CONSTITUÇÃO BÁSICA DO HARDWARE DOS COMPUTADORES DIGITAIS

CONSTITUÇÃO BÁSICA DO HARDWARE DOS

COMPUTADORES DIGITAIS

Tema 1 | Conferência 1 | Computaçao I

MSC. Henry Raúl González Brito

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Contenúo

• Introdução• Características dos

Computadores• Evolução dos Computadores• Geração do Computadores• Classificação dos

Computadores• Aplicação dos Computadores

• Arquitectura de Computadores(Von Neumann Computer)• Componentes de um Sistema

Computacional

• Unidade Central de Processamento

• Unidade Aritmética Lógica (ALU)• Unidade de Controle (UL)• Registos

• Unidadede Memória• Memória de Acesso Aleatório (RAM)• DRAM VS SRAM• Tamanho e Endereços de Memória• MemórioSomente de Leitura (ROM)• Memória Segundaria

• Unidades de Entrada e Saída• Periféricosde Entrada• Periféricosde Saída

• Barramentos• Barramentode Dados• Barramentode Endereço• Barramentode Controle

Objectivos

• Introduzir os estudantes ao estudo da informática efamiliarizá-los com os computadores digitais, tanto nosaspectos de hardware como de software. Apresentar-lhes asestruturas de dados básicas e iniciá-los no desenvolvimentode programas computacionais usando uma linguagem deprogramação de alto nível (C/C++).

Programa de la asignatura

1. Constituição Básica do Hardware dos Computadores Digitais: UnidadeCentral de Processamento. Memórias. Dispositivos de Entrada e Saída.Barramentos e Arquiteturas.2. Noções Básicas sobre o Software dos Computadores Digitais.3. Visão Geral dos Sistemas Operacionais: Funções Básicas. Tipos deSistemas Operacionais.4. Conceito de Programa: Instruções. Endereçamento. Modularização.5. Linguagens de Programação: Tipos de Linguagens.6. Algoritmos e Fluxogramas: Conceito de Algoritmo. Métodos para aConstrução de Algoritmos. Tipos de Algoritmos. Pseudocódigos.7. Estruturas de Atribuição, Sequenciação, Decisão e Repetição.8. Estruturas de Básicas Dados: Vectores. Listas Lineares.9. Introdução ao Estudo das Linguagens de Programação, Utilizando asLinguagens C e C++. Desenvolvimento de Programas em C e C++.

Bibliografía

• ASCENCIO, A. F. G. e CAMPOS, E. A. V. - Fundamentos da Programação de

• Computadores: Algoritmos, Pascal e C/C++; São Paulo: Prentice Hall, 2002.

• GUIMARÃES, A. M. e LAGES, N. A. C. - Algoritmos e Estruturas de Dados;

• Rio de Janeiro: Livros Técnicos e Científicos, 1994.

• VELOSO, P.; Dos SANTOS, C e AZEREDO, P. - Estruturas de Dados; 3ª ed.;

• Rio de Janeiro: Editora Campus, 1985.

• MIZRAHI, V. V. – Treinamento em Linguagem C++; São Paulo: Pearson

• Prentice Hall. 2006.

Introdução

O Homem concebeu o computador para realizar cálculos, processamento de dados e entretenimento.

Atualmente os computadores estão em toda parte.

Características dos Computadores

Entretanto analisemos aqui, sete características que fazem do computador uma parte essencial para as tecnologias

emergentes, e ferramentas indispensáveis para desenvolvimento humano:

•Velocidade: Os computadores processam dados a um ritmoextremamente rápido ou seja em milhões ou bilhões de instruçõespor segundo. Em segundos, um computador pode executar umatarefa enorme, que um ser humano levaria dias ou até mesmo anospara ser concluída. A velocidade de processamento de computador émedida em megahertz (MHz).

•Precisão: Além de ser eficiente, os computadores também sãomuito precisos. O nível de exatidão depende das instruções e do tipode máquinas em uso.


•Fiabilidade: Geralmente, a fiabilidade é a medida dedesempenho de um computador, que é medida contra um padrãopré-determinado para o funcionamento sem qualquer falha.

•Versatilidade: Computadores são bastante versáteis pornatureza. Eles podem realizar múltiplas tarefas simultaneamente comigual facilidade.

• Capacidade de armazenamento: Os computadores podemarmazenar grandes quantidades de dados e pode recordar asinformações necessárias quase instantaneamente. A memória docomputador é relativamente pequena e pode ter apenas uma certaquantidade de informação. Portanto, os dados são armazenados emdispositivos de armazenamento tais como a fita magnética ou discos.


•Diligência: o computador, sendo uma máquina, não sofre ostraços humanos de cansaço e falta de concentração.

•Compartilha recursos: Os computadores de hoje têm acapacidade de se conectar com outros. Isso fez com que ocompartilhamento de recursos, como impressoras fosse possíveis.Além do compartilhamento de dispositivos, dados e informaçõestambém podem ser compartilhados entre grupos de computadores

Evolução dos Computadores

Geração dos Computadores

Classificação dos Computadores

• Hoje, os computadores estão disponíveis em diferentestamanhos e tipos.

• Uma pessoa pode ter um computador que cabe na palma damão e outros podem ocupar o quarto inteiro.

• Alguns computadores são concebidos para seremusados por um único utilizador, apenas, enquanto quealguns computadores podem lidar com as necessidades demuitos utilizadores em simultâneo.

• Computadores também diferem com base em suashabilidades de processamento de dados.

• Em geral, os computadores podem ser classificados deacordo com a finalidade a manipulação de dados efuncionalidade.

Classificação dos ComputadoresC

lass

ific

ação

do

s C

om

pu

tad

ore

sPurpose

General

Specific

Data Handing

Analog

Digital

Hybrid

Functionaly

Mini

Mainframe

Super

Micro

Laptop

Desktop

Hand-held

Aplicação dos Computadores

• Nas últimas décadas, a informática tem revolucionado osnegócios e outros aspectos da vida humana em todo omundo.

• Praticamente, toda empresa, grande ou pequena, é agoradireta ou indiretamente dependentes de computadores paraprocessamento de dados.

• Sistemas de computador também ajudar nas operaçõeseficientes de transporte ferroviário e aéreo reserva, registroshospitalares, contas de banco eletrônico e assim por diante.Computadores não só poupar tempo, mas tambémeconomizar papel trabalho.

Aplicação dos Computadores - Ciência

Cientistas têm vindo a utilizar computadores para desenvolverteorias e para analisar e testar os dados. A alta velocidade eprecisão do computador permitir diferentes análisescientíficas a realizar

Aplicação dos Computadores - Educação

Os computadores também revolucionou todo o processo deeducação. Atualmente, as salas de aula, bibliotecas e museussão eficientemente utilizando computadores para fazer aeducação muito mais interessante.

Aplicação dos Computadores - Entretenimento

Computadores estão encontrando maior uso na indústria do entretenimento.

Aplicação dos Computadores - Engenharia / Arquitetura / Indústria

Os arquitetos e engenheiros estãoamplamente usando computadores naconcepção e desenhos. Os computadorespodem criar objetos que podem ser vistosem três dimensões. As fábricas estão usandobraços robóticos computadorizados pararealizar trabalhos perigosos.

Aplicação dos Computadores - Publicação

Computadores têm criado um campoconhecido como editoraçãoeletrônica (DTP). Em DTP, com a ajudade um computador e uma impressoralaser pode-se realizar o trabalho depublicação tudo por si próprio.

Aplicação dos Computadores - Comunicação

E-mail ou correio eletrônico é um

dos meios de comunicação no

qual o computador é utilizado.

Aplicação dos Computadores - Banca

Computadores são amplamente

utilizados na área da banca e

finanças. As pessoas podem usar o

ATM (caixa automática) serviços 24

horas por dia para depositar e retirar

dinheiro. Quando diferentes ramos

do banco estão conectados através

de redes de computadores, as

transações interprofissional, como

cheques e projectos podem ser

realizado sem qualquer atraso.

Aplicação dos Computadores - Medicina e Saúde

Houve um aumento do uso de

computadores no campo da medicina.

Agora, os médicos estão usando

computadores desde o diagnóstico da

doença, para monitorar o estado de um

paciente durante uma cirurgia complexa.

Usando técnicas de imagem automáticos,

os médicos são capazes de olhar para

dentro do corpo de uma pessoa e pode

estudar cada órgão em detalhes.

Arquitetura Concepcional de um Computador

Modelo de Von Neumann

Componentes de um Sistema Computacional

Todos os computadores têm quatro partes principais

COMPONENTE FUNÇÃO

Unidade Central de

Processamento(CPU)

O CPU é tido como o cérebro do computador, pelafunção que desempenha. É o componente responsávelpelo controle e execução das instruções no computador.

Unidade de Memória

A memória é onde os dados e instruções de programasão armazenados, enquanto são processadas pelo CPU.

Unidades de Entrada e Saída

As unidades de E/S, são usadas para comunicar Unidadesde Entrada e Saída informações entre os humanos e ocomputador e vice-versa

Barramentos São canais de comunicação, usados pelo CPU edispositivos E/S para busca e armazenamento de dados edados e intruções na memória.

Unidade Central de Processamento (CPU)

É referida como o "cérebro" de um sistema de computador. Éum chip VLSI no interior do sistema, ligado à placa-mãe. Umprocessador controla todos os dispositivos internos eexternos, e executa operações aritméticas e lógicas. Umprocessador opera apenas em dados binários, ou seja, dadoscompostas de 1s e 0s. Estes 1s e 0s correspondem aosinterruptores elétricos sendo ligado ou desligado.

Unidade Central de Processamento (CPU)

• As funções de um processador podem ser resumidas da seguinteforma:• Realização de funções aritméticas e lógicas.• Controlar o uso de memória de armazenamento principal para

armazenar dados e instruções.• Controlar a sequência de operações.• Controlar todas as partes do sistema de computador.

• O CPU é constituído por três subsistemasprincipais: a Unidade Aritmética/ Lógica(ALU), a e os Unidade de Controlo(CU)Registos.

• Estes três subsistemas trabalham juntos para fornecercapacidades operacionais para o computador.

Contém o circuito eletrônico que executa todas operaçõesaritméticas e lógicas sobre os dados disponíveis. Os dadosnecessários para realizar as funções aritméticas e lógicas são asentradas do registo designado. A ALU compreende duas unidades:uma unidade aritmética e uma unidade lógica.

CPU - Unidade Aritmética/Lógica (ALU)

Unidade aritméticaCálculos aritméticos

A unidade lógicaOperações lógicas

Contém o circuito que é responsável

por executar os cálculos aritméticos,

como adição, subtração,

multiplicação e divisão. Tais

operações são realizadas auma

velocidade muito alta (nano

segundos).

A unidade lógica e permite que a CPU

para fazer operações lógicas com base

nas instruções fornecidas. Estas operações

são a comparação lógica entre os itens de

dados. A unidade lógica pode comparar

números, letras ou caracteres especiais

e poderá então agir com base no

resultado da comparação.

CPU - Registros

Os registros são para fins especiais, unidades de memóriatemporária de alta velocidade. Estes são• Áreas de armazenamento temporário para guardar diversos

tipos de informações como dados, instruções, endereços eresultados intermediários de cálculos.

• Essencialmente, eles contêm a informação que a CPU estáprocessar no momento.

• Os registos podem ser pensados como sendo a memória detrabalho da CPU, são locais de armazenamento especial, queoferece a vantagem da velocidade. Os registos trabalham sobredireção da unidade de controle que aceita, mantem etransfere instruções e dados de operações de comparação,aritméticas ou lógicas em alta velocidade.

CPU - Unidade de Controle

• A unidade de controlo pode ser considerado como o coração da CPU. Estacontrola os dispositivos de E/S e transfere dados para e a partir da memóriaprincipal. Ela própria é controlada pelas instruções individuais em programaslocalizados na memória principal. As instruções são recuperadas damemória principal, um de cada vez. Para isso, a unidade de controlo utiliza oregisto de instruções para guardar a instrução corrente, e um ponteiro deinstruções para selecionar o endereço da próxima instrução.

• Cada instrução é interpretada (descodificada) de modo que esta pode serexecutado. Com base nas instruções, a unidade de controlo controla como asoutras partes da CPU e, por sua vez, o resto do sistema do computador devefuncionar de modo a que as instruções são executadas de uma forma correta.

• Uma analogia pode ser considerada entre a unidade de controle e o polícia detrânsito, a unidade de controle decide que ação irá ocorrer, assim como o políciade trânsito toma as decisões em quais das vias/sentido o tráfego deve passar ouparar e por quanto tempo.

Unidades de Memória

A memória é a parte do computador, que contémdados e instruções de processamento. A memóriaarmazena instruções de programas e dados somenteenquanto estes tiverem em operação. A CPU acessa amemória principal de uma maneira aleatória, isto é, oprocessador pode aceder a qualquer localização dessamemória para ler ou armazenar informação nesta. Porém, amemória do computador refere-se ao local dearmazenamento eletrônico de instruções e dados que oprocessador pode alcançar rapidamente. Estas podem serclassificadas em

Unidades de Memória - Categorias gerais

Memórias Primárias: As que permitem o computador armazenardados para manipulação de imediato e manter o controle do queestá sendo processado. A principal limitação deste tipo de memóriaé de normalmente serem voláteis. Isso significa que, quando aalimentação é desligada, o conteúdo da memória principalsãoperdidos para sempre.

Memórias Secundárias: As que permitem armazenar dados eprogramas de forma permanente, um computador requer algummeio de armazenamento não volátil, como disco rígido, fitasmagnéticas, pendrives etc.

Hierarquia de Memórias

Memórias interna do Processador: Esta memórias são

colocadas no interior da CPU (processador) e estão

ligadas por barramento especial. Memórias interna da CPU

geralmente inclui as memórias cache e registos especiais, que

podem ser acessadas diretamente pelo processador. Estes

tipos de memória são usadas para o armazenamento

temporário de dados e instruções em que a CPU está

processar no momento.


Memória de Acesso Aleatório (RAM-Random Access Memory):

Também conhecida por memória principal, é tida como a

mesa de trabalho da CPU. Ela permite o armazenamento

temporário de dados e instruções, a serem processadas

de pela cpu. É nesta memória onde o sistema operativo,

aplicativos e dados diversos são armazenados, para que

possam ser rapidamente acessados pelo processador.


Memória de Acesso Aleatório estática (SRAM): Esta tipo dememória RAM retém os dados, desde que a energia é fornecida parao chip de memória. Ele não necessita de ser "refrescado" (pulso decorrente através de todas as células de memória) periodicamente. Émuito rápida, e também mas que DRAM. SRAM é frequentementeutilizada como memória cache, devido à sua alta velocidade defuncionamento.

Memória de Acesso Aleatório Dinâmica (DRAM): Este tipo dememória RAM, ao contrário SRAM, deve ser continuamenteactualizada “refreshed” para manter os dados. Isto é feito porcolocar a memória sobre um circuito de actualização que rescreveos dados a centenas vezes por segundo. DRAM é usada em muitossistemas de memória por ser mais barata e pequenas.


Memória Somente de Leitura (ROM-Ready Only Memory):Este chipespecial, onde as instruções de arranque são armazenadas, échamado de memória apenas de leitura (ROM). E não é volátil pornatureza, ou seja, seu conteúdo não são perdidos quando a energiado computador é desligada. Os dados e instruções armazenados naROM só podem ser lidos e usados, mas não podem ser alterados ,tornando assim as memórias ROM, muito mais seguro quememória RAM. As memórias ROM são utilizadas não só emcomputadores, mas também em outros artigos electrónicos, comomáquinas de lavar roupa, micro-ondas etc.


Organização da Memória Principal

A memória principal de um sistema decomputador é organizada em uma matriz depequenas áreas de armazenamento conhecidascomo células, os quais estão ligados entre si emsérie. Cada célula é indexada por um númeroúnico, chamado o endereço de célula, sendocapaz de armazenar um número fixo de bits,chamado de comprimento da palavra damemória. Os endereços para as células dememória são atribuídos de um modo sucessivo,com endereço inicial em 0 e o endereço maiselevado, sendo menor que o número total depalavras que podem ser armazenadas namemória. Por exemplo, se a memória principaltem 256 localizações, então o endereço varia de0 a 255.

Organização da Memória Principal

O comprimento da palavra é um fator importante de arquitetura, que

normalmente se relaciona com o CPU, definindo geralmente o

tamanho em bits dos seus registos. Os comprimentos de palavras

normalmente variam de 8, 16, 32 bits para 64 bits e,

consequentemente, os computadores são denominados como

sendo de 8-bit, 16-bit, 32-bit e 64-bit respectivamente. Quanto

maior for o número de bits por palavra, mais rápido é o fluxo do

sinal eletrónico, como resultado, o computador torna-se mais rápido.

Unidades de Entrada e Saida (E/S)

• Na terminologia de computadores, um dispositivo pode serreferido como sendo uma unidade de hardware, que é capaz deproporcionar a entrada para ou saída do computador, ou emalguns casos ambos, de informações.

• Os dispositivos de entrada: é toda unidade de hardware quepermite alimentar com informação (dados e comandos) umcomputador e proporciona os meios de comunicação entre ocomputador e o mundo exterior.

• São dispositivos de Entrada: Teclado, Rato, Scanner, Joystick,Caneta óptica, webcam etc

Unidades de Entrada e Saida (E/S)

• Os dispositivos de saída: é toda unidade de hardware quepermite que converter as informações ilegíveis (em linguagemmáquina ou binária) processadas pelo computador, para umformato legível e compreensíveis ao ser humano. Porém, os dadosde saída produzidos por um computador, podem ser varias formas:texto, gráficos, áudio, vídeo etc.

• São dispositivos de Saída: Impressora, Monitor, fones etc.

Barramentos

É um conjunto de ligações entre dois ou mais componentes, com oqual se transfere dados ( conjunto de bits) de uma origem para umdestino. É também uma canal de transferência de informação. Umbarramento consiste de múltiplos condutores, que são tambémdesignados como linhas e cada condutor é capaz de transferirum bit de cada vez. Assim, para transmitir simultaneamente oitobits ao longo de um barramento, oito condutores são necessárias.Além disso, outros condutores são ainda necessários para controlo datransferência. Um barramento pode ser unidirecional (transmissão dedados num só sentido) ou bidirecional (transmissão de dados emambos os sentidos).

Barramento de Dados

O barramento de dados permitem mover os dados entre osmódulos ou unidades do sistema. Normalmente, um barramentode dados é constituído por 8, 16 ou 32 condutores separados.O número de condutores presentes em um barramento de dados échamado de largura do barramento de dados. A Largura dobarramento de dados limita o número máximo de bits quepodem ser transmitidos simultaneamente entre dois módulos. Alargura do barramento de dados ajuda na determinação dodesempenho global de um sistema de computador.

Barramento de endereços

Barramento de endereço são usados para designar a origem dosdados para o barramento de dados. Como a memória é ser divididaem matriz linear de bytes ou palavras, para ler ou escrever qualquerinformação sobre a memória, a CPU precisa especificar oendereço de um local particular. Este endereço é fornecido pelobarramento de endereços. A largura do barramento de endereçosde memória especifica o máximo possível de memória, suportado porum sistema. Por exemplo, se um sistema dispõe de 16 bits de largurapara o barramento de endereços, então este pode suportar memóriasde tamanho igual a 2^16 (ou 65536) bytes.

Barramento de Controle

São usadas para controlar o acesso a os dados e ao barramento deendereços. Isto é necessário, pelo factos dos barramentos seremmeios partilhados. Estas linhas são utilizadas para a transmissão decomandos e sinais de temporização (com os quais se valida osdados e endereços) entre os módulos do sistema. Sinais detemporização indicam se os dados e informação de endereço sãoválidas, enquanto que os sinais de comando, especificam asoperações que devem ser realizadas. Alguns condutores dobarramento de controlo são necessários para fornecer sinais deClock para sincronizar as operações e repor sinais para inicializaros módulos. O barramento de controle também são necessáriospara leitura/escrita de dispositivos E/S ou memória.

Tarefa

1. Evolução dos Computadores

2. Geração do Computadores

3. Classificação dos Computadores

4. Arquitectura de Computadores(Von Neumann Computer)

5. Unidade Central de Processamento

6. Unidadede Memória

7. Unidades de Entrada e Saída

8. Barramentos

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