleatório – o acesso é feito directamente à posição que se pretende ler• Capacidade de Leitura e de Escrita

– Todas as memórias permitem que se leia o seu conteúdo (excepto as intencionalmente protegidas), mas nem todas permitem que se escreva nelas

• Volatilidade– Falta de capacidade da memória reter indefinidamente a informação


Tipos de memória• Principal, Primária ou Central

– encontram-se em contacto directo com o CPU, fornecendo-lhe instruções e os dados com que este opera, e dele recebendo dados resultantes do seu processamento

• Auxiliar, Secundária ou Externa– suportes de armazenamento de informação que interessa guardar para além do tempo em que é utilizada a memória primária

– Armazenamento externo de dados• Cache

• Virtual


Memória primária (1)• RAM (Random Access Memory)

– Permite leitura e escrita peloprocesador

– Tempos de acesso muito rápidos e de tipo aleatório

– Volátil– Preço relativamente elevado– Guarda os programas e o dados com que o computador trabalha em cada sessão

– Tipos:• DRAM (Dynamic RAM)

– Transístores e Condensadores

• SRAM (Static RAM)– Circuitos “flip-flop”– Mais rápidas e mais caras

• VRAM (Video RAM)– Operações de leitura e escrita

simultânea

• NVRAM (Flash RAM)– Não perde os dados quando desligada

DRAM

FPM DRAM

EDO DRAM

SDRAM - permite a leitura ou o armazenamento de dois dados de cada vez

DDR SDRAM - 2 vezes mais rápida que a SDRAM

RDRAM – usada em substituição da VRAM nalgumas placas gráficas


Memória primária (2)• ROM (Read-Only Memory)

– Apenas leitura, pois o processo de escrita é realizado uma única vez pelo fabricante não podendo ser alterado pelo processador

– Acesso rápido – Não volátil– Necessária ao arranque da máquina: inclui instruções de rotina para o funcionamento básico do computador (Operações de arranque ou de interacção com os dispositivos de Entrada/Saída)

– Tipos:• PROM (Programable ROM)• EPROM (Erasable and

Programable ROM) - geralmente usado para armazenar a BIOS do computador

• EEPROM (Electronic EPROM) • FlashROM – permite actualização da BIOS por disquete ou atémesmo pelo sistema operativo


Memória Cache• Memória com velocidade de funcionamento superior à RAM • Constituída por memória SRAM• É mais cara que a RAM e a capacidade de armazenamento reduzida

• Colocada entre a RAM e o processador com o objectivo de fornecer instruções e dados de uma forma mais rápida, diminuindo os tempos de espera do processador– Evita ler ou escrever directamente na memória RAM

• Cache interna (L1)– Integrada no processador – muito rápida– Baixa capacidade

• Cache externa (L2)– Tempos de acesso superior à anterior– Segmento de memória cache externo ao CPU– Maior capacidade que a anterior


Memória Virtual

• Técnica usada para permitir a um computador trabalhar com mais memória RAM do que aquela que foi instalada na máquina– “Aumenta” a memória física do computador

• Parte do disco é usada como se fosse memória


Memórias Secundárias (1)• Memórias de Massa • Armazena, de forma permanente, informação que não estáa ser utilizada– Como a memória RAM é volátil, se não existisse nenhuma forma alternativa de armazenar os programas e os dados, estes perder-se-iam cada vez que desligássemos o computador

• Características:– Grande capacidade de armazenamento– Lentas: tempos de acesso bastante superiores aos das memórias do tipo primário

• Modo de acesso aos dados:– Sequencial

• Utilizados para Backups– Aleatório

• DASD - Direct Access Storage Devices• Mais utilizados


Memórias Secundárias (2)• Dois tipos de suportes:

– Magnéticos

– Ópticos

• Suportes Magnéticos– Discos, disquetes e fitas

– Revestidos por uma substância magnética, cujas partículas codificam os dados conforme a orientação dos respectivos campos magnéticos

• Suportes Ópticos– CD-ROM, DVD

– Leitura e gravação baseada em tecnologia laser


Memórias Secundárias - exemplos• Disco rígido ou disco duro (HD –

Hard disk)– Dispositivo principal e mais comum– Grande capacidade de armazenamento (actualmente na ordem dos 40 aos 250 Gbytes)

– Preço por Mbyte muito inferior ao da RAM

– Permite leitura e escrita, com acesso praticamente aleatório por intermédio de um conjunto de cabeças de leitura/escrita

– Tempos de acesso elevados– Não volátil– Conjunto de pratos metálicos sobrepostos, em que cada prato tem uma estrutura idêntica a uma disquete

– Encerrado em vácuo– Maior durabilidade– Pistas concêntricas e sectores– Falta de portabilidade


Memórias Secundárias - exemplos• Disquetes - pequeno disco flexível (Floppy Disk)

– Dividida em pistas concêntricas e sectores

– Tempos de acesso elevados

– Portabilidade

– Pequena capacidade e falta de fiabilidade

– Custo por MB superior e mais lentas que discos rígidos

Formato Capacidade

8” 180 Kb 360 Kb

5 ¼” 360 Kb 1,2 Mb

3 ½”DD HD

720 Kb 1,44 Mb


Memórias Secundárias - exemplos

• Zip´s– Desenvolvido pela Iomega– Resolver o problema da falta de capacidade das disquetes tradicionais

– Invólucro rígido e capacidades de 100 ou 250MB– Muito mais caras que as tradicionais – Exigem unidades próprias para leitura/escrita - ZIP Drives


Memórias Secundárias - exemplos• CD-ROM - Compact Disk - Disco compacto

– Discos ópticos: leitura e escrita por laser– Uma Pista em espiral e sectores– Velocidade de acesso - medida em relação a uma velocidade base (single speed): 8x, 10x … 50x, ou mais

– Vantagens:• Capacidade de armazenamento superior 650 MB a 700 MB (cerca de 500 disquetes)

• Maior durabilidade da informação• Transporte fácil

– Desvantagens• Tempo de acesso elevado (um pouco maior que o do disco rígido)• Os leitores não permitem apagar e regravar

• Tipo de CD’s– CD-ROM - Apenas leitura– CD-R, WORM (Write Once, Read Many)– CD-RW – Regraváveis– DVD – Maior capacidade



• Fitas Magnéticas– Permite armazenar muita quantidade de informação

– Económicos

– Utilização quase exclusiva para sistemas de cópias de segurança - backup

– Tempos de acesso elevados

– Acesso sequencial



• Pen-drives

– Utilizam-se como um disco, mas são compostos por circuitos integrados

– Rápidos e muito pequenos

– Portáteis• Porta-chaves, caneta, e relógio

– Capacidade considerável (32 MB, 64 MB, 128 MB, 256 MB, 512 MB, 1 GB)

– Ligam-se à porta USB do computador


Hierarquia da memória

• À medida que descemos na hierarquia da memória temos:– custo por bit decrescente– capacidade crescente– tempo de acesso crescente– frequência de acesso à memória pelo CPU decrescente


Barramento ou bus

• Conjunto de fios na motherboard por onde circulam os dados entre a UCP, a memória RAM e as placas de expansão de periféricos. Engloba 3 tipos de canais:– Bus de dados

– Bus de endereços

– Bus de controlo


Barramento• Canais de fios condutores que fazem a ligação entre os componentes internos de um computador

• Velocidade inferior à da UCP • A sua estrutura e a dos conectores de expansão, e a disposição das peças internas definem a arquitectura do barramento

• Barramento local ou de sistema– Interliga a UCP à memória

• Barramento de Entrada e Saída– Interliga todos os outros dispositivos ao barramento local– Menor velocidade que o anterior– Interno

• Liga dispositivos existentes em praticamente todos os PC’s: teclado, portas série/paralela, drives.

– Externo• Ligação aos slots de expansão onde se ligam as placas de expansão


Esquema do barramento


Motherboard - Características

• A arquitectura do bus e dos slots de expansão definem a forma como estão interligados todos os componentes e periféricos desse computador e a velocidade a que a informação é transmitida:

• Ao longo do tempo, foram sendo desenvolvidos vários tipos de barramentos:– 3 arquitecturas principais:

• ISA (Industry Standard Architecture)

• VLB (Vesa Local Bus)

• PCI (Peripherical Component Interconnect)


Arquitecturas do barramento

• ISA (Industry Standard Architecture)– ISA XT - 8 bits, usada para o 1º PC da IBM– ISA AT – 16 bits, Intel 80286

• MCA (Micro Channel Architecture)– 32 bits, lançada pela IBM nos anos 80 para o PS/2 (proposta fechada)

• EISA (Enhanced ISA)– 32 bit, melhoramento da ISA (proposta aberta)

• VLB (Vesa Local Bus)– 32 bits, melhorou a velocidade de tráfego entre o processador, a memória e a parte gráfica do computador – Intel 80486

• PCI (Peripherical Component Interconnect)– pode ser combinada com outras arquitecturas, adicionando-lhe vantagens ao nível da versatilidade

– Existência de um controlador• AGP (Advanced Graphics Port)

– É usada apenas para placas gráficas


Sistemas periféricos

• Dispositivos E/S (ou I/O)• Dispositivos (internos ou externos) necessários por captar dados do exterior (dispositivos de entrada) e disponibilizar a informação (dispositivos de saída) produzida novamente para o exterior

• Podem ser classificados quanto ao sentido do fluxo de informação em três tipos:– Só de Entrada (Input)– Só de Saída (Output)– De Entrada e Saída (Input/Output)


Periféricos de Entrada• Convertem a informação introduzida pelo utilizador em sequências próprias

de bits, capazes de serem interpretados pelo processador• Teclado

– QWERTY ou AZERTY– N.º de teclas (101 ou 105)– Disposição das teclas consoante o país

• Mouse (Rato)– Ligação através de uma porta série (standard RS232), PS/2, USB– Infravermelhos, trackball ou tela (utilizado nos portáteis)

• Caneta Óptica• Scanner (Digitalizador de Imagens)• Microfone• Joystick/Gamepad• Câmara de vídeo• Leitor de código de barras• Máquina fotográfica digital• …


Periféricos de Saída• É através destes que os dados processados pelo processador são transmitidos para o exterior

• Placa gráfica• Monitor

– Ligação à placa gráfica• Impressora

– Ligação à porta paralela, ou USB– Tipo: Matricial, Jacto de Tinta e Laser– Caracterizam-se por: Velocidade, Qualidade, Cor

• Plotter– Traçadores gráficos ou Impressoras de Grande Formato– Desenho arquitectónico

• Data Show• Colunas de som• …


Periféricos (monitor)

• O monitor do computador, ou ecrã, é o periférico de saída mais utilizado

• A sua função é a de permitir a visualização de informação

• A qualidade de imagem de um monitor depende essencialmente de três factores:– A medida da diagonal do ecrã expressa em polegadas, com valores típicos de 15”, 17”, 19” e 21”

– A resolução gráfica expressa em pixels (picture elements -pontos de imagem) na horizontal e na vertical, com valores típicos 800x600, 1024x768, 1152x864, 1280x1024, 1600x1200

– A frequência de varrimento (frequência com que cada ponto do ecrã é iluminado), com valores típicos entre 60 e 100Hz


Periféricos (placa gráfica)

• A resolução gráfica não depende exclusivamente do monitor mas também do controlador gráfico do computador

• O controlador gráfico ou placa gráfica é um periférico interno responsável por gerar o sinal enviado para o monitor

• É este dispositivo que permite que o mesmo monitor possa ser utilizado com várias resoluções gráficas e frequências de varrimento


Periféricos (impressoras)• Periférico de saída que permite registar informação em papel• Principais características:

– Resolução– Débito (número de páginas por minuto)– Cor– Custo por folha – Formatos de papel suportados

• Tipos de impressoras (diferem na tecnologia de impressão):– Matriciais ou de agulhas– Térmicas– Jacto de tinta

• Menor resolução, menor débito e maior custo por folha do que as impressoras laser, mas consideravelmente mais baratas • Indicadas para utilização por uma única pessoa ou por um grupo muito restrito de pessoas

– Laser• ideais para utilização por grupos de utilizadores

– A disponibilização de cor não representa normalmente qualquer acréscimo do preço de uma impressoras de jacto de tinta, mas representa um acréscimo substancial do preço de uma impressora laser


Periféricos de Entrada e Saída• Tanto permitem efectuar a entrada como a saída de dados. São dispositivos capazes de canalizar informação do interior para o exterior do computador e vice-versa.

• Drives– Permitem a troca de informação entre suportes de armazenamento e o CPU

– I/O porque permitem a leitura e a gravação • Modems/Fax

– Permitem ligar um computador a outro(s) através da linha telefónica, convertendo os sinais digitais em analógicos e vice-versa

– Internos (Slot de Expansão) ou Externos (Porta Série)• Placas de Rede

– Dispositivo interno que permite ligar um computador a uma rede de computadores

• Placas de Som– Placa responsável por processar o som na forma analógica

• TouchScreen (Monitor táctil)


Portas de Comunicação• Os computadores têm habitualmente dois tipos de dispositivos para entrada/saída de dados:– portas paralelas, designadas por LPT1, LPT2, etc...– portas série, designadas por COM1, COM2, etc...

• Os computadores possuem, em geral dois modos de transmissão de dados:– Paralela:

• os bits são transmitidos em simultâneo, (por exemplo, 8 bits de cada vez); este tipo de transmissão só é possível se o canal de transmissão for constituído por vários fios que permitam o fluxo simultâneo de determinado número de bits; transmissão indicada apenas para pequenas distâncias

• Ex: impressora– Série:

• os dados transmitidos circulam bit a bit, uns a seguir aos outros; as comunicações de dados deste tipo não necessitam de tantos fios como numa transmissão em paralelo; para um só sentido de transmissão, pode bastar apenas um fio por onde circulam sequencialmente os bits; caso se pretenda envio e recepção em simultâneo, serão necessários pelo menos dois fios, um para cada sentido da transmissão; mais lentas; permitem distâncias até 15 metros

• Ex: modem


Comunicação computador-periférico

• Controlada por um dispositivo – controlador

• Cada controlador estabelece as comunicações para cada tipo de periférico em particular

• Os controladores são ligados ao mesmo bus que liga o CPU à memória principal

• DMA (Direct Memory Access) – capacidade do controlador aceder à memória

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