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FUNDAMENTOS DAINFORMÁTICA

A unidade central de processamento:

O que acontece dentro do computador

OBJETIVOS DA AULA

04/05/2016 IFPR QUEDAS DO IGUAÇU – FUNDAMENTOS DA INFORMÁTICA - DANILO GIACOBO 2

Identificar os componentes da unidade central de processamento e explicar como elesfuncionam juntos e interagem com a memória.

Descrever como as instruções do programa são executadas pelo computador.

Explicar como os dados são representados no computador.

Descrever como o computador localiza instruções e dados.

Descrever os componentes da placa-mãe (motherboard) da unidade de sistema de ummicrocomputador.

Relacionar as medidas de velocidade de processamento do computador e explicar astécnicas que aumentam a velocidade.

PARA DESCONTRAIR

04/05/2016 3IFPR QUEDAS DO IGUAÇU – FUNDAMENTOS DA INFORMÁTICA - DANILO GIACOBO

UNIDADE CENTRAL DE PROCESSAMENTO

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• O computador executa seu principal trabalho em uma parte da máquina que nãopodemos ver: um centro de controle que converte entrada de dados em saída deinformação.

• Esse centro de controle, denominado unidade central de processamento (CPU), é umconjunto altamente amplo e complexo de circuitos eletrônicos que executam instruçõesarmazenadas de um programa.

• Todos os computadores, de pequeno e grande porte, devem ter pelo menos uma CPU.

• A CPU consiste em duas partes: a unidade de controle e a unidade lógica e aritmética.

• A CPI interage estreitamente com o armazenamento primário ou memória.

• A memória retém dados apenas por algum tempo, enquanto o programa estivertrabalhando com ela.

IFPR QUEDAS DO IGUAÇU – FUNDAMENTOS DA INFORMÁTICA - DANILO GIACOBO

UNIDADE CENTRAL DE PROCESSAMENTO


A unidade central de processamento

As duas partes da CPU são a unidade de

controle e a unidade lógica e aritmética. A

memória retém temporariamente dados e

instruções, enquanto o programa do qual

fazem parte está em execução. A CPU

interage estreitamente com a memória,

recorrendo a ela tanto para obter instruções

como dados.

A UNIDADE DE CONTROLE

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• A unidade de controle contém circuitos que usam sinais elétricos para coordenaro computador inteiro para realizar ou executar instruções armazenadas de umprograma.

• Como um maestro de orquestra, a unidade de controle não executa instruçõesde programa; ao contrário, ela comanda outras partes do sistema para isso.

• A unidade de controle deve comunicar-se tanto com a unidade lógica earitmética quanto com a memória.

• A Unidade de Controle (UC), em inglês: control unit (CU), é responsável porgerar todos os sinais que controlam as operações no exterior do CPU, e aindapor fornecer todas as instruções para o correto funcionamento interno do CPU.


A UNIDADE LÓGICA E ARITMÉTICA

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• A unidade lógica e aritmética (ULA), ou do inglês arithmetic/logic unit – ALU, contém oscircuitos eletrônicos que executam operações lógicas e aritméticas.

• A ALU realiza quatro tipos de operações ou cálculos matemáticos: adição, subtração,multiplicação e divisão.

• Ela também executa operações lógicas ou comparações.

• As operações lógicas podem testar três condições: condição de igualdade, condiçãomenor que e condição maior que.

• Os símbolos que os programadores usam para informar ao computador que tipo decomparação executar são chamados de operadores relacionais.


REGISTRADORES: ÁREAS DE ARMAZENAMENTO TEMP.

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• Registradores são áreas de armazenamento temporário de alta velocidade queservem a propósitos especiais e destinam-se a instruções ou dados.

• Eles não fazem parte da memória; eles ficam dentro da própria CPU.

• Os registradores são coordenados pela unidade de controle de modo que aceitem,guardem e transfiram instruções ou dados e façam comparações aritméticas ou lógicasem alta velocidade.


MEMÓRIA

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• A memória também é conhecida por armazenamento primário, memória primária,armazenamento principal e memória principal.

• Os fabricantes geralmente usam o termo RAM, que é a sigla de Random-Access Memory(memória de acesso aleatório).

• Memória é a parte do computador que mantém dados e instruções a serem processados.

• A memória armazena instruções de programa ou dados apenas enquanto o programa aoqual eles pertencem estiver em execução.

• O armazenamento secundário é mais eficiente em termos de custo do que a memória paraarmazenar grandes quantidades de dados.


COMO A CPU EXECUTA INSTRUÇÕES DE PROGRAMA

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• O que determina a “velocidade” de um processador é quantidade de instruções que ele écapaz de executar por segundo.

• A essa “velocidade” se dá o nome de clock e utiliza-se a medida Hertz (Hz) para calculá-la, sendo um 1Hz equivalente a 1 instrução por segundo.

• Um computador pessoal com processador de 2,4 GHz consegue executar em média 2bilhões e 400 milhões de instruções por segundo.

• Antes de uma instrução ser executada, instruções e dados do programa devem sercolocados na memória por meio de um dispositivo de entrada um de um dispositivo dearmazenamento secundário.

• Assim que os dados e instruções necessários estão na memória, a unidade central deprocessamento executa as quatro etapas (que estão no slide a seguir) para cada instrução.



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1. A unidade de controle busca (obtém) a instrução na memória e a coloca em um registrador.

2. A unidade de controle decodifica a instrução (determina o que ela significa) e define alocalização, na memória, dos dados necessários. Essas duas primeiras etapas juntas sãochamadas de tempo de instrução ou I-time.

3. A unidade de controle transfere os dados da memória para os registradores da unidadelógica e aritmética. A ULA executa a instrução lógica ou aritmética. Ou seja, a ULA recebeo controle e executa a operação real nos dados.

4. A unidade de controle armazena o resultado dessa operação na memória ou em umregistrador. As etapas 3 e 4 juntas são chamadas de tempo de execução ou E-time.




O ciclo de máquina

Instruções e dados do programa são

transferidos para a memória de um fonte

externa, seja um dispositivo de entrada seja

mídia de armazenamento secundário. O ciclo

de máquina executa uma instrução por vez.


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A unidade de controle instrui a máquina a enviar o resultado a um dispositivo de saída ou aum dispositivo de armazenamento secundário.

A combinação de tempo de instrução (I-time) e tempo de execução (E-time) denomina-seciclo de máquina.

Toda CPU tem um clock de sistema que produz pulsos a uma taxa fixa para sincronizartodas as operações do computador.

Uma única instrução de programa pode ser composta de um número substancial de instruçõesde máquina.

Cada tipo de CPU é projetado para entender m grupo específico de instruções, como ADD(adicionar) ou MOVE (mover), denominadas conjunto de instruções.


REGIÕES DE ARMAZENAMENTO E ENDEREÇOS

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Como a unidade de controle localiza instruções e dados?

Uma coisa é ter instruções e dados em algum lugar na memória, e outra coisa bem diferenteé a unidade de controle ser capaz de encontrá-los.

A localização de cada instrução e de cada dado na memória é identificada por umendereço.

Quando uma nova instrução ou dado é colocada em uma localização da memória, oconteúdo anterior dessa localização é destruído.

Os programadores que usam linguagens de programação, entretanto, não precisam sepreocupar com os números de endereço reais, porque cada endereço de dados pode receberum nome significativo, conhecido como endereço simbólico.


REPRESENTAÇÃO DE DADOS: LIGADO/DESLIGADO

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Um computador conhece apenas duas coisas: ligado/desligado. Esse sistema de dois estados,ligado/desligado, denomina-se sistema binário.

Usando esses dois estados, que podem ser representados pela eletricidade ligada oudesligada, o computador pode criar formas sofisticadas de representação de dados.

Embora o sistema numérico decimal tenha a base 10 (com dez dígitos 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7,8, 9), o sistema binário tem base 2.

Isso significa que contém somente dois dígitos, 0 e 1, os quais correspondem aos doisestados, ligado e desligado.

Combinações de 0s e 1s representam números maiores.


REPRESENTAÇÃO DE DADOS: LIGADO/DESLIGADO


Equivalente binários dos números

decimais de 0 a 7

Decimal Binário

0 0000

1 0001

2 0010

3 0011

4 0100

5 0101

6 0110

7 0111

Equivalente binários dos números

decimais de 8 a 15

Decimal Binário

8 1000

9 1001

10 1010

11 1011

12 1100

13 1101

14 1110

15 1111

BITS, BYTES E PALAVRAS

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Cada 0 ou 1 no sistema binário denomina-se bit (de binary digit - dígito binário).

O bit é a unidade básica para armazenar dados na memória do computador: 0 significadesligado, 1 significa ligado.

Os bits são reunidos em um grupo denominado byte (pronuncia-se “baite”).

Atualmente, os computadores, em sua maioria, são projetados para utilizar bytes de oito bits.

Os fabricantes de computador expressam a capacidade da memória e de armazenamentoem termos do número de bytes que cada um contém.

Uma palavra de computador é definida como o número de bits que a CPU processa comouma unidade.


BITS, BYTES E PALAVRAS


Capacidades de armazenamento.

Essa tabela ao lado apresenta a

terminologia usada para especificar

capacidades de memória primária e

armazenamento secundário.

Termo Símbolo Número aproximado de bytes

Quilobyte K (ou KB) Um mil

Megabyte MB Um milhão

Gigabyte GB Um bilhão

Terabyte TB Um trilhão

Petabyte PB Um quatrilhão

ESQUEMAS DE CODIFICAÇÃO

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Um byte, que é um conjunto de bits, pode representar um caractere de dado. Mas qualconjunto de bits em particular é equivalente a que caractere? É necessário usar um esquemacomum para a representação dos dados.

Como cada byte contém 8 bits - cada um dos quais pode conter um 1 ou um 0 - , há 28 (256)combinações possíveis de 1s e 0s em um byte.

Um esquema de codificação (ou código) atribui cada uma dessas combinações a umcaractere específico.

O código ASCII (pronuncia-se “as-kii”), que é a sigla de American Standard Code forInformation Interchange (Código Padrão Americano para Troca de Informações), é o códigomais comum.

O código EBCDIC é usado em mainframes IBM e compatíveis.

O código Unicode usa dois bytes (16 bits) para representar um caractere.



Os códigos ASCII e EBCDIC.

Na tabela ao lado é exibida as

representações binárias ASCII e EBCDIC

correspondentes a determinados caracteres.

Esse não é o código completo; faltam muitos

caracteres. As representações binárias estão

divididas em grupo de quatro bits cada para

melhorar a legibilidade.

Caractere ASCII EBCDIC

0 0011 0000 1111 0000

1 0011 0001 1111 0001

2 0011 0010 1111 0010

A 0100 0001 1100 0001

B 0100 0010 1100 0010

C 0100 0011 1100 0011

! 0010 0001 0101 1010

# 0010 0011 0111 1011

+ 0010 1011 0100 1110

ESQUEMAS DE CODIFICAÇÃO

A UNIDADE DE SISTEMA

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A unidade de sistema é o gabinete que armazena os componentes eletrônicos docomputador.

A placa-mãe (motherboard), a placa de circuitos plana dentro do compartimento docomputador que contém os respectivos circuitos, é o principal componente da unidade dosistema.

A unidade central de processamento, o microprocessador, é o componente mais importanteda placa-mãe.

Alguns modelos Macintosh, da Apple, colocam a unidade de sistema dentro docompartimento do monitor (ver exemplos no próximo slide).


A UNIDADE DE SISTEMA


MICROPROCESSADORES

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Uma unidade central de processamento ou processador em um chip é chamada demicroprocessador.

Os microprocessadores contêm minúsculos transistores, comutadores eletrônicos que podempermitir ou não a passagem de corrente elétrica.

O transistor é o bloco de estrutura básico do microprocessador.


COMPONENTES DA MEMÓRIA

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Memória Semicondutora

• A maioria dos computadores modernos usa memória semicondutora.

• A memória semicondutora é volátil.

• A memória semicondutora é composta de milhares de minúsculos circuitos em um chip desilício.

• Um importante projeto de semicondutor é o complementary metal oxide semiconductor(CMOS).

• Em computadores pessoais a CMOS RAM pode ser usada para armazenar informaçõesnecessárias para a inicialização do computador.



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RAM e ROM

• A memória mantém as instruções e os dados correspondentes a qualquer programa quevocê esteja usando no momento.

• A RAM (Random Access Memory) é uma memória volátil, de acesso aleatório e que podeser escrita à vontade pelo software de computador.

• Ela pode ser de dois tipos: RAM estática (SRAM) e RAM dinâmica (DRAM).

• A DRAM síncrona (SDRAM) é um tipo mais rápido de DRAM.

• A Rambus DRAM (RDRAM) é mais rápida do que a SDRAM.

• Você pode aumentar a RAM de seu computador pessoal comprando módulos de memóriasuplementares para encaixar na placa-mãe.



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RAM e ROM

• A memória em geral é montada em placas de circuito denominadas módulos de memórialineares de via simples (single in-line memory modules - SIMMSs) ou módulos de memória dedupla via (dual in-line memory modules - DIMMs).

• A memória somente de leitura (read only memory - ROM) contém programas e dadosregistrados permanentemente de fábrica.

• A rotina de inicialização (boot) fica armazenada na ROM.

• A ROM é não-volátil.

• A PROM (programmable read-only) é um tipo de ROM que pode ser programável.



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RAM e ROM



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Memória Flash

• A memória flash é um tipo de memória não volátil.

• Ela é usada em telefones celulares, câmeras fotográficas digitais e gravadores de músicasdigitais, e estão substituindo os discos em alguns computadores handheld.

• Os chips de memória flash são produzidos em unidades similares a cartões de crédito, quesão menores do que uma unidade de disco e requerem muito menos potência.


O BARRAMENTO DE SISTEMA

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• Uma linha de barramento (ou bus) é um conjunto de percursos elétricos paralelos quetransportam sinais elétricos.

• O barramento de sistema, geralmente um revestimento de cobre sobre a superfície daplaca-mãe, transporta dados entre a CPU e a memória.

• O número de bits de dados que podem ser transmitidos simultaneamente chama-se largurade barramento, que indica o número de percursos elétricos.

• Em geral, quanto maior o tamanho da palavra ou largura de barramento, mais potente é ocomputador.

• A velocidade do barramento é medida em megahertz (MHz).


BARRAMENTOS DE EXPANSÃO

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• Slots de expansão, placas de expansão.

• Portas: transmissão serial e paralela.

• Barramento Industry Standard Architecture (ISA): dispositivos lentos.

• Barramento Peripheral Component Interconnect (PCI): alta velocidade.

• Barramento Accelerated Graphics Port (AGP): desempenho da placa de vídeo.

• Universal Serial Bus (USB): taxa de transmissão de dados elevada.

• Bus IEEE 1394 ou FireWire: barramento serial de alta velocidade.

• Bus PC Card: normalmente encontrado em laptops.


BARRAMENTOS DE EXPANSÃO


PLACA-MÃE


VELOCIDADE E POTÊNCIA

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• O que torna um computador rápido? O que torna um computador mais rápido do que outro?

• O tempo de execução de uma instrução em um computador muito lento pode ser inferior aum milissegundo (ms) que significa 1/1.000 segundo.

• A velocidade do microprocessador é determinada pela velocidade de clock e normalmenteé expressa em gigahertz (GHz).

• Outra medida de velocidade é a MIPS (one million instructions per second).

• Uma terceira medida da velocidade, o megaflop (one million floating-point operations persecond) mede a capacidade do computador para executar operações matemáticascomplexas.


CACHE

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• Cache (pronuncia-se “késh”) é uma área de armazenamento temporário projetada paraacelerar a transferência de dados dentro do computador.

• A memória cache, um tipo de memória muito rápido, é um bloco relativamente pequeno dememória desenvolvido com o propósito específico de acelerar a transferência de dados einstruções do software.

• Cache interna, incorporada ao processador, nível 1 (L1), mais rápida.

• Cache externa, incorporada ao processador, nível 2 (L2), mais barata e mais lenta.

• Chip externo, fora do processador, nível 3 (L3).


RISC X CISC

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• Conjunto reduzido de instruções - Reduced Instruction Set Computing (RISC).

• Conjunto complexo de instruções - Complex Instruction Set Computing (CISC).

• A arquitetura RISC se caracteriza por possuir um número limitado de instruções, bastantesimples, que são executadas diretamente pelo hardware. Na sua maioria, estas instruções nãoacessam a memória principal, trabalhando principalmente com registradores que, neste tipode processador, se apresentam em grande número.

• A arquitetura CISC se caracteriza por possuir muitas instruções, poucos registradores,diversos formatos e a utilização de múltiplos ciclos e modos de endereçamento.


PROCESSAMENTO EM PIPELINING

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• A solução suprema de velocidade é o processamento paralelo, um método que usa váriosprocessadores simultaneamente.

• No método pipelining as ações de uma instrução não precisam se completar antes de ainstrução seguinte iniciar.

• Inúmeros computadores contendo processadores são fabricados e vendidos comercialmente.

• Alguns dispõe de um pequeno número de processadores, em geral de 4 a 16, e são usadoscomo servidores de rede.

• Outros, usam centenas ou até milhares de processadores e se encontram no domínio dasupercomputação.


PROCESSAMENTO EM PIPELINING



o CPU-Z: Obtenha dados e características sobre seu processador

http://www.techtudo.com.br/tudo-sobre/cpu-z.html

o AIDA64

http://www.aida64.com/downloads

SOFTWARES

http://www.techtudo.com.br/tudo-sobre/cpu-z.html

http://www.aida64.com/downloads


o A história dos processadores

http://www.tecmundo.com.br/historia/2157-a-historia-dos-processadores.htm

o Conheça os tipos de processadores existentes e saiba como instalar no PC

http://www.techtudo.com.br/dicas-e-tutoriais/noticia/2013/12/conheca-os-tipos-de-processadores-existentes-e-saiba-como-instalar-no-pc.html

o Processadores - O dicionário de A a Z

http://www.tecmundo.com.br/processadores/12583-processadores-o-dicionario-de-a-a-z.htm

o Litografia: como é feito um processador [infográfico]

http://www.tecmundo.com.br/processadores/59510-litografia-feito-processador-infografico.htm

PÁGINAS NA INTERNET

http://www.tecmundo.com.br/historia/2157-a-historia-dos-processadores.htm

http://www.techtudo.com.br/dicas-e-tutoriais/noticia/2013/12/conheca-os-tipos-de-processadores-existentes-e-saiba-como-instalar-no-pc.html

http://www.tecmundo.com.br/processadores/12583-processadores-o-dicionario-de-a-a-z.htm

http://www.tecmundo.com.br/processadores/59510-litografia-feito-processador-infografico.htm


VÍDEOS NA INTERNET

o A História dos Processadores – Parte 1

http://olhardigital.uol.com.br/video/historia-dos-processadores/4370

o A História dos Processadores – Parte 2

http://olhardigital.uol.com.br/video/a-historia-dos-processadores-pentium-parte-ii/28779

o Conheça seu micro: processador

http://olhardigital.uol.com.br/video/conheca-seu-micro-processador/28309

o Por que o processador do celular ainda 'deve' para o do PC?

http://olhardigital.uol.com.br/video/por-que-o-processador-do-celular-ainda-deve-para-o-do-pc/55816

o Saiba como funciona o processador de seu smartphone

http://olhardigital.uol.com.br/video/saiba-como-funciona-o-processasdor-de-seu-smartphone/35102

http://olhardigital.uol.com.br/video/historia-dos-processadores/4370

http://olhardigital.uol.com.br/video/a-historia-dos-processadores-pentium-parte-ii/28779

http://olhardigital.uol.com.br/video/conheca-seu-micro-processador/28309

http://olhardigital.uol.com.br/video/por-que-o-processador-do-celular-ainda-deve-para-o-do-pc/55816

http://olhardigital.uol.com.br/video/saiba-como-funciona-o-processasdor-de-seu-smartphone/35102


1. Por que escrever instruções para um computador é mais difícil do que escrever instruçõespara uma pessoa?

2. Você acha que é necessário aumentar continuamente a velocidade dos computadores?Você pode citar exemplos em que uma maior velocidade seria desejável?

3. Talvez logo seja possível (ou já é até possível) implantar chips no corpo humano paramonitorar ou melhorar nossas condições físicas. Você acha isso uma boa ideia ou uma máideia?

4. Uma concepção errônea comum é que o prefixo mega significa um milhão. Na realidade,um megabyte de memória, corresponde a 1.048.576 bytes, e não a 1.000.000 de bytesde memória. Explique por que parece que há 48.576 bytes de memória a mais.

5. Há dois tipos fundamentais de memória de computador: RAM e ROM. Defina o que essassiglas representam e explique a diferença funcional desses dois tipos de memória.

QUESTÕES DE RACIOCÍNIO CRÍTICO


6. Embora a velocidade dos processadores seja frequentemente especificada em hertz(ciclos de máquina por segundo), explique por que um processador de 3,0 GHz pode nãoser duas vezes mais rápido do que um processador de 1,5 GHz.

7. O método mais popular para transferir imagens de uma câmera digital para o seucomputador é por meio de uma conexão a cabo ou existe outro meio? Explique a quetipo de porta de computador você conectaria sua câmera digital e por quê.

8. Além de poder comprar um computador completamente montado, os consumidores têm aopção de montar seu próprio computador. Relacione as vantagens e desvantagens demontar um computador. Você montaria seu próprio computador? Por que sim e por quenão?



9. Os sistemas de computação originais baseavam-se em bytes e usavam esquemas ASCII eEBCDIC para codificar dados. O esquema preferido agora é o Unicode. Explique porque esse esquema de codificação é superior aos outros dois.

10. Explique as diferenças entre computadores RISC e CISC.


REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

CAPRON, H. L.; JOHNSON, J. A. Introdução à Informática. 8. ed. São Paulo: PrenticeHall Brasil, 2004. 368 p.


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