Noções básicas de computação - Hardware

Profª Jocelma RiosAgo/2012

O que pretendemos:

● Apresentar o histórico da computação● Apresentar a arquitetura de Von Neumann e seus componentes

● Explorar o funcionamento dos componentes computacionais

Refletir sobre a importância dos diversos componentes do computador e sua influência na performance dos sistemas computacionais

O computadorUm computador é mais que umconjunto de dispositivos

Eletrônicos realizando uma multiplicidade de tarefas de

processamento de dados. É um sistema, uma

combinação de componentes Inter-relacionados que

desempenham as funções básicasdo sistema, ou seja,

entrada, processamento, saída, armazenamento

e controle.

James O'Brien

Histórico

● Ábaco - 3500 a.C.● Instrumento de cálculo, formado por uma moldura com bastões ou arames paralelos, dispostos no sentido vertical, correspondentes cada um a uma posição digital (unidades, dezenas,...) e nos quais estão os elementos de contagem (fichas, bolas, contas,...) que podem ser deslizados

● Teve origem provavelmente na Mesopotâmia, há mais de 5.500 anos – alguns apontam os chineses como seus inventores

● Pode ser considerado como uma extensão do ato natural de se contar nos dedos

Vale a pena

ver: www

.youtube.c

om/watch?v=q

7Si-5pS_

5c

Histórico

● Máquina Aritmética - PASCAL - 1642-1644– Conhecida como Pascalina → calculadora

decimal– Blaise Pascal iniciou a automação de

tarefas (adição mecanizada) através do auxílio de máquinas e os seus resultados são utilizados até hoje. Tempos mais tarde, ainda no século 16, adicionou-se as operações de multiplicação e divisão.

Saiba mais: www.educ.fc.ul.pt/docentes/opombo/seminario/pasca_l/maquinadepascal.htm

Histórico

● Máquina Analítica/Diferencial - Charles BABBAGE

– 1823 - Difference Engine: calculava automaticamente tabelas matemáticas utilizando o método de diferenças finitas. Esta máquina foi elaborada para polinômios de grau 6 e números binários de 20 bits. O projeto não chegou a ser concluído.

– 1833/1834 - Analytical Engine: introduziu o conceito de armazenamento de informações, o que hoje conhecemos como memória. Além disso, tinha unidade operadora e de controle, assim como nos computadores atuais. Utilizava cartões perfurados.

Vale a

pena ver:

www.you

tube.com/wat

ch?v=y3AeD

WfcUrE

Histórico

● Máquina Diferencial - Charles BABBAGE

Fonte: Wikip

édia

Histórico● Teoria dos Circuitos Lógicos - BOOLE – 1854

– Estabelece a lógica binária para armazenar informações

– Conhecida como álgebra de Boole, estruturas algébricas que conjugam as propriedades essenciais dos operadores lógicos e de conjuntos

●

Curiosidades: http://pt.wikipedia.org/wiki/Herman_Hollerith

Histórico● Computador mecânico – HOLLERITH - 1890

– O americano Hermann Hollerith constrói o primeiro computador mecânico para atender à aplicação de contagem do censo americano

– O processo de contagem do censo americano reduziu de 7,5 para 2,5 anos

– Informações eram armazenadas em cartões perfurados

Curiosidades: http://pt.wikipedia.org/wiki/Herman_Hollerith

Histórico

● Máquina de Turing - Alan TURING - 1936– É um modelo abstrato de um computador, que

se restringe a aspectos lógicos do seu funcionamento (memória, estados e transições), sem considerar a implementação física

– Alan Turing é considerado o pai da computação

● “Um problema terá solução algorítmica se existir uma máquina de Turing para representá-lo”

Histórico

● Máquina de Turing - Alan TURING - 1936– A Máquina de Turing possui uma fita de

tamanho infinito e um cabeçote para leitura e escrita que move-se pela fita. Devido ao seu caráter infinito, tal máquina não pode ser construída, mas o modelo da mesma pode simular a computação de qualquer algoritmo executado em um computador moderno

– Máquinas reais são muito mais complexas que uma máquina de Turing

Histórico● MARK I - ~1944

– Primeiro computadoreletromecânico

● ENIAC – ~1946– pesquisadores da universidade da

Pennsylvania desenvolveram o primeiro computador eletrônico

– O ENIAC (Electronic Numerical Integrator And Calculator) era composto por 18.000 válvulas e 1500 relés sendo capaz de realizar 5000 operações de adição por segundo ou 357 multiplicações por segundo. Sua programação era feita com o auxílio de cartões perfurados, podendo ler até 2 números por segundoSa

iba mais:

Saiba mais: www.museudocomputador.com.br

1a geração

● 1940-1952– Computadores à base válvulas à vácuo e

relés elétricos– Aplicação nos campos científico e militar– Linguagem de máquina– Armazenamento: cartões perfurados

Isaac Asimov - Evidence (conto) - robôs que imitam seres humanos

1a geração

● 1940-1952– Operadoras dos computadores, manipulando

linguagem de máquina

2a geração

● 1952-1964– Substituição da válvula pelo transistor

● Mais potência, mais confiabilidade, menos consumo e menor tamanho

– EDVAC → conceito de programa armazenado (ainda com válvulas)

– Ampliação das aplicações para as áreas administrativa e gerencial

– Linguagem de montagem (assembly) e de alto nível (COBOL, ALGOL, FORTRAN)

– Armazenamento: fitas e tambores magnéticos

2a geração

Computador EDVAC

3a geração

● 1964-1971– Circuito integrado substituiu o transistor

● Componentes miniaturizados– Software: multiprogramação, tempo real,

modo interativo– Armazenamento: memórias de semicondutores

(ex: RAM) e discos magnéticos (HD)

O primeiro disco rígidofoi lançado

pela IBM em 1957

3a geração

● 1964-1971– 1o. minicomputador → PDP 8 da DEC

● Custava 18 mil dólares● Pesava 300 kg

4a geração

● 1971-1981– Microprocessador

● Inclusão da CPU em um único circuito integrado

– Computador pessoal– Redes de computadores– Software: grande quantidade de linguagens

de programação– Armazenamento:

floppy disk (disquete)

4a geração

● O Apple II foi lançado em 1977 com teclado integrado, gráficos coloridos, sons, gabinete de plástico e 8 slots de expansão.

● O IBM PC utilizava o PC-DOS e possuia a BIOS como única parte de produção exclusiva da IBM.

5a geração

● 1981-?– Popularização dos microcomputadores– Componentes com altíssima escala de

integração (tecnologia VLSI)– Inteligência artificial– Altíssima e crescente velocidade de

processamento

Arquitetura de Von Neumann

Formalização do projeto lógico de um computador

● A característica de máquinas von Neumann é a composição do sistema a partir de 4 subsistemas básicos:

– CPU– Memória principal– Sistema de entrada– Sistema de saída

A maioria dos computadores atuais segue este modelo

Arquitetura de Von Neumann

● As instruções passaram a ser armazenadas na memória do computador. Até então elas eram lidas de cartões perfurados e executadas, uma a uma. Armazená-las na memória, para então executá-las, tornaria o computador mais rápido, já que, no momento da execução, as instruções seriam obtidas com rapidez eletrônica

● Esse modelo define um computador sequencial digital em que o processamento das informações é feito passo a passo, caracterizando um comportamento determinístico (ou seja, os mesmos dados de entrada produzem sempre a mesma resposta)

Arquitetura de Von Neumann

A CPU (Unidade Central de Processamento), por sua vez, tem 3 blocos principais:

● Unidade de Controle (UC)● Unidade Lógico-Aritmética (ALU)● Registradores

– inclui um registrador contador de programa (PC) que indica a posição da instrução a executar

Arquitetura de Von Neumann

Características:Características:● Utilização do conceito de programa armazenado

● Execução sequencial de instruções

● Existência de um caminho único entre memória e unidade de controle

Componentes do computador

Os componentes de hardware de um sistema de computador incluem dispositivos que auxiliam na função de entradaentrada, processamentoprocessamento, armazenamentoarmazenamento

de dados e saída.

Componentes do computador

Entrada:Entrada: convertem dados em forma eletrônica que pode ser entendido pela CPU. São os teclados, telas touch-screen, canetas óticas, mouses, microfone, scanners óticos, etc.

Componentes do computador

Processamento:Processamento: é o componente principal de um sistema de computador

– Controle:Controle: é o componente de controle do computador e está contido na CPU. Seus circuitos interpretam instruções de programas/algoritmos para o computador e transmitem ordens para os outros componentes do sistema computacional

Saiba mais: www.museudocomputador.com.br/encipro.php

Pentium Dual Core E-2160

Componentes do computador

Evolução dos microprocessadores

– X86-16 bits: 8086, 8088, 80186, 80188, 80286

– X8632 bits: 80386, 80486, Pentium, Pentium Pro, pentium II, Pentium III, Pentium IV, , Core, Celeron M, Celeron D, A100

– X86 64 bits: Pentium IV (alguns modelos), Pentium Extreme Edition, Celeron D

– ...

Saiba mais: http://ruisalema.tripod.com/processador.html

8086 – 16 bits

Componentes do computadorProcessadores Intel para PC (atuais):Processadores Intel para PC (atuais):

● i3: 2 núcleos, podendo simular até 4 núcleos, com a tecnologia Hyper-Treading; cache L3 até 4Mb

● i5: 2 ou 4 núcleos, sendo que o de 2 pode emular até 4 núcleos, com a tecnologia Hyper-Treading; tecnologia Turbo Boost (pode dobrar a velocidade do clock); cache L3 até 8Mb

● i7: 4 núcleos, podendo emular 12 núcleos, com tecnologia Hyper-Treading; tecnologia Intel HD Boost (compatibilidade os softwares que usam instruções avançados tipo SSE4); recurso Intel QPI (QuickPath Interconnect – aumenta a taxa de transferência e diminui a latência)

Saiba mais: http://www.tecmundo.com.br/processadores/3904-quais-as-diferencas-entre-os-processadores-intel-core-i3-i5-e-i7-.htm

Componentes do computador

Armazenamento:Armazenamento: memória principal (RAM), HD, SSD, disco flexível, fitas, CD-ROM, DVD, Pen drives, Blu-ray, ZIP disk, WORM disk, tambores magnéticos etc.

Componentes do computador

● Saída:Saída: convertem informações eletrônicas produzidas pelo computador em forma inteligível pelo homem. São os monitores de vídeo, impressoras, fones, caixas de som, etc.

CPUÉ o ponto focal de um computador, guiando todas as ações que se desenvolvem no sistema. É conhecido como processador, e é a parte que realiza as instruções de um programa de computador.

• Contém a Unidade Lógico-Aritmética (ULA) ou Arithmetic and Logic Unit (ALU), para executar todas as adições, subtrações, operações lógicas, etc.

• A ALU também contém diversos registradores, que funcionam como pequenas porções muito rápidas de memória, usadas para armazenar temporariamente os dados e as instruções utilizadas pela mesma

CPU

• Contém toda a lógica de controle, para coordenar as ações entre todos os elementos da CPU, assim como os outros componentes de hardware do computador

• A CPU geralmente está contida inteiramente em um único circuito integrado (CI), ou chip.

CPU

Saiba mais: http://informatica.hsw.uol.com.br/microprocessadores1.htm

MemóriaRAM - memória de acesso aleatório (Random Access Memory)→ A memória RAM contém bytes de informação e o microprocessador pode ler ou escrever nestes bytes, dependendo da linha de comando utilizada: RD ou WR

→ Um dos problemas dos chips RAM é que eles esquecem tudo uma vez que a energia é desligada

ROM - memória apenas para leitura (Read-Only Memory)

→ É programada de modo permanente

→ Ex: BIOS do computador

Cache – memória de acesso rápido que atua como intermediária entre a memória RAM e o processador

Saiba mais: http://www.tecmundo.com.br/hardware/1775-o-que-e-ddr-.htm

MemóriaPROM - memória programável (Programmable Random access memory)

→ É programada de modo permanente; não volátil

EPROM - memória programável apagável→ É programada de modo semi-permanente; utiliza luz UV para apagar os dados

EEPROM - memória programável eletricamente apagável

→ É programada de modo semi-permanente; apaga os dados eletricamente, no nível de bytes

Flash –

→ Não volátil; é muito rápida; apagável eletricamente em blocos

Placa-mãe

Execução de instrução

Durante sua operação, a execução de um programa é uma sequência de ciclos de máquina Von Neumann, compostos por:

● 1. Busca da instrução (fetch): transfere instrução da posição de memória apontada por PC para a CPU

– Busca e decodificação● 2. Execução da instrução: a unidade de controle decodifica a instrução e gerencia os passos para sua execução pela ALU

– Execução e armazenamento dos resultados

Hardware de Armazenamento● É um dispositivo capaz de armazenar informações (dados) para posterior consulta ou uso.

– A gravação de dados pode ser feita praticamente usando qualquer forma de energia, desde força manual humana como na escrita, passando por vibrações acústicas em gravações fonográficas até modulação de energia eletromagnética em fitas magnéticas e discos ópticos.

● Tipos:– Magnéticos: disquete, disco rígido (ex: HD IDE

SATA)

– Óticos: CD, DVD– Eletrônicos (SSD) – disco SSD, cartão de

memória, pen drive

Hardware de E/S

● Um dispositivo se comunica com o computador enviando sinais por um meio (cabo ou ar)

● A comunicação se dá por meio de um ponto de conexão (porta) → Ex: porta serial, porta paralela

● Barramento: conjunto de fios e um protocolo rigidamente definido que especifica um conjunto de mensagens

– A transmissão de dados é feita por padrões de voltagens elétricas aplicadas aos fios com tempos definidos

– Ex: da memória RAM para o disco rígido (HD)

Hardware E/S

Dispositivos são os meios pelos quais o usuário interage com a máquina

● Dispositivos de interfaceDispositivos de interface:– Entrada:

● Teclado, mouse, caneta ótica, scanner, microfone, monitor touch-screen, câmera

– Saída:● Impressora, fax, plotter, monitor

– Entrada/Saída:● Modem, placa de rede

● Dispositivos de memóriaDispositivos de memória:: memória RAM, disco, fita, pen drive, CD, DVD, SD, flash memory

Hardware E/SComunicação entre o SO e os dispositivos → barramento, controladora, porta

Hardware E/S

Controladora: é uma coleção de circuitos eletrônicos que podem operar uma porta, um barramento ou um dispositivo

– Tem como funções: controle e temporização, comunicação com o processador, comunicação com os dispositivos, armazenamento temporários de dados, e detecção de erros

– Tem um ou mais registros de dados (registro data-in e registro data-out) e sinais de controle (registro status e registro control)

Hardware E/S

Controladora– Recebem as requisições do SO e disponibilizam

um meio de comunicação mais simples com os dispositivos

Hardware E/SSaiba mais: www.hardware.com.br/dicas/corrida-dos-barramentos.html

Barramento: conjunto de fios condutores para interconexão, que possui um protocolo (regra de comunicação), que define quais dados podem ser transmitidos

– ISA● 8 bits no IBM PC● 16 bits (5-8 Mb/s) no AT-286

– PCI● 32 bits (132 Mb/s) → 64 bits (512 Mb/s)● Plug-and-Play● Bus mastering: permite aos dispositivos

ler e gravar na memória RAM, sem interferência do SO

Hardware E/S

Porta: consiste de 4 registradores(1) entrada de dados: lido pela CPU para obter entrada

(2) saída de dados: lido pela CPU para enviar saída

(3) status: bits que indicam se o comando foi completado, se há dado disponível para leitura ou se houve erro

(4) controle: escrito pela CPU para solicitar uma requisição ou alterar o modo de um dispositivo

Hardware E/S

Porta - tipos– Serial (RS-232 ou DB9): os bits

são transferidos em fila. Utiliza 9 fios (pinos) para a transferência de dados

– Paralela (DB25): os bits são transferidos em grupos (geralmente um byte) por vez, através de diversas linhas condutoras de sinais

Saiba mais: www.hardware.com.br/artigos/evolucao-portas

Hardware E/S

Porta - tipos– USB (Universal Serial Bus) → um padrão

● Aceita ligação de até 127 dispositivos através de uma única porta, usando um Hub

● Plug-and-Play

Hardware E/S

Conectores● É um dispositivo que efetua a ligação entre uma porta de saída de um determinado equipamento e a porta de entrada de outro (por exemplo, entre um computador e um periférico)

● Existem conectores machos e conectores fêmeas● Existem também vários tipos diferentes de conectores: DB-9, DB-25, DIN, mini-DIN, VGA, SVGA, RCA, S-Vídeo, HDMI, etc.

● Atualmente, os conectores estão começando a serem substituídos pela tecnologia wireless (Wi-fi)

Hardware E/S

Conectores - tipos– DB (9 ou 25 pinos)

É um tipo comum de conector, usado principalmente em computadores

● Destinado a comunicações seriais● Foram inventados pela Canon● Originalmente, DB se referia

exclusivamente ao conector D (por conta do formato) com 25 pinos, porém a IBM acabou popularizando o conector de 9 pinos como DB-9, ao invés de DE-9

Saiba mais: http://informatica.hsw.uol.com.br/portas-seriais2.htm

Hardware E/S

Conectores - tipos– VGA

● Padrão gráfico● 256KBytes de memória de vídeo em RAM● Modos de 16 e de 256 cores● Paleta de 262144 cores (2^18: seis bits

[64 valores] para cada uma das componentes de vermelho, verde e azul)

● Resolução máxima de 800 x 600 pixels● SVGA é sua evolução● Está presente nos monitores CRT, TV LCD,

TV de Plasma e projetores multimídia

Hardware E/S

Conectores - tipos– DINDIN

● Eram inicialmente utilizados para conexão entre equipamentos de áudio de origem européia (Philips, Grundig e Telefunken, entre outros)

● São utilizados atualmente em periféricos de legado da plataforma IBM PC como teclados, mouses e periféricos de vídeo

● Existem diversas formas, com quantidade de pinos, tamanhos e cores diferentes que ajudam na identificação da função do equipamento que o utiliza

Hardware E/S

Conectores - tipos– RCARCA (Radio Corporation of America)

● São comumente utilizados em equipamentos eletrônicos

● Foram idealizados visando minimizar a interferência em sinais de pequena amplitude

● Plugues e soquetes no equipamento tem cores convencionalmente codificadas para auxiliar as conexões corretas

Hardware E/S

Conectores - tipos– S-VídeoS-Vídeo

● Utilizado para conectar TV, DVD players, videocassetes e vídeo-games

● É limitado a uma distância maior que 5 metros

● Transmite áudio e vídeo

Hardware E/S

Conectores - tipos– HDMIHDMI (High-Definition Multimedia Interface)

● Interface condutiva digital de áudio e vídeo capaz de transmitir dados não comprimidos

● Suporta através de um único cabo qualquer formato de vídeo TV ou PC, incluindo os modo Standard, Enhanced, e Alta Definição e até 8 canais de áudio digital

● É compatível com o High-bandwidth Digital Content Protection (HDCP), que é um sistema anti-pirataria

Interface de E/SCaracterísticas dos dispositivos de I/O● Fluxo de caracteres ou bloco: a transferência de dados em fluxo de caracteres é bit a bit; o outro transfere em blocos

● Acesso sequencial ou aleatório● Síncrono ou assíncrono: a transferência de dados é feita com tempos de resposta previsíveis ou não

● Compartilhável ou dedicado: há partilha concorrente por vários processos ou não

● Velocidade de operação: vai de alguns bytes/s a Gb/s

● Leitura/escrita, somente leitura ou somente escrita

Interface de E/S● Dispositivos de bloco

– Ex: discos rígidos, pen drive, CD, DVD, SD, disquete

– Comandos básicos: read(), write() e seek()– Modos de acesso:

● Acesso de alto nível através de interface de sistemas de arquivos

● Acesso de baixo nível através de array linear de blocos

● Acesso a memory-mapped files colocadas no topo do block-device drivers. Uma memory-mapped interface fornece acesso ao disco através de um array de bytes em memória principal

Interface de E/S

● Dispositivos de caracter (stream character)– Ex: teclado, mouse, caneta ótica– Comandos básicos: get(), put()– No topo da interface, é possível

construir bibliotecas para edição de linhas

● p.ex: eliminar um caracter do input stream através do backspace

Interface de E/S● Dispositivos de rede

– Ex: modem, placa de rede– Tem interface bem diferentes da read-

write-seek dos discos– Unix e Windows NT/9i/2000 usam interface

de sockets● Há separação entre o protocolo da

rede e o funcionamento da rede● Inclui a funcionalidade select para

manipular conjunto de sockets

Para refletir...

Qual a influência que cada dispositivo mais

comumente utilizado tem na performance do sistema

computacional?Como seria a configuração

ideal para um PC de usuário? E para um

servidor de aplicações?

Referências● BROKSHEAR, J. Ciência da Computação: uma visão abrangente. 7.

ed. São Paulo: Artmed Editora, 2003. Cap. 1 e 2

● LAUDON, K.; LAUDON, J. Sistemas de Informação: com Internet. Tradução de Dalton Conde de Alencar. 4. ed. Rio de Janeiro: Editora LTC, 1999. Cap. 4

● O'BRIEN, J. Sistemas de Informação e as decisões gerenciais na era da Internet. Tradução de Célio Knipel Moreira e Cid Knipel Moreira. 2. ed. São Paulo: Saraiva, 2004. Cap. 3

● SILBERSCHATZ, A.; GALVIN, P.; GAGNE, G. Sistemas operacionais com Java. Tradução de Daniel Vieira. Revisão técnica de Sérgio Guedes de Souza. 7. ed. Revista e ampliada. Rio de Janeiro: Elsevier, 2008. Cap. 13

● TANENBAWN, A. Organização Estruturada de Computadores. Tradução de Hélio Marques Sobrinho e Luiz Fernando Costa. 3. ed. Rio de Janeiro: Prentice Hall, 1992. Cap. 1 e 2

● TANENBAWN, A. Sistemas operacionais Modernos. Tradução de Nery Machado Filho. Rio de Janeiro: Prentice Hall, 1995. Cap. 5

Vídeos sugeridos (1)

● História do computador em minutos: www.youtube.com/watch?v=F3qWg1JBPZg

● Eniac: o primeiro computador eletrônico: www.youtube.com/watch?v=ZMXXZAQW0-Y

● Dicas para uso de computadores: www.youtube.com/watch?v=DwrQJpn0IQw

● Viagem dentro do computador: www.youtube.com/watch?v=0A4CxxJ9h24

● Como funciona um HD: www.youtube.com/watch?v=9QePnWV7ztE

● Placa-mãe em detalhes: http://www.youtube.com/watch?v=zqWKDzlIssU

Vídeos sugeridos (2)● Introdução à informática – Aulas

– Dados e informação (Aula 1 – parte 1): www.youtube.com/watch?v=hF3KPvF7mgM

– Hardware e softwares (Aula 1 – parte 2): www.youtube.com/watch?v=_Fl9wC0b81A

– Dispositivos de entrada de dados (Aula 1 – parte 3): www.youtube.com/watch?v=yvkIfMX6kcM

– Dispositivos de saída de dados (Aula 1 – parte 4): www.youtube.com/watch?v=t5nofQupvt4

– Periféricos (Aula 1 – parte 5): www.youtube.com/watch?v=jYsP_RGqXyM

– Clock (Aula 1 – parte 6): www.youtube.com/watch?v=ax6f1lnJgXU

– Taxa de transferência (Aula 1 – parte 7): www.youtube.com/watch?v=z2k6x8RGMyA