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<p>1</p><p>Teoria: Visão Geral da Arquitetura de Computadores</p><p>1. INTRODUÇÃO</p><p>A arquitetura de computadores é o estudo dos componentes que constituem um sistema informático e de</p><p>como estes interagem para executar tarefas e processar informações. Compreender a arquitetura de um</p><p>computador é fundamental para quem deseja aprofundar conhecimentos em informática, engenharia ou</p><p>simplesmente entender como funcionam os dispositivos que utilizamos diariamente.</p><p>Neste capítulo, exploraremos em detalhe os principais componentes de um computador, as diferenças</p><p>entre as arquiteturas RISC e CISC, e realizaremos uma atividade prática utilizando um simulador para</p><p>consolidar os conhecimentos adquiridos.</p><p>2. Conceito de Arquitetura de Computadores</p><p>A arquitetura de computadores refere-se à descrição funcional dos requisitos e implementação de um</p><p>sistema informático. Inclui o conjunto de regras e métodos que definem a funcionalidade, organização e</p><p>implementação dos sistemas computacionais.</p><p>3. Definição e Importância</p><p>A arquitetura de computadores pode ser vista como o design conceptual e a estrutura operacional</p><p>fundamental de um sistema informático. Envolve a implementação da estrutura dos componentes de</p><p>hardware, do sistema operativo e dos protocolos de comunicação.</p><p>Importância:</p><p>• Desempenho Otimizado: Uma boa arquitetura permite que o computador execute tarefas de</p><p>forma eficiente.</p><p>UFCD 10871:</p><p>Introdução à Administração de Sistemas</p><p>FICHA INFORMATIVA 01</p><p>Formador: Sandra Liliana Meira de Oliveira</p><p>2</p><p>• Compatibilidade: Garante que o hardware e o software funcionem em conjunto sem problemas.</p><p>• Escalabilidade: Permite que os sistemas sejam atualizados ou expandidos conforme necessário.</p><p>4. Evolução Histórica</p><p>A evolução da arquitetura de computadores acompanha o avanço tecnológico desde os primeiros</p><p>dispositivos mecânicos até aos sofisticados sistemas digitais atuais.</p><p>Marcos Históricos:</p><p>• Anos 1940: Desenvolvimento dos primeiros computadores eletrónicos, como o ENIAC.</p><p>• Anos 1950: Introdução dos transístores, substituindo as válvulas de vácuo.</p><p>• Anos 1960: Aparecimento dos circuitos integrados.</p><p>• Anos 1970: Surgimento dos microprocessadores, como o Intel 4004.</p><p>• Anos 1980 em diante: Evolução contínua com aumento da capacidade de processamento e</p><p>miniaturização dos componentes.</p><p>5. Modelos de Arquitetura</p><p>Arquitetura de von Neumann</p><p>Proposta por John von Neumann em 1945, esta arquitetura caracteriza-se pela utilização de uma</p><p>única memória para armazenar dados e instruções.</p><p>Características:</p><p>• Unidade de Processamento Única: A CPU executa operações aritméticas e lógicas.</p><p>• Memória Comum: Dados e instruções partilham o mesmo espaço de memória.</p><p>• Fluxo Sequencial: As instruções são processadas de forma sequencial.</p><p>3</p><p>Arquitetura Harvard</p><p>Nesta arquitetura, a memória de dados e a memória de instruções são separadas, permitindo acessos</p><p>simultâneos.</p><p>Características:</p><p>• Memórias Separadas: A CPU pode ler uma instrução e aceder aos dados ao mesmo tempo.</p><p>• Maior Velocidade: Reduz a latência causada pelo acesso sequencial.</p><p>• Utilização Comum: Empregue em microcontroladores e sistemas embebidos.</p><p>6. Componentes Principais de um Computador</p><p>Um computador é composto por diversos componentes que trabalham em conjunto para processar dados</p><p>e executar programas. A seguir, detalhamos cada um destes componentes.</p><p>7. Unidade Central de Processamento (CPU)</p><p>A CPU é o cérebro do computador, responsável por executar instruções e processar dados.</p><p>Estrutura Interna:</p><p>• Unidade de Controle (Control Unit - CU): Interpreta as instruções e controla o fluxo de dados</p><p>dentro da CPU.</p><p>• Unidade Aritmética e Lógica (Arithmetic Logic Unit - ALU): Realiza operações matemáticas e</p><p>lógicas.</p><p>• Registos: Pequenas áreas de armazenamento dentro da CPU para dados temporários.</p><p>4</p><p>Funcionamento:</p><p>• Ciclo de Instrução:</p><p>1. Busca (Fetch): O CPU obtém a instrução da memória.</p><p>2. Decodificação (Decode): A instrução é interpretada.</p><p>3. Execução (Execute): A instrução é executada pela ALU.</p><p>4. Armazenamento (Store): O resultado é guardado num registo ou na memória.</p><p>Parâmetros de Desempenho:</p><p>• Frequência de Clock: Mede a velocidade de operação (GHz).</p><p>• Número de Núcleos: CPUs multicore podem executar múltiplas tarefas simultaneamente.</p><p>• Cache: Memória interna rápida que armazena dados frequentes.</p><p>8. Memória RAM (Random Access Memory)</p><p>A RAM é a memória de trabalho do computador, onde são armazenados temporariamente os dados e</p><p>programas em uso.</p><p>Tipos e Características:</p><p>• Tipos de RAM:</p><p>5</p><p>o DDR, DDR2, DDR3, DDR4, DDR5: Diferentes gerações com aumentos na velocidade e</p><p>eficiência.</p><p>• Capacidade: Medida em gigabytes (GB), influencia a quantidade de programas que podem ser</p><p>executados simultaneamente.</p><p>• Latência e Velocidade: A velocidade de acesso aos dados influencia o desempenho geral.</p><p>Função no Sistema:</p><p>• Armazenamento Temporário: Dados são perdidos quando o computador é desligado.</p><p>• Desempenho: Quantidade suficiente de RAM evita que o sistema recorra ao disco rígido, que é</p><p>mais lento.</p><p>9. Armazenamento</p><p>Responsável por guardar dados e programas de forma permanente.</p><p>9.1. Discos Rígidos (HDD)</p><p>• Funcionamento: Utiliza discos magnéticos giratórios e cabeças de leitura/escrita.</p><p>• Capacidade: Geralmente oferece mais espaço a um custo inferior.</p><p>• Velocidade: Mais lento devido às partes mecânicas.</p><p>6</p><p>9.2. Unidades de Estado Sólido (SSD)</p><p>• Funcionamento: Armazena dados em chips de memória flash.</p><p>• Velocidade: Mais rápido que HDDs, sem partes móveis.</p><p>• Confiabilidade: Menos suscetível a danos físicos.</p><p>10. NVMe e M.2</p><p>• NVMe (Non-Volatile Memory Express): Interface que permite altas velocidades de transferência.</p><p>• M.2: Formato físico de SSDs, compacto e conectado diretamente à motherboard.</p><p>10.1. Placa-Mãe (Motherboard)</p><p>A placa-mãe é a espinha dorsal do computador, conectando todos os componentes.</p><p>Componentes e Funções:</p><p>• Socket de CPU: Local onde o processador é instalado.</p><p>• Slots de RAM: Para instalação de módulos de memória.</p><p>• Chipset: Controla a comunicação entre a CPU, memória e periféricos.</p><p>• BIOS/UEFI: Firmware que inicia o sistema e carrega o sistema operativo.</p><p>• Slots de Expansão: Para placas gráficas, de som, rede, etc.</p><p>7</p><p>8</p><p>10.2. Placas Gráficas (GPU)</p><p>Responsáveis pelo processamento de gráficos e imagens.</p><p>• Integradas: Integradas na CPU ou motherboard, adequadas para tarefas básicas.</p><p>• Dedicadas: Placas separadas com memória e processamento próprios, ideais para jogos e</p><p>aplicações gráficas intensivas.</p><p>Arquitetura Interna:</p><p>• Núcleos de Processamento Paralelo: Permitem processar múltiplas operações simultaneamente.</p><p>• Memória Gráfica (VRAM): Armazena texturas e imagens para processamento rápido.</p><p>9</p><p>10.3. Dispositivos de Entrada e Saída (I/O)</p><p>Permitem a interação do utilizador com o computador.</p><p>• Entrada:</p><p>o Teclado, Rato, Microfone, Scanner.</p><p>• Saída:</p><p>o Monitor, Impressora, Colunas de Som.</p><p>• Interfaces e Protocolos:</p><p>o USB, HDMI, DisplayPort, Bluetooth.</p><p>10</p><p>Bluetooth é uma tecnologia de conexão sem fio de curto alcance.</p><p>Ver: https://tecnoblog.net/responde/o-que-e-bluetooth/</p><p>11. Arquiteturas RISC vs. CISC</p><p>As arquiteturas RISC e CISC representam duas abordagens diferentes na forma como os</p><p>processadores executam instruções.</p><p>11.1. Arquitetura RISC (Reduced Instruction Set Computer)</p><p>Princípios Fundamentais:</p><p>• Conjunto de Instruções Reduzido: Menor número de instruções simples.</p><p>• Execução Rápida: Instruções executadas em um ciclo de clock.</p><p>• Pipeline Eficiente: Permite que múltiplas instruções sejam processadas simultaneamente em</p><p>estágios diferentes.</p><p>11</p><p>Vantagens:</p><p>• Eficiência Energética: Consome menos energia, ideal para dispositivos móveis.</p><p>• Desempenho Superior em</p><p>Tarefas Simples: Execução rápida de instruções básicas.</p><p>Exemplos de Utilização:</p><p>• Processadores ARM: Utilizados em smartphones, tablets e dispositivos IoT.</p><p>• Arquitetura RISC-V: Arquitetura aberta que permite personalização.</p><p>Recursos Adicionais:</p><p>• Introdução à Arquitetura RISC: https://pt.wikipedia.org/wiki/Arquitetura_RISC</p><p>11.2. Arquitetura CISC (Complex Instruction Set Computer)</p><p>Princípios Fundamentais:</p><p>• Conjunto de Instruções Complexo: Maior número de instruções, incluindo operações complexas.</p><p>• Flexibilidade: Pode executar tarefas complexas com menos linhas de código.</p><p>• Compatibilidade Retroativa: Mantém compatibilidade com instruções mais antigas.</p><p>Vantagens:</p><p>• Redução da Carga de Software: Instruções complexas são geridas pelo hardware.</p><p>• Facilita a Programação: Menos esforço para o programador em certas tarefas.</p><p>Exemplos de Utilização:</p><p>• Processadores Intel e AMD: Utilizados em computadores pessoais e servidores.</p><p>Recursos Adicionais:</p><p>• Introdução à Arquitetura CISC: https://pt.wikipedia.org/wiki/Arquitetura_CISC</p><p>https://pt.wikipedia.org/wiki/Arquitetura_RISC</p><p>https://pt.wikipedia.org/wiki/Arquitetura_CISC</p><p>12</p><p>11.3. Comparação Detalhada</p><p>Característica RISC CISC</p><p>Conjunto de Instruções Reduzido e simples Amplo e complexo</p><p>Execução das Instruções Uma por ciclo de clock Pode demorar vários ciclos</p><p>Pipeline Mais eficiente Menos eficiente</p><p>Consumo de Energia Menor Maior</p><p>Utilização Típica Dispositivos móveis, embebidos Computadores pessoais, servidores</p><p>Imagem 1: Diagrama Comparativo</p><p>11.4. Tendências Atuais</p><p>• Convergência das Arquiteturas: Processadores modernos incorporam características de ambas</p><p>as arquiteturas.</p><p>• Processadores Híbridos: Combinação de núcleos de alta eficiência (RISC) e alto desempenho</p><p>Outras Atividades Práticas</p><p>12. Atividades Práticas</p><p>Atividade 1: Comparação entre RISC e CISC</p><p>Objetivo: Compreender as diferenças entre as arquiteturas RISC e CISC através de exemplos práticos.</p><p>Enunciado:</p><p>1. Pesquise dois processadores atuais, um que utilize arquitetura RISC e outro CISC.</p><p>2. Elabore uma tabela comparativa incluindo:</p><p>o Modelo do processador</p><p>o Arquitetura (RISC ou CISC)</p><p>o Frequência de Clock</p><p>o Número de Núcleos</p><p>o Consumo Energético</p><p>o Aplicações Típicas</p><p>3. Analise as vantagens e desvantagens de cada um no contexto das suas aplicações.</p><p>Resolução:</p><p>13</p><p>Característica Apple M1 (RISC) Intel Core i7-11700K (CISC)</p><p>Modelo do Processador Apple M1 Intel Core i7-11700K</p><p>Arquitetura RISC (ARM-based) CISC (x86-64)</p><p>Frequência de Clock Até 3.2 GHz Até 5.0 GHz</p><p>Número de Núcleos 8 (4 performance + 4 efficiency) 8 cores / 16 threads</p><p>Consumo Energético ~15W (eficiente) 125W (TDP)</p><p>Aplicações Típicas Laptops, desktops da Apple Desktops de alto desempenho</p><p>Análise:</p><p>• Apple M1 (RISC):</p><p>o Vantagens:</p><p>▪ Alta eficiência energética.</p><p>▪ Bom desempenho em tarefas otimizadas.</p><p>o Desvantagens:</p><p>▪ Menor compatibilidade com software legacy.</p><p>• Intel Core i7-11700K (CISC):</p><p>o Vantagens:</p><p>▪ Alto desempenho em aplicações gerais.</p><p>▪ Ampla compatibilidade com software.</p><p>o Desvantagens:</p><p>▪ Maior consumo de energia.</p><p>14</p><p>13. Perguntas de Revisão</p><p>1. O que é a arquitetura de von Neumann e quais são as suas principais características?</p><p>o Resposta: É um modelo de arquitetura de computadores que utiliza uma única memória</p><p>para armazenar dados e instruções, com execução sequencial de instruções pela CPU.</p><p>2. Quais são as principais diferenças entre RAM e armazenamento permanente (HDD/SSD)?</p><p>o Resposta: A RAM é uma memória volátil usada para armazenar temporariamente dados em</p><p>uso, enquanto o HDD/SSD é armazenamento permanente para dados e programas, mesmo</p><p>quando o sistema está desligado.</p><p>3. Explique as vantagens da arquitetura RISC em dispositivos móveis.</p><p>o Resposta: A arquitetura RISC consome menos energia devido ao conjunto de instruções</p><p>simplificado, tornando-se ideal para dispositivos móveis que requerem eficiência energética.</p><p>4. Como é que o CPU, a memória e os dispositivos de I/O interagem num computador?</p><p>o Resposta: A CPU processa instruções e dados, comunicando com a memória para</p><p>ler/escrever dados, enquanto os dispositivos de I/O permitem a entrada e saída de</p><p>informações, todos interligados pela placa-mãe.</p><p>5. Descreva o funcionamento básico de um processador durante o ciclo de instrução.</p><p>o Resposta: O processador busca a instrução na memória (fetch), decodifica-a (decode),</p><p>executa-a (execute) e armazena o resultado (store).</p>