Desde há milénios que o homem utiliza os mais diversos dispositivos para o auxiliar nos

cálculos numéricos, particularmente na manutenção de inventários ou em trocas comerciais

ex: entalhes no cajado, utilizados pelos pastores para contar os animais dos seus rebanhos

Um pouco de história…

Como os cálculos foram ficando mais complicados e aumentando de quantidade, surgiu o

ábaco, há cerca de 2500 anos, ainda hoje usado.

O uso do papel e da escrita, especialmente na Europa, fez decair a importância do Ábaco,

mas 12 séculos foram necessários para que surgisse um novo avanço na computação.

1633- William Oughtred representou os logaritimos de Napier em escalas, a que deu o nome de

Círculos de Proporção. Este dispositivo originou a Régua de Cálculos, conhecida até hoje.

Esta régua é considerada como o primeiro computador analógico da História.

1642 - Blaise Pascal (francês), com apenas 18 anos, inventou um calculador numérico a

rodas dentadas para ajudar o seu pai (cobrador de impostos) no trabalho.

A Pascaline executava

adições até 8 dígitos

1694 - o matemático e filósofo Gottfried Leibniz (alemão) melhorou a Pascaline criando

uma máquina que também multiplicava.

1820 – Charles Xavier Thomas construiu uma máquina capaz de efetuar as 4 operações

aritméticas básicas: a Arithmometer. Esta foi a primeira calculadora realmente

comercializada com sucesso.

Arithmometer

1801 – Joseph Marie Jacquard, mecânico francês, sugeriu controlar teares por meio de

cartões perfurados. Os cartões forneceriam os comandos necessários para a tecelagem de

padrões complicados em tecidos.

1822 – Babbage apresentou um projecto que consistia numa máquina diferencial.

Preocupado com os erros contidos nas tabelas matemáticas da época, construiu um

modelo para calcular tabelas de funções (logaritmos, funções triginométricas, etc.) sem a

intervenção de um operador humano, a que chamou Máquina das Diferenças (Difference

Engine). Ao operador cabia somente iniciar a cadeia de operações e a seguir a máquina

executava os cálculos, preparando totalmente a tabela prevista. A máquina baseava-se no

princípio de discos giratórios e era operada por manivelas.

No entanto, o verdadeiro início dos computadores que hoje conhecemos deve-se ao

professor de matemática inglês Charles Babbage. Foi ele quem primeiro descobriu que as

máquinas podiam executar operações repetitivas (automação).

Difference Engine

1833 – Babbage, projectou uma máquina, a que chamou Máquina Analítica, muito mais

geral que a Máquina das Diferenças. Possuia 4 componentes: armazenamento (memória),

engenho (unidade de cálculo), seção de entrada (leitora de cartões perfurados) e

secção de saída (saída perfurada e impressa). Não chegou a ser construída, mas as idéias

são usadas ainda hoje. As operações eram comandadas pelos cartões, de modo que, de acordo

com os resultados dos cálculos intermediários,a máquina poderia saltar os cartões, modificando

dessa forma o curso dos cálculos.

A condessa Augusta Ada King, filha do poeta inglês Lord Byron, foi

assistente de Babbage ajudando-o na programação do computador,

tornando-se assim na primeira mulher programadora. Nos anos 80, o

governo dos EUA deu o seu nome à linguagem de programação ADA.

Máquina Analítica

1854 - Álgebra Booleana : desenvolvida pelo matemático inglês George Boole, para

investigar as leis do raciocínio humano - conceitos usados atualmente como base dos

sistemas digitais e da computação.

1876 - Máquina Analógica - Lorde Kelvin ⇒ usada na previsão de marés

Digital X Analógico

Analógico: Infinidade de “estados possíveis”

Digital: Apenas dois “estados possíveis”: ligado ou desligado.

Chamados níveis lógicos (0 e 1).

1890 - o inventor americano Herman Hollerith aplica o mesmo conceito de Jacquard do

cartão perfurado. A diferença relativamente a Babbage é que o cartão em vez de conter

instruções de programação contém dados para serem processados pela máquina.

Hollerith comercializou o seu leitor de cartões, fundando em 1896 a Tabulating Machine

Company que em 1924, após várias transformações, levou à criação da International

Business Machines (IBM).

1940 – O Prof.Atanasoff e o seu assistente Clifford Berry (Iowa State University) são os

primeiros a aplicar a álgebra de Boole (1854) nos circuitos do computador agora totalmente

electrónico.

Howard Aiken, engenheiro da IBM, cria em 1944 um calculador totalmente electrónico

(Harvard-IBM Automatic Sequence Controlled Calculator ou MARK I). A finalidade deste

era a criação de cartas balísticas para a USNavy.

Grace Hopper em 1945, enquanto trabalhava no

MARK II, encontrou o primeiro bug de computador

no sentido literal do termo (uma barata morta num

relé). Daí para diante ela e os colegas, sempre que o

computador parava, diziam a Howard Aiken que

estavam fazendo debugging ao computador.

Arquitectura de Von Neumann

execução das instruções

(linguagem máquina)

dados

&

programas

(alto/baixo nível)

entrada de dados

&

saída de resultados

Memória Unidade de Processamento Central

Registos

Unidade de controlo

Unidade

lógica e

aritmética

Periféricos de

E/S

DB

AB

CB

Barramento

John Von Neumann (1903-1957)

• Matemático húngaro naturalizado norte-americano.

• Mecânica Quântica, Teoria dos Jogos, Ciência de Computação, etc.

• Participou no Projecto Manhattan responsável pela criação das primeiras bombas atómicas.

• Um dos mais importantes matemáticos do século XX.

• Professor na Universidade de Princeton e um dos construtores do ENIAC e do EDVAC.

Evolução histórica

1ª GERAÇÃO (1951 A 1959): tecnologia das VÁLVULAS

• Válvulas idênticas às utilizadas nos receptores de rádio e de TV;

• Utilizavam cerca de 20.000 válvulas que fundiam muito frequentemente;

• Máquinas enormes, caras, lentas e muito consumidoras de energia;

• Exemplos: ENIAC, MARK I, EDVAC, IBM650, UNIVAC I (1º computador

produzido em escala comercial)

Montagem “cordwood”

cordwood module

ENIAC - Electronic Numerical Integrator Automatic Computer

(1946 - John Eckert John Mauchly da Electronic Control Company)

• primeiro computador digital de grande escala

• continha 30 unidades autónomas, 20 designadas acumuladores

• acumulador – somador de 10 dígitos capaz de armazenar os resultados dos cálculos

• digitos decimais: 0-9

• pesava30 toneladas, 5.50m de altura e 25m de comprimento, 180 m² de área construída.

• 70 mil resistências, 17.468 válvulas

• conta-se que quando accionado pela primeira vez, consumiu tanta energia que as luzes de

Filadélfia piscaram

ENIAC

• Não tinha sistema operativo, funcionando como uma calculadora operada manualmente.

• No ENIAC era preciso ligar fios, relés e sequências de interruptores para determinar a tarefa

a ser executada a cada tarefa diferente o processo deveria ser refeito.

• A resposta era dada por uma sequência de lâmpadas.

ENIAC

EDVAC - Electronic Discrete Variable Automatic Computer

Numeração binária

Operações: adição, subtracção, mult., divisão

6.000 válvulas, 12.000 diodos

Consumo 56KW

45.5m2, 7.850 kg

EDSAC, Cambridge University, 1949

UNIVAC I (UNIVersal Automatic Computer)

Projetado por J. Presper Eckert e John Mauchly, os inventores do ENIAC

Primeiro computador comercial fabricado e comercializado nos EUA (fabricados 46)

O ultimo funcionou até 1970

5.200 válvulas, 18.000 diodos de cristal, 300 relais, consumo 125 kW

35 m2 de espaço, pesava 13 toneladas,

1905 operações por segundo, clock de 2.25MHz

http://www.youtube.com/watch?v=j2fURxbdIZs&feature=player_detailpage

UNIVAC

Memória de mercúrio

Evolução histórica

2ª GERAÇÃO (1959 A 1965): tecnologia do TRANSISTOR.

• Inventados em 1947;

• Pequenos e baratos;

• Consomem pouca energia, confiáveis e rápidos;

• Computadores muito usados em energia atómica e aplicações militares;

• Exemplos: IBM 1401, IBM 7094, PDP-11.

2ª geração: IBM 1401

IBM

1402

Card

Read

Punch

IBM

1403

Printer

IBM 1401

Processing

Unit

2ª geração: IBM 1401

Operators Control Panel

SMS (Standard Module System)

IBM SSEC : 1959

PDP-11 : 1960

2ª geração: IBM SSEC , PDP-11

Evolução histórica

3ª GERAÇÃO (1965): tecnologia de CIRCUITO INTEGRADO.

• Muitos transistores e outros componentes montados em um único chip;

• Muito confiáveis, pequenos, rápidos, baratos e com baixo consumo de energia;

• Exemplos: IBM 360.

Chip

Terminais do CI

Fios finíssimos

de ligação do chip

aos terminais do CI

Circuito integrado (CI)

visto por dentro e por cima.Chip

Terminais do CI

Fios finíssimos

de ligação do chip

aos terminais do CI

Circuito integrado (CI)

visto por dentro e por cima.

Primeiro circuito integrado

(Jack Kilby, Texas Instruments, EUA, 1958)

3ª geração: IBM 360

Após 1970 : evolução tecnológica deu-se principalmente a nível da miniaturização.

ESCALA DE INTEGRAÇÃO: nº de componentes num único chip.

SSI (Small Scale Integration) – Integração em pequena escala: são os CI com menos componentes.

Podem conter até 30 dispositivos por pastilha (chip).

MSI (Medium Scale Integration) – Integração em média escala: corresponde aos CI com várias

centenas de componentes, podendo possuir de 30 a 1000 dispositivos por pastilha (estes circuitos

incluem descodificadores, contadores, etc.).

LSI (Large Scale Integration) – Integração em grande escala: contém milhares de componentes

podendo possuir de 1000 até 100 000 dispositivos por pastilha (estes circuitos normalmente efectuam

funções lógicas complexas, tais como toda a parte aritmética duma calculadora, um relógio digital,

etc.). [1969]

VLSI (Very Large Scale Integration) – Integração em muito larga escala: é o grupo de CI com um

número de componentes compreendido entre 100 000 e 10 milhões de dispositivos por pastilha (são

utilizados na implementação de microprocessadores). [1975]

ULSI (Ultra Large Scale Integration) – Integração em escala ultra larga: É o grupo de CI com mais de

10 milhões de dispositivos por pastilha. [1990, ex:Pentium (Intel)]

Nos computadores actuais, quase todos os chips usados são do tipo LSI, VLSI ou ULSI. Os chips SSI

e MSI são ainda usados em pequenas quantidades, normalmente para auxiliar os chips LSI e VLSI.

Escala de Integração

4ª GERAÇÃO: para alguns estamos na 3ª geração; para outros estamos na 4ª geração, desde

1975 com os circuitos de VLSI.

5ª GERAÇÃO: alguns autores consideram a partir de máquinas RISC, circuitos integrados

ULSI e processamento paralelo.

Evolução dos microcomputadores/microprocessadores

• 1981/1984; IBM-PC, Maicintosh (Apple): Tem início a guerra de preços no mercado.

• 1985/1986: O PC e compatíveis tornam-se padrão para aplicações comerciais e pessoais.

• 1986/1988: Surgem os micros 386 e a IBM lança o OS/2.

• 1989/1991: 486. Microsoft faz sucesso com o Windows 3.x. Interface Gráfica.

• 1993/1994/1995: Pentium de 60 e 66Mhz, 75Mhz, 133Mhz

• 1996: Pentium PRO de 166Mhz e 180 Mhz e Cyrix CX6x86 (P166+) 133Mhz.

• 1997: Pentium MMX de 166MMX, 200MMX e 233MMX (MMX: Multimedia Extensions).

• 1998: Pentium II de 300, 333, 350 e 400Mhz e Celeron de 233, 266, 300 e 330 Mhz.

• 1999: Pentium III de 450 e 500Mhz.

• 2002: Pentium IV de 2GHz e Athlon XP de 2Ghz (AMD), 3,2Ghz

Evolução histórica

Digitais

•Manipulam dados em forma binária discreta (0,1);

•São muito precisos e são os mais comuns;

Analógicos

•Representam dados de forma contínua, usando quantidades físicas;

•Usam fenómenos eléctricos mecânicos ou hidráulicos para modelar o problema a ser resolvido;

•Genericamente usam um tipo de grandeza física para representar o comportamento de outro

sistema físico ou função matemática, através de um processo de simulação;

•Não são tão precisos quanto os digitais, mas são mais rápidos;

•São utilizados para fins científicos ou de engenharia;

Híbridos

•Computadores híbridos combinam as melhores características dos digitais e dos analógicos;

•Podem aceitar entradas analógicas, fornecendo saídas digitais;

•O híbrido tem a velocidade do analógico e a precisão do digital;

•O componente digital normalmente serve como o controlador e proporciona operações lógicas

enquanto o componente análogo serve normalmente para solucionar equações diferenciais

Classificação de computadores : Tamanho & Tipo

Analógicos & Híbridos

Computador analógico Computador híbrido

Classificação de computadores : Tamanho & Tipo

Super computador (ex: NEC SX-3, Cray XMP e PARAM(Índia) ) •Grande e caros, podem processar triliões de instruções em segundos.

•Governos, instituições de investigação e militares, usam-nos para cálculos e trabalhos pesados.

•São usados na indústria cinematográficas (Hollywood) em animação.

•Também usados para efectuar previsões meteorológicas.

Mainframes (ex: IBM série 3000 ) •Podem processar milhões de instruções por segundo;

•Usados em hospitais, companhias de aviação, bancos, etc

Minicomputador (IBM AS400, VAX) •Usados em pequenas empresas, universidades, etc

Computadores pessoais - PC •Baixo custo, pequenos e portáteis

•Actualmente muito potentes

Notebooks (ex: ASUS eeePC) •Tamanho reduzido e baixo peso, fáceis de transportar para qualquer lugar.

•Podem armazenar a mesma quantidade de dados e ter memória idênticas à do PC

•Pode-se dizer que é a substituição do computador pessoal.

Wafer: principal elemento usado na fabricação dos chips. O wafer “virgem” é feito de

silício extremamente puro (99,9999%), que é extraído da areia da praia (!);

O wafer é criado através de um método chamado Czochralski, onde um pedaço de cristal de

silício é colocado em uma vareta e então mergulhado em silício derretido. A vareta é suspensa

e girada ao mesmo tempo, formando um grande cilindro de cristal de silício (lingote);

O lingote resultante deste processo mede de um a dois metros de comprimento e pode ter

até 300 mm de diâmetro;

O lingote é então “fatiado” em wafers que são depois polidos e enviados para a fabricação

do chip. Em cima deste wafer “virgem” é que os chips serão fabricados.

Wafer

Os chips são fabricados no wafer através de um processo chamado fotolitografia.

Neste processo, usam-se produtos químicos que quando expostos à luz ultravioleta podem-se

tornar “moles” ou “duros”.

Este processo consiste basicamente em bloquear a luz ultravioleta dos produtos químicos no

wafer usando uma máscara, removendo as partes “moles”, e então repetindo o processo

novamente com uma outra máscara, até a fabricação do chip ser finalizada.

Cada máscara possui um padrão diferente e cada padrão determina como os transistores e

fios dentro do chip serão fabricados. O número de máscaras usadas varia dependendo do

projeto. Um processador Pentium 4, por exemplo, usa 26 máscaras.

Fotolitografia

Os chips no wafer são então testados e o wafer é enviado para o próximo passo no processo

de fabricação, onde os chips são cortados, recebem os terminais e são encapsulados.

Após isso, eles são testados, rotulados e vendidos.

Produção dos CI’s

Circuitos integrados

LEI DE MOORE

O número de transistores num

circuito integrado (CI) duplica a

cada 2 anos

1) Areia do Silício - A fabricação de um Chip Intel

http://www.youtube.com/watch?v=rq81-pJBeUk&feature=related

• areia da praia

• fundir

• gerar cristal

• cortar(wafer)+polir

• litografia

• cortar(chips)

• encapsular e empacotar

2) fabricación de un microchip – MEMC

http://www.youtube.com/watch?v=xEQvXYsCDDw

3) Memória de linha de mercúrio http://www.techtudo.com.br/platb/hardware/2011/06/17/o-radar-e-a-memoria-ii-a-memoria/

http://www.techtudo.com.br/platb/hardware/2011/06/23/o-radar-e-a-memoria-iii-linhas-de-mercurio/

Vídeos exemplificativos

Arduino : carta controladora programável

14 entradas/saídas digitais

6 entradas analógicas

Microcontrolador

ATmega328

USB

ligação ao PC

Power

Supply

7-12V

Características Principais

• Baixo custo (≈25€)

• Microcontrolador: ATmega328, 16MHz

• Memória: Flash(código)=32KB, SRAM(variáveis)=2KB, EEPROM=1KB

• Tensão de alimentação: USB ou fonte externa

• Entradas/saídas digitais: 14, entradas analógicas: 6

• Ligação ao PC: USB

• UART & I2C

• Conector de expansão

• Diversos módulos externos (Shields): controlo motores, comunicações s/fio, …

• Existem diversas variantes: Due, Uno, Duemilenove, Mega, ADK, Lillypad, Nano,...

• Existem “clones” com funções melhoradas (ex: chipKIT, Digilent)

• Fornecedores nacionais: INMOTION(http://inmotion.pt/store/),

PT Robotics(http://www.ptrobotics.com/), Aliatron(http://inmotion.pt/store/)

• Ambiente de desenvolvimento: tipo C, gratuito, muitas bibliotecas existentes:

Ethernet, LCD, DateTime, …

KIT disponível no LTC

Arduino Physical Computing Kit (INMOTION)

IDE: http://arduino.cc/en/Main/Software

Depois de programado pode funcionar

autonomamente ou ligado a um sistema

externo (PC)

Arduino : carta controladora programável

entradas

saídas alimentação

Arduino : versões

Uno

Chipkit

Due Mini

Arduino : shields

GSM

GPS

WiFi LCD+keyboard Ethernet

Motor

Arduino : projectos diversos

http://www.domotichome.net/

Arduino : projectos diversos

http://www.domotichome.net/

Arduino : projectos diversos

Plataforma de e-Health: Kit para Arduino and Raspberry Pi

http://www.cooking-hacks.com/index.php/ehealth-sensors-complete-kit-biometric-medical-arduino-raspberry-pi.html

Arduino : projectos diversos

Arduino Lilypad: versão para aplicação no vestuário

Arduino : projectos diversos

LilyPad Example: LED Biking Jacket

http://www.trendhunter.com/trends/lilypad-arduino-diy-programmable-fashion

Arduino : projectos diversos

http://www.engadget.com/2010/03/30/t-shirt-modded-to-let-you-know-when-you-have-new-emails/

T-shirt modded to let you know when you have new emails

Memória : Tipos

Internas: construídas em torno de circuitos integrados

Externas: construídas em torno de sistemas magnéticos ou ópticos (discos, DVDs)

Memórias internas → dois grandes grupos : RAMs e ROMs

RAM (Random-Access Memory) • O nome é pouco correcto significa que o tempo de acesso é igual para cada posição de memória

• Podem ser lidas e escritas um elevado número de vezes

• Voláteis – a informação perde-se quando se deixa de fornecer energia eléctrica

ROM(Read Only Memory) • Também é RAM pois o tempo de acesso é igual para cada posição de memória

• Podem ser programadas (uma ou mais vezes) e normalmente são usadas apenas para leitura

• Existem variantes que podem ser usadas para leitura/escrita

• Não-voláteis – a informação continua armazenada quando se deixa de fornecer energia eléctrica

• Usadas na BIOS e para guardar configurações do utilizador

Memória Interna

ROM & RAM

ROM RAM

Janela para

desprogramar Contactos

eléctricos

SO-DIMM – usadas em portáteis

(small outline dual in-line memory module)

SRAM (Static RAM)

• Baseada em células de memória do tipo flip-flop

• Rápidas – tempos de acesso baixos para leitura e para escrita

• Caras

• Utilizadas tipicamente como memórias cache (associadas ao processador)

R/W

S

D Q

C

Din Dout

Célula de memória

Memória RAM : SRAM

Din – bit de entrada

R/W – sinal de Read/Write (0=read , 1=write)

S – Strobe (habilita/desabilita a acção de read/write)

Dout – bit de saída

Dinâmicas – DRAM (Dynamic RAM)

• Células de memória:

– Pares transistor-condensador, que conseguem manter o nível lógico armazenado

durante curtos espaços de tempo

– Necessitam de ciclos de refrescamento periódicos para reposição dos níveis lógicos

nos condensadores mais lentas que as SRAMs

• Maior capacidade de armazenamento a menor custo

• Utilizadas como memória principal de um computador

S

B

Célula de memória

Valor a escrever/ler

Selecção da célula

Transistor

Condensador

Memória RAM : DRAM

RAM : arquitectura

Organização e capacidade de uma RAM (SRAM/DRAM)

– palavra = m bits

– n linhas de endereço

– Capacidade = 2n endereços ou palavras de m bits (2n X m)

p=2n

controlo

Memória

Unidades de medida / espaço de endereçamento

bit = 0,1 = 20

byte = 8 bits = 23 (0 -7) {000 – 111}

KB (Kilobyte) = 1024 bytes = 210 (0 – 3FFh) {0 – 11 1111 1111}

32Kb = 32768 bytes = 215 (0 – 7FFFh)

64Kb = 65536 bytes = 216 (0 – FFFFh)

256Kb = 262144 bytes = 218 (0 – 3FFFFh)

MB (Megabyte) = 1024 KB = 220 (0 – FFFFFh)

GB (Gygabyte) = 1024 MB = 230 (0 – 3FFFFFFFh)

4GB = 4086 MB = 232 (0-FFFFFFFFh) – Pentium 4

Acesso à memória : leitura

100MHz →

CPU

Acesso à memória : escrita

100MHz →

CPU

As antigas memórias FPM (Fast-Page Mode) e EDO (Extended Data Output) trabalham de forma

assíncrona com o processador (obriga a constante troca de sinais com o processador atrasando o processo)

Processadores cada vez mais rápidos → grande tempo de espera para ter acesso aos dados da memória.

SDR SDRAM → trabalham de forma sincronizada com o processador, evitando os problemas de atraso.

A frequência com a qual a memória trabalha serve como medida de velocidade.

Memórias SDR SDRAM → trabalham a 66 MHz, 100 MHz e 133 MHz (designadas por PC66, PC100 e

PC133 respectivamente)

Taxa de Transferência Máxima Teórica = Clock x 8.

Ex: PC133, f=133MHz → 133*8 = 1064MB/s

SDR-SDRAM (Single Data Rate - Synchronous DRAM)

Módulo DIMM (Double In-Line Memory Module) : terminais de contactos em ambos os lados do módulo

168 pinos / 64 bits

DDR SDRAM : transferem dois dados por impulso de clock → conseguem obter o dobro do desempenho

das SDR-SDRAM para o mesmo clock

Ex: DDR a 100 MHz → equivale a uma SDR a trabalhar a 200 MHz.

DDR-SDRAM (Double Data Rate SDRAM)

Taxa de Transferência Máxima Teórica = Clock x 8

Ex: DDR400, f=200MHz → 200*8*2 = 3200MB/s

Módulo DIMM (Double In-Line Memory Module) : 184 pinos / 64 bits

DDR – 2.5V

DDR2 & DDR3

DDR2 SDRAM: evolução das memórias DDR

executam quatro operações por ciclo de clock

Trabalham a 1.8V

DDR3 SDRAM: evolução das memórias DDR2

executam oito operações por ciclo

Trabalha com voltagem de 1.5 V

Consomem cerca de 30% menos energia que as DDR2

• O desempenho dos micro-processadores tem vindo a aumentar a uma taxa de

cerca de 60% / ano (desde 1986).

• O desempenho das memórias tem vindo a aumentar a uma taxa de perto de

10% / ano (diminuição do tempo de acesso)

The STREAM benchmark http://www.cs.virginia.edu/stream/ref.html

Hiato Processador-Memória

CPU: fCPU = 1.0 .. 3.0 GHz => Tcc = 1.0 .. 0.33 ns

DRAM: tempo de acesso ronda os 5 .. 60 ns

Técnica: dotar a máquina de vários níveis de memória, com diferentes propriedades

Cada nível contêm uma cópia do código e dados mais usados em cada instante.

Hierarquia de Memória

SRAM – Static RAM

Extremamente rápida e cara

DRAM – Dynamic RAM

Mais lenta e barata

Discos – magnéticos, ópticos

Lentos, baratos (por bit)

Como manter o processador alimentado com dados e instruções?

Cache

SRAM

Memória Central

DRAM

Discos

Distância CPU

Capacidade

Velocidade

Preço

CPU

registos

(SRAM)

Memórias ROM

• ROM - Read-Only Memory

– Programadas pelo fabricante mediante especificação fornecida pelo utilizador

– Conteúdo inalterável – só permite leitura da informação armazenada

– Utilizações:

• Guardar informação necessária ao arranque de sistemas

• Tabelas de conversão de códigos (e.g. binário natural -> BCD)

• Tabelas de operações aritméticas (e.g. logaritmos, divisões)

2k x n

ROM

k linhas de endereço

Sinais de controlo

n linhas de dados de saída

ROM de 2K palavras de n bits

• PROM - Programmable Read-Only Memory

– Permitem uma única programação – o utilizador especifica o conteúdo da ROM

– A programação é geralmente feita através de rebentamento de fusíveis nas ligações

entre as linhas de endereços descodificados e as linhas de saída

• Uma vez rebentados os fusíveis, as ligações são quebradas permanentemente

Memórias ROM

• EPROM - Erasable Programmable Read-Only Memory

– Permitem múltiplas programações

– A reprogramação é feita através de impulsos eléctricos

– Apagamento : submete-se a EPROM a radiação ultra-violeta.

– Custo mais elevado que uma ROM, mas maior flexibilidade

– Pouco usadas, uma vez que actualmente há alternativas melhores

• EEPROM - Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory

– Idênticas à EPROM, mas o apagamento é através de impulsos eléctricos

– Flexíveis : reúnem as funcionalidade de uma RAM e uma ROM simultaneamente

– Comparando com uma RAM:

• Operações de escrita muito mais lentas (devido às operações de apagar e

reprogramar)

• As operações de leitura podem ser da mesma ordem de grandeza da escrita

Memórias ROM

• FLASH EEPROM

– Variantes das EEPROM, habitualmente utilizadas em electrónica de consumo

• Exemplos: cartões de memória e pen-disks

– Incluem toda a lógica necessária para reprogramação, sendo muito mais rápida do

que numa EEPROM convencional

• Operações de escrita continuam a ser muito mais lentas do que as de leitura

– O tempo de vida dos dados armazenados é superior a 10 anos, e pode ser

reprogramada milhões de vezes - suficiente para as aplicações a que se destinam

RAM

•SRAM - estática (baseada em FFs)

•DRAM (Dynamic RAM) – dinâmica (baseada em condensadores)

•SDRAM (Synchronous DRAM) : síncronas com o relógio de sistema

•DDR-SDRAM (Double Data Rate SDRAM)

– Reagem a ambos os flancos do sinal de relógio

– Muito utilizadas em PCs : evolução - DDR (2000) DDR-2 (2003) DDR-3 (2007)

Tipos de RAM e ROM (resumo)

ROM

•ROM – programadas de fábrica não podem ser reprogramadas

•PROM(Programable ROM) – devido ao seu modo de fabrico apenas pode ser programada

uma única vez

•EPROM(Erasable and Programable ROM) – podem ser apagadas e reprogramadas as vez

que forem necessárias (apagamento → luz ultra-violeta).

•EEPROM(Electrical EPROM) – memórias que podem ser reprogramadas electronicamente

Dois grandes grupos:

• discos magnéticos: baseados na utilização do magnetismo

• discos ópticos: baseados na utilização da luz

Memória Externa

- Baseiam-se nas propriedades magnéticas de determinados materiais

- Flexíveis: fitas e discos (disketes) em desuso

- Rígidos (HD - Hard Disk) dispositivo de armazenamento mais usado nos computadores.

Permitem armazenar ficheiros de programas e de dados.

Discos Magnéticos

O primeiro disco rígido construído pela IBM em 1957,

designado por 305 RAMAC, era formado por 50 discos de 24

polegadas de diâmetro, com uma capacidade total de 5MB.

Em 1973 a IBM lançou o modelo 3340 "Winchester", com

dois pratos de 30 megabytes e tempo de acesso de 30

milissegundos.

Discos magnéticos

Memórias Externas : discos magnéticos e ópticos

Disco rígido, disco duro, ou HDD (hard disk drive)

O disco rígido é uma memória não-volátil, ou seja, as

informações não são perdidas quando o computador é

desligado.

Constitui a "memória de massa" ou "memória secundária"

sendo o principal meio aonde são armazenados os dados.

Gravação e leitura de dados

A superfície de gravação dos pratos é composta de materiais

magnéticos (geralmente, óxido de ferro). A cabeça de leitura

e gravação manipula as moléculas do material através de

campos magnéticos. Para isso, a polaridade das cabeças

muda numa frequência muito alta: quando está positiva, atrai

o pólo negativo das moléculas e vice-versa. De acordo com

essa polaridade são gravados os bits (0 e 1).

No processo de leitura de dados, a cabeça capta o campo

magnético gerado pelas moléculas e gera uma corrente

eléctrica correspondente, cuja variação é analisada pelo

controlador do HD para determinar os bits lidos.

Pistas

Sectores

Cabeça

Dispositivos magnéticos

Discos Magnéticos

Dentro do disco rígido, os dados são gravados em discos magnéticos de dupla face, chamados pratos

(platters). O nome "disco rígido" vem do facto de os discos internos serem extremamente rígidos.

Para ler e gravar dados no disco, são usadas cabeças de leitura eletromagnéticas (heads) que são presas a um

braço móvel (arm), o que permite seu acesso a todo o disco. O braço de leitura é uma peça triangular, feita

de liga de alumínio, para que seja ao mesmo tempo leve e resistente.

Cada disco utiliza duas cabeças leitura/escrita, uma para cada face.

O mecanismo que movimenta o braço de leitura é chamado actuador (actuator).

A cabeça de leitura /gravação paira alguns milionésimos de polegada acima do disco.

– Se a cabeça tocar o disco, haverá um crash, e dados serão destruídos.

Discos Magnéticos

Braço de leitura de um HD

As duas cabeças de leitura pressionam-se

mutuamente, mas quando os discos giram em alta

rotação, forma-se uma espécie de colchão de ar (efeito

de asa de avião), que afasta as cabeças, fazendo com

que elas não toquem nos discos.

Cabeça de leitura "flutuando" sobre o disco

em movimento

Discos magnéticos: geometria do disco rígido

Superfície 0

Superfície 1

Cabeças magnéticas

Superfície 2

Superfície 3

Superfície 4

Superfície 5

Motor de rotação: os discos magnéticos são montados

directamente sobre o eixo do motor de rotação, sem o

uso de correias ou qualquer outro mecanismo.

É justamente este design simples que permite que os

discos girem a uma velocidade tão grande.

Discos Magnéticos

Os HD são montados e selados num

ambiente livre de partículas (salas limpas)

Apesar disso, eles não são hermeticamente

fechados, existindo um pequeno orifício para

entrada de ar que permite que pequenos

volumes de ar entrem e saiam, mantendo a

pressão interna do HD sempre igual à do

ambiente.

Esse orifício é sempre protegido por um

filtro,que impede a entrada de partículas de

poeira.

Discos Magnéticos

Placa controladora: faz a interface com a motherboard, controla

a rotação do motor e o movimento das cabeças de leitura, de

forma que elas leiam e/ou escrevam os sectores correctos.

Os HDs são conectados ao computador por meio de interfaces capazes de transmitir os dados

entre um e outro de maneira segura e eficiente.

Há várias tecnologias para isso, sendo as mais comuns os padrões IDE, SCSI e, mais

recentemente, SATA.

Discos Magnéticos: interfaces

IDE

A interface IDE (Intelligent Drive Electronics ou Integrated Drive Electronics) também é conhecida

como ATA (Advanced Technology Attachment) ou, ainda, PATA (Parallel Advanced Technology

Attachment). Trata-se de um padrão que chegou ao mercado na época dos processadores 386

Conector e cabo IDE

SCSI

SCSI (Small Computer System Interface): trata-se de uma tecnologia criada para acelerar

a taxa de transferência de dados entre dispositivos de um computador, desde que tais

periféricos sejam compatíveis com a tecnologia.

Mais cara que a tecnologia IDE/ATA

Discos Magnéticos: interfaces

Disco rígido com tecnologia SCSI

Conectores SCSI externos

Cabo SCSI

SATA - Serial ATA

Diferentemente dos discos rígidos IDE, que

transmitem os dados através de cabos de

quarenta ou oitenta fios paralelos, o que resulta

num cabo enorme, os discos rígidos SATA

transferem os dados em série.

Os cabos Serial ATA são formados por dois

pares de fios (um par para transmissão e outro

par para recepção) usando transmissão

diferencial, e mais três fios terra, totalizando 7

fios, o que permite usar cabos com menor

diâmetro que não interferem na ventilação do

gabinete.

Discos Magnéticos: interfaces

Dispositivos ópticos

Discos ópticos

Baseiam-se na propriedades de reflexão da luz

Dados organizados segundo uma espiral (5.6 Km)

Pit – zona queimada – não reflecte a luz

Land – zona não queimada – reflecte a luz

Land

Pit

12cm

1) Díodo de laser — Produz um feixe de raios laser altamente concentrado, que pode ser dirigido para

1 milésimo de milímetro.

2) Prismas — O feixe de raios laser passam por um conjunto de prismas, que o ajustam.

3) Espelho — O espelho reencaminha a luz reflectida para a cabeça de leitura.

4) Cabeça de leitura — A cabeça de leitura movimenta-se radialmente face ao disco, dirigindo

o feixe de laser para a área a ser lida.

5) Rotação variável — O disco roda de modo a trazer mais dados ao feixe de raios laser. Para manter

constante o ritmo a que os dados são acedidos, o disco roda mais lentamente

quando a cabeça de leitura está amis perto do centro.

6)Viagem de regresso — A luz é reflectida pela superfície do disco e regressa através da cabeça de

leitura, do espelho e dos prismas. Na viagem de regresso, os prismas encaminham o feixe para o fotodíodo.

7) Fotodíodo — Este componente fotossensível transforma a luz reflectida pelo disco em código binário

e depois envia-o para o processador.

Discos ópticos

Substrato (policarbonato)

Camada transparente

Camada reflectora

Camada protectora

Laser

1,2 mm

Áreas queimadas

CD-ROM

DVD-ROM

são discos que apenas permitem a leitura da informação neles contida; esta não pode

ser alterada; ROM = read only memory

CD-R

DVD-R

também podem ser chamados WORM (write once read many)

são discos que permitem a escrita de informação, mas, essa informação passa a ser

apenas de leitura, não podendo voltar a ser alterada

CD-RW

DVD-RW

discos regraváveis, graças a uma tecnologia que combina a técnica da leitura óptica

com a técnica de gravação electromagnética

• CD-RWs (CD-Rewritable)

– Ao contrário dos CD-Rs, um CD-RW pode ser regravado múltiplas vezes

– Utiliza numa das camadas um material (prata, iridium, antimónio, telurium) com

dois estados:

• Cristalino (mais reflectivo)

• Amorfo (menos reflectivo)

– O laser do gravador opera a 3 níveis de potência:

• Alta – Converte áreas cristalinas em amorfas (Pit) - escrita

• Média – Converte as áreas amorfas em cristalinas (Land) - escrita

• Baixa – Não efectua mudanças ao estado do material - leitura

Monitores

TRC

LCD fo

nte

de

luz

PDP (Plasma Display Panel)

LED (1)

Junção P-N Não condutora Condutora

electrões movem-se num

sentido, lacunas no outro

• lacunas – nível de energia baixo

• electrões – nível de energia mais alto

quando electrão “cai” no buraco,

liberta energia

a energia é emitida na forma de

um fotão luminoso;

o tamanho da queda determina

o nível de energia e a cor

LED (2)

+

-

OLED - Organic Light-Emitting Diode

• tecnologia criada pela Kodak em 1980

• compostos por moléculas de carbono (!) que emitem luz ao receberem uma carga elétrica

• ao contrário dos diodos tradicionais, as moléculas podem ser diretamente aplicadas sobre a

superfície da tela, usando um método de impressão (tipo impressora ink-jet); depois basta acrescentar

os filamentos metálicos que conduzem os impulsos eléctricos a cada célula

• o cátodo (carregado negativamente) envia electrões para a camada emissiva, enquanto o ânodo absorve

electrões da camada condutiva, deixando lacunas carregadas positivamente

• este processo cria uma camada emissiva carregada negativamente e uma camada condutiva carregada

positivamente.

• As duas camadas recombinam-se num processo que gera luz (semelhante aos LED)

AMOLED : Active-Matrix Organic Light-Emitting Diode

• Baseados em OLED

• Ligar/desligar pixel cerca de 3x mais rápido que LCD

• Maior luminosidade que LED (150% mais)

• Menor tempo de resposta (menor arrastamento)

• Maior ângulo de visão

• Melhor definição de cor (ex: negro mais negro)

• Menor espessura do display

• Ecrans flexíveis e transparentes

Projectores

LCD (LCoS-Liquid Crystal on Silicon)

LCD

DLP – Digital Light Processing

• 2 milhões de espelhos microscópicos!

• cada espelho mede cerca de 1/5 de um cabelo humano

• o movimento dos espelhos é coordenado com o sinal de vídeo, uma fonte de luz e um

conjunto de lentes de modo que cada um deles reflecte uma imagem digital para o écran

ou para outra direcção, produzindo uma imagem de grande qualidade

http://www.dlp.com/tech/what.aspx

Digital Micromirror Device (DMD) - Texas Instruments(1987)

DLP – Digital Light Processing

DLP – Digital Light Processing

1 CHIP DLP PROJECTION SYSTEM

3 CHIP DLP PROJECTION SYSTEM

Tecnologias de Impressão

Tecnologias:

impacto

sem impacto

•jacto de tinta

•laser

Tecnologias de Impressão

Impacto (agulhas) Características

• caracteres formados por pontos bastante próximos

• cada ponto é obtido por uma agulha que pressiona uma

fita impregnada de tinta contra o papel

• as cabeças de impressão têm 9 ou 24 agulhas

Vantagens

• flexíveis e baratas

• etiquetas, rótulos e documentos que necessitem de cópias

• confiáveis e duráveis, pouca manutenção

Inconvenientes

• lentas, barulhentas

• baixa resolução gráfica

• difícil encontrar fitas de impressão e peças

Tecnologias de Impressão Jacto de tinta

• lançam pequenas gotículas (pontos) de tinta sobre o papel para criar uma imagem

• os pontos são extremamente pequenos (geralmente entre 50 e 60 microns de diâmetro), mais

finos que o diâmetro de um cabelo humano (70 microns)

• os pontos são posicionados de maneira muito precisa, com resoluções de até 1440x720 dpi

os pontos podem ter cores diferentes combinadas para criar imagens com qualidade fotográfica

• são despejadas milhares de gotículas de tinta por segundo, comandados por um programa que

determina quantas gotículas e onde deverão ser lançadas, além da mistura de tintas.

0.02mm

Buble jet ou térmico – HP, Lexmark, Canon

• impressora aquece pequenas quantidades de tinta até cerca de 500 °C

• ao aquecer forma-se uma bolha que força uma pequena gotícula de tinta a sair por um orificio

• o processo leva cerca de 20 milionésimos de segundo por gota.

• o cartucho contém todo o mecanismo tornando-o caro mas com pouca manutenção

• permite a utilização de todo o cartucho pois está pressurizado, tendo um bom custo/benefício.

Piezo-elétrico – Epson

• emprega um cristal piezo-elétrico que muda de forma com a aplicação de uma corrente eléctrica

• o cristal entorta, gerando pressão suficiente para expelir uma gotícula de tinta

• a gotícula é muito pequena, alcançando resoluções muito altas e cor de grande qualidade

• o mecanismo fica situado na impressora, sendo os cartuchos apenas reservatórios

• pode entupir com facilidade caso não seja usada diariamente.

Tipos de impressão

http://www.dginter.net/cst/2011CST/Chapter07/old/UnitBPrinters/old/dev/HowStuffW

orks/How%20Inkjet%20Printers%20Work.htm

cabeça de impressão e suporte

dos cartuchos de tinta

motor passo-a-passo

(stepper motor)

Tecnologias de Impressão Laser

Questão:

- Como pode um raio laser imprimir figuras numa folha de papel?

Resposta:

- usando electricidade estática e a lei da atracção-repulsão

tambor de alumínio revestido

por um material sensível à luz

fio de corona principal (O)

alta tensão

- 6000V

carga de -600V

(1)

carga de -100V

(2)

Toner : constituído por partículas de uma resina plástica (aquelas que darão origem à

imagem) e um óxido de ferro (partículas que são afectadas pelas cargas eléctricas)

tambor coberto de toner, carregado a -600V

-600V (repele

o toner)

-100V (atrai

o toner)

(3)

tambor com imagem

electroestática

alta tensão

+600V

folha de papel

carregada a +600V

-100V

partículas de toner

são atraídas para o papel

(4)

fio corona de

transferência

(5)

rolos aquecidos a cerca de

200ºC, fundem o toner no papel

Cientistas fazem pesquisas para verificar se há o risco dos fumos libertados durante a

impressão ser cancerígena para o organismo humano. Algumas entidades têm tentado travar a

produção destas impressoras até esta dúvida estar esclarecida .

partículas de toner

definitivamente

presas ao papel

Impressora Laser - componentes

Laser

In a lot of printers, the toner hopper, developer

and drum assembly are combined in one replaceable

cartridge.

Cores

RGB – sistema aditivo (TV, monitores)

CMYK : “Cyan“, “Magenta“, “Yellow” e “Key”(black) - modelo subtractivo pois a tinta

“subtrai” luminosidade do branco incidente

C+M+Y = K (preto, impuro) K – mais barato, molha menos o papel, permite maior detalhe

CMYK é usado na impressão em cores com tinta, escondendo certas cores quando

impresso em um fundo branco (ou seja, absorvendo ondas de luz particulares).

CMYK combinadas podem reproduzir milhões de cores diferentes, toda a principal gama de

cores do espectro visível, embora não todas as existentes

impressão em CMYK

Jacto de Tinta ↔ Laser

jacto de tinta

- mais baratas

- produção fácil de cor

- tinteiros muito caros, pouca duração

laser

- mais caras

- mais rápidas

- mais precisas

- mais económicas – toner barato e duradouro

Dimensões do Papel

sistema métrico

A0 – 1 m2 de área com lados na razão

de um para raiz quadrada de dois

A1 – divisão em dois do A0, com metade

da área

A2 – divisão do A1 em dois

A3 – divisão do A2 em dois

A4 – divisão do A3 em dois,

quarta divisão do tamanho A0

210 mm larg. * 297 mm comp.

(297=210*√2)

A3→A4 reduzir a 71%

A5 – divisão em dois do A4

A4→A5 reduzir a 71%

Scanners

“ Um scanner é um aparelho de leitura óptica que permite

converter imagens, fotos, ilustrações e textos em papel,

num formato digital que pode ser manipulado em computador.”

Também é possível obter representações de objectos

tridimensionais scanner 3D

Scanners - Tipos

Mesa: são os mais versáteis e os mais usados. O documento fica

fixo e a cabeça do scanner é que se move.

Página: são parecidos com os de mesa, o documento é que se move

e a cabeça do scanner fica imóvel. É idêntico a uma impressora portátil.

Mão: usam a mesma tecnologia básica do scanner de mesa; a cabeça

do sensor é movida pelo utilizador ao longo do documento.

Geralmente não oferecem uma boa qualidade de imagem,

podendo ser muito úteis para digitalizar texto.

Scanners - Componentes

Componentes de um scanner de mesa:

• sensor do dispositivo de carga acoplado (CCD)

• espelhos

• cabeça de leitura

• lâmpada

• lente

• filtros

• motores (passo )

• fonte de alimentação

• porta(s) de interface

• software e circuitos de controle

Scanners – Sensor de Imagem

CCD [Charge Coupled Device] : constituído por minúsculas células foto-sensíveis

que convertem a luz incidente em cargas eléctricas

lâmpada fluorescente de iluminação

cabeça de leitura

Scanners – Mecânica