Noções básicas de computação - Hardware

Profª Jocelma RiosMar/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

●

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 o censo

– 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– Alan Turing é considerado o pai da

computação– Um problema terá solução algorítmica se

existir uma máquina de Turing para representá-lo

– 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

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– 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

3a geração

● 1964-1971– Circuito integrado substituiu o transistor

● Componentes miniaturizados– Software: multiprogramação, tempo real,

modo interativo– Armazenamento: memórias de semicondutores e

discos magnéticos– 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/algortimos 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 computador

Armazenamento:Armazenamento: memória principal, HD, 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.

• A mesma contém uma 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

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 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 distancia 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

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