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Aula 7 – Arquitetura de computador – hardware
Introdução
Tanenbaum (2011) define que um computador moderno é um sistema de hardware que realiza operações lógicas e aritméticas, manipulação de dados (normalmente na forma binária) e tomada de decisões.
A função de um computador é resolver problemas por meio de tarefas, que podem ser executadas utilizando uma sequência ordenada de instruções de máquina.
CPU
CPU é responsável por controlar as operações do computador e realizar as funções de processamento de dados como cálculos e operações lógicas. Ela também é conhecida pelo nome de processador.
CPU é composta de um circuito de busca e decodificação (interpretação) de instruções, para o controle e a realização de várias operações determinadas pelas instruções.
O processador, como o próprio nome sugere, é o componente responsável pelo processamento de instruções e de dados para que o computador execute as tarefas.
O processador pode ser dividido em três partes:
· Unidade lógica e aritmética (ULA): A unidade lógica e aritmética realiza operações lógicas e aritméticas, tais como: operações de adição, subtração e operações booleanas (AND, OR, XOR, NOT, entre outras). Também usadas as siglas UAL ou ALU.
· Unidade de controle (UC): A unidade de controle trata da execução de qualquer instrução dentro de um processador. 
· Registradores: Podemos relacionar os registradores como pequenas memórias disponibilizadas internamente nos processadores. A principal função é armazenar os dados que estão sendo processados em um determinado momento e guardar informações importantes para a execução de uma instrução. Citaremos dois tipos de registradores:
· Registradores de propósitos gerais para armazenar dados.
· Registradores específicos que podem armazenar as informações necessárias para a execução de uma instrução e que, normalmente, são gerenciados pela UC.
Composição de um processador:
A unidade central de processamento (central processing unit – CPU) fica localizada na placa mãe do computador.
Para entendermos melhor o funcionamento da CPU, a figura 3 ilustra as cinco partes principais de um computador digital e as interações entre elas:
A unidade lógica e aritmética (ULA) e a unidade de controle (UC) são quase sempre consideradas uma unidade central de processamento. 
As principais funções de cada unidade são:
· Unidade de entrada: Por meio dessa unidade, um conjunto de instruções e dados é introduzido na unidade de memória do sistema computacional do computador para ser armazenado até o momento da utilização.
· Unidade de memória: A unidade de memória opera de forma a armazenar as instruções e os dados recebidos da unidade de entrada. Ela armazena o resultado de operações aritméticas, recebidas da unidade aritmética, e fornece informações para a unidade de saída.
· Unidade de controle: A unidade de controle tem o papel de buscar instruções contidas na memória e interpretá-las. Depois disso, envia sinais para outras unidades, conforme as instruções específicas a serem executadas.
· Unidade lógica e aritmética: Todos os cálculos aritméticos e operações lógicas são realizados nesta unidade. Seus resultados podem ser emitidos para serem armazenados na unidade de memória.
· Unidade de saída: A principal tarefa da unidade de saída é receber os dados de memória e imprimi-los, ou apresentá-los, de modo que seja possível operá-los ou processá-los, como no caso de um computador de controle de processos.
Memória
Circuito com memória: quando uma entrada é aplicada em um circuito desse tipo, a saída altera seu estado, porém, ela se mantém no novo estado ainda que o sinal de entrada seja removido em seguida. Essa característica de retenção da resposta a uma entrada momentânea é denominada “memória”. 
Veja figura:
Os sistemas digitais são constituídos de dispositivos e circuitos de memória e fornecem um meio de armazenamento, de forma temporária ou permanente, de números binários, com a capacidade de alterar, a qualquer momento, a informação contida. 
Um sistema de computação normalmente apresenta uma hierarquia de subsistemas composta de memórias internas e externas. As memórias internas são acessíveis diretamente pelo processador, já as memórias externas são acessadas pelo processador por meio de um módulo de entrada/saída (E/S).
No nível mais alto da hierarquia das memórias (nível mais próximo do processador), estão os registradores, em seguida, os níveis de memória cache e, na sequência, a memória principal, que é dinâmica, de acesso aleatório. Depois, temos as memórias externas, como um disco rígido fixo, e, em um nível abaixo, a mídia removível, como discos ópticos. 
Uma particularidade dos processadores é que eles requerem uma memória local própria, na forma de registradores.
A memória externa consiste em dispositivos de armazenamento periféricos, como disco e fita, que são acessíveis ao processador por meio de controladores de E/S.
Uma característica da memória é a sua capacidade de armazenamento. Stallings (2009) define que a memória interna é expressa em termos de bytes (1 byte = 8 bits) ou palavras em agrupamentos de bits. Os tamanhos comuns de palavra são 8, 16 e 32 bits.
Um outro mecanismo fundamental está diretamente associado à transferência de dados na memória, também chamada de unidade de transferência. A unidade de transferência é igual ao número de linhas elétricas para dentro e para fora do módulo de memória. Isso é similar ao tamanho da palavra, que geralmente é maior, por exemplo, 64, 128 ou 256 bytes.
Três conceitos associados à memória interna:
· Palavra: O tamanho da palavra é geralmente igual ao número de bits usado para representar um número inteiro e o tamanho da instrução. No entanto, existem muitas exceções. Por exemplo, a arquitetura Intel x86 possui uma ampla variedade de tamanhos de instruções, expressos em múltiplos de bytes e em uma palavra de 32 bits.
· Unidades endereçáveis: Em alguns sistemas, a unidade endereçável é a palavra. No entanto, o endereçamento, em muitos sistemas, é no nível de bytes. De qualquer forma, a igualdade 2A = N significa que A é o tamanho de bit de um endereço e N é o número de unidades endereçáveis.
· Unidade de transferência: Para a memória principal, a unidade de transferência refere-se ao número de bits lidos ou gravados na memória ao mesmo tempo. A unidade de transferência não precisa ser a mesma que uma palavra ou uma unidade endereçável. Para memória externa, os conhecidos “blocos” são dados transferidos em grandes quantidades, maiores que o tamanho de uma palavra.
As memórias podem ser classificadas em:
· Memórias voláteis: Sua característica principal é não manter os dados em seu interior após a falta de energia. Funcionam da mesma forma a memória cache, a memória registradora e a memória de acesso aleatório (RAM).
· Memórias não voláteis: Diferentemente das memórias voláteis, estas não perdem suas informações internas na ausência de energia. Podemos citar algumas memórias não voláteis, como memórias flash e disco rígido (HD).
· Memória principal: Sua função principal é armazenar as informações necessárias para fornecer ao processador em um momento determinado. A memória principal, também conhecida por “memória RAM”, é capaz de fornecer um caminho para as memórias secundárias.
· Memórias secundárias: Também conhecidas como “memórias de armazenamento em massa”, são utilizadas para o armazena- mento de grande volume de dados de forma permanente. São do tipo não voláteis, mas, para que suas informações possam ser utilizadas, é necessário que sejam carregadas na memória principal, para que, então, sejam tratadas pelo processador. Podemos citar como memórias secundárias os discos rígidos, os discos ópticos (CDs, DVDs e Blu-Rays), os disquetes e as fitas magnéticas.
Módulo de entrada/saída (E/S) ou input/output (I/O)
Uma arquitetura de entrada/saída (E/S) ou input/output (I/O) do sistema de computação consiste em uma interface com o mundo exterior.
Podemos descrever sucintamente que o módulo de E/S é uma entidade de controle dentro do computadorresponsável por gerenciar um ou mais dispositivos externos, de forma a realizar a transferência de dados entre esses dispositivos e a memória principal, bem como os registros da CPU.
Sendo assim, o módulo de E/S é uma interface interna ao computador (da CPU e da memória principal) e uma interface externa para o computador se conectar aos dispositivos externos. A figura 5 ilustra as possíveis conexões de um módulo de E/S.
Vide figura:
Existem três tipos principais de E/S:
· E/S programada: Funciona de forma que o programa tem o controle direto e contínuo das operações de E/S.
· E/S controlada por interrupção: Neste tipo, um programa emite um comando de E/S e, depois, continua a executar até que seja interrompido pelo hardware de E/S para sinalizar o final da operação de E/S.
· Acesso direto à memória (direct memory access – DMA): No acesso DMA, o processador de E/S especializado controla a movimentação de um grande volume de dados.
As principais funções ou requisitos para um módulo de E/S são:
· comunicação com a CPU;
· temporização e controle;
· comunicação com o dispositivo;
· temporização dos dados;
· detecção de erros.
Barramentos
Cada dispositivo de E/S consiste em duas partes: uma que contém grande parte da eletrônica, denominada “controlador”, e outra que contém o dispositivo de E/S em si, tal como um drive de disco. O controlador está, em geral, contido em uma placa que é ligada a um encaixe livre. 
O controlador se conecta com seu dispositivo por um cabo ligado ao conector na parte de trás do gabinete. 
Um controlador tem a função de controlar um dispositivo de E/S e manipular para que ele possa acessar o barramento.
Um controlador pode acessar diretamente dados da memória sem a ajuda da CPU. Para esse tipo de ação, dá-se o nome de DMA. 
O barramento não é usado apenas pelos controladores de E/S, mas também pela CPU para buscar instruções e dados. 
O que acontece se a CPU e um controlador de E/S quiserem usar barramento ao mesmo tempo?
A resposta é que um chip, denominado “árbitro de barramento”, é responsável por alocar tempo no barramento, resolvendo, assim, esse impasse.
Os barramentos PCI trabalham com uma taxa de clock máxima de 66 MHz. Com 64 bits transferidos por ciclo, a taxa de dados é de 528 MB/s. Com uma taxa de clock de 8 GHz, até mesmo com transferência serial, a taxa de dados do PCIe é de 1 GB/s.
Além do mais, os dispositivos não estão limitados a um único par de fios para se comunicarem com o complexo raiz ou com um switch. Um dispositivo pode ter até 32 pares de fios, chamados de lanes (pistas). Essas pistas não são síncronas, de modo que a distorção não é importante aqui. A maioria das placas-mãe tem um encaixe de 16 pistas.