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OOrrggaanniizzaaççããoo ddee CCoommppuuttaaddoorreess II PPrrooff.. AAlleexxaannddrree MMaarrttiinnss DDiiaass MMeessttrree eemm CCiiêênncciiaass,, IITTAA ((8811)) EEssppeecciiaalliissttaa eemm FFííssiiccaa,, PPUUCC--MMGG ((7777)) EEssppeecciiaalliissttaa eemm CCoommppuuttaaççããoo,, PPUUCC--MMGG ((8888)) UUNNIIFFEENNAASS AAllffeennaass –– RReevv 22001144 Cap. 1 – Organização de Computadores 2 Dias, Alexandre Martins. Organização de Computadores I/ Alexandre Dias Martins. -- Alfenas, 2014. 6 arquivos recurso digital. Modo de acesso: http://www.unifenas.br/biblioteca.asp Formato: PDF 1. Computadores. I. Universidade José do Rosário Vellano – UNIFENAS. II. Título. CDU: 004 Cap. 1 – Organização de Computadores 3 Organização de Computadores I Capítulo 1 – Organização do hardware Conteúdo 1. Organização de Computadores _________________________________________ 4 1.1 Introdução - Gerações ______________________________________________________4 1.2- Estrutura de um Sistema de Computação______________________________________5 1.3- Organização do Hardware __________________________________________________6 1.4- CONSOLE _______________________________________________________________6 1.4.1- Teclado ______________________________________________________________________ 6 1.4.2- Monitor de Vídeo ______________________________________________________________ 8 1.5 “Organização” e “Arquitetura” de Computadores ______________________________10 Cap. 1 – Organização de Computadores 4 1. Organização de Computadores Objetivos: Descrever os elementos fundamentais de um microcomputador. Discutir o funcionamento dos principais componentes de um microcomputador. descrever a estrutura básica de um sistema de computação. A Bibliografia para todos os Capítulos encontra-se no módulo “Glossário e Bibliografias”. 1.1 Introdução - Gerações 1ª. Geração- Era das válvulas (1945-1955) O computador eletrônico é uma máquina relativamente nova. O primeiro computador eletrônico digital, denominado ENIAC (Electronic Numerical Integrator And Computer), projetado pelo físico John W. Mauchly e pelo engenheiro John Presper Eckert na University of Pennsylvania em 1945, entrou em operação em 1946, permanecendo até 1955. Era um computador com cerca de 18.000 válvulas, pesando 30 toneladas, que ocupava um andar inteiro de um prédio. Sua finalidade era o cálculo de tabelas de balística para o exército americano. Era uma máquina decimal (não binária) e sua programação, que envolvia uma configuração de cabos e chaves como nas antigas mesas telefônicas, podia demorar vários dias. Vários outros projetos tiveram início nesta época, mas o projeto do matemático John von Neumann, denominado IAS (Institute for Advanced Studies) na Universidade de Princeton em 1952, trazia idéias revolucionárias como a construção de um computador sequencial binário de programa armazenado, ou seja, uma máquina que usava códigos binários (de dois dígitos: 0 e 1) para representar as informações e que possuía um dispositivo para armazenar (gravar) uma sequência de comandos (o programa), de modo que uma tarefa ou um cálculo pudesse ser repetido sem a necessidade de reprogramar a máquina. Afinal, trabalhar com dois níveis de tensão elétrica para as representações binárias era muito mais confiável e mais fácil que dez níveis de tensão elétrica diferentes para um computador decimal. A arquitetura proposta por von Neumann permanece até os nossos dias: instruções e dados estão em uma única memória física; um programa é uma seqüência de instruções de máquina; uma instrução é lida da memória de acorda coma ordem do programa e, após executada, passa-se para a próxima instrução; 2ª. Geração: - Transistores (1955-1965) A produção do transistor (elemento que substituiu as antigas válvulas) no final de 1948, por Bardeen, Bratain e Schockley, cientistas do Bell Laboratories, nos EUA, abriu uma nova perspectiva para a produção de computadores. 3ª Geração – Circuitos integrados (1965-1980) Em 1958, Jack Kilby, da Texas Instruments Co., conseguiu agrupar dois circuitos baseados em transistores, em uma pastilha, dando origem ao primeiro circuito integrado da história. A partir daí, Fig.1.1- Arquitetura Von Neumann Cap. 1 – Organização de Computadores 5 a microeletrônica prosperou rapidamente e em 1971, a Intel Corporation, na Califórnia, EUA, produziu o primeiro microprocessador, também denominado CPU (Central Processor Unit), o INTEL 4004, uma pastilha de circuito integrado com 2.300 transistores. Sua finalidade era o emprego na produção de uma calculadora eletrônica. Logo após, em 1972, a Intel lançou o primeiro microprocessador para uso em computadores pessoais, o INTEL 8008. Esta CPU já continha cerca de 3500 transistores encapsulados na pastilha, trabalhava com informações codificadas usando oito dígitos binários e possuía um conjunto de instruções ou comandos pré- gravados, para realizar tarefas básicas como: somar dois valores, multiplicar dois valores, etc. Começava a era dos microcomputadores de 8 bits. Em 1974 foi lançado o INTEL 8080. Em 1979, a Motorola lançou um microprocessador com capacidade de trabalhar com informações codificadas com 32 dígitos binários, o 68000 e seis anos após, a Intel lança o Intel 80386. 4ª geração – Integração (1980- ?). Estamos na 4ª. Geração, com circuitos LSI, de alta integração. 1.2- Estrutura de um Sistema de Computação O computador é uma máquina constituída de vários componentes eletrônicos com a finalidade de obter dados, manipular e produzir resultados ou informações. Os dados constituem os objetos inicialmente obtidos, ou as entradas; as manipulações destes dados constituem o processamento e os resultados deste processamento constituem a informação(novo conhecimento). DADOS > PROCESSAMENTO > INFORMAÇÃO O processamento geralmente é realizado em etapas sequenciais, com uma organização lógica adequada. Estas etapas são constituídas de ordens ou comandos, logicamente ordenados, constituindo um programa. Assim, um programa de computador é um conjunto de instruções logicamente organizado. Para que o computador pudesse executar estes conjuntos de ordens ou comandos, que constituem os programas, estes deveriam ser escritos em códigos binários que seriam diretamente interpretados internamente e executados. Entretanto, estes códigos constituem uma linguagem, denominada linguagem de máquina, ou de baixo nível, que é muito difícil de ser manipulada, pois cada carácter e cada comando deveria ser escrito usando o seu código binário equivalente, tornando os programas, filas intermináveis de zeros (0) e uns (1). Daí, surgiram as linguagens de programação de alto nível, de forma que os comandos são formados por palavras comuns da nossa linguagem natural (geralmente em inglês) e um conjunto simples de regras de sintaxe para a escrita dos programas. Várias destas linguagens de programação ainda estão em uso corrente, como: Pascal, C, Fortran, Assembly, etc. Atualmente, com os recursos gráficosincorporados pelo sistema operacional Windows, produzido pela Microsoft, as linguagens de programação adquiriram um caráter visual, onde várias rotinas básicas já não precisam mais ser programadas, através da escrita de um texto com uma sequência de comandos como um programa tradicional. Estas rotinas já se encontram prontas e são acionadas simplesmente pela inserção de determinados objetos em posições adequadas em uma janela de trabalho na tela do computador. Todo o conjunto de programas necessários para tornar um computador operacional, constitui o software (pronuncia-se “sóftiuer”), enquanto que o conjunto de componentes físicos, circuitos, placas, etc., constituem o hardware (pronuncia-se “rárdiuer”) do computador. Você aprenderá mais sobre o software em outro momento. Um Sistema de Computação é uma combinação do hardware, que se compõe do computador e seus equipamentos periféricos e do software básico, geralmente constituído do sistema operacional, que compreende todo o conjunto de programas básicos que tornam o computador e seus periféricos operacionais. Leitura Complementar: Capítulo 1. , Referências 1 e 4. Cap. 1 – Organização de Computadores 6 1.3- Organização do Hardware Como já comentamos no tópico anterior, o hardware constitui todo o conjunto de componentes físicos do computador como: vídeo, teclado, memórias, discos, placas de circuitos, etc. Estes componentes físicos são agrupados em módulos específicos, que constituem a Estrutura Física Básica de um computador. Podemos representar esta Estrutura Física Básica através do seguinte diagrama de blocos, que representa os mesmos elementos da “arquitetura de von Neumann”: Figura 1.2- Estrutura física básica de um computador (arquitetura Von Neumann) O CONSOLE é o módulo padrão que utilizamos para nos comunicarmos com o computador. Ele é composto do teclado e do monitor de vídeo. Pelo CONSOLE procedemos a maioria das entradas de dados. A CPU ou Unidade Central de Processamento é o módulo que processa todas as informações e gerencia todas as operações realizadas pelo computador. Sua finalidade se assemelha à do nosso cérebro. A MEMÓRIA é o módulo que armazena as informações enquanto estão sendo processadas e as UNIDADES DE I/O (Input/Output), ou Unidades de Entrada e Saída, constituem todos os dispositivos utilizados pelo computador para guardar as informações processadas ou para recuperar as informações a serem processadas. 1.4- CONSOLE O que denominamos CONSOLE do computador é constituído pelo Teclado e o Monitor de Vídeo. É através do CONSOLE que o operador ou usuário se comunica com o computador, digitando comandos, entrando com dados e obtendo as respostas do computador, na maioria das vezes pelo próprio Monitor de Vídeo. 1.4.1- Teclado O Teclado possui 4 conjuntos ou grupos principais de teclas: Alfanumérico, Numérico, Teclas de Função e Teclas de Direção. Cap. 1 – Organização de Computadores 7 Figura 1.3- Layout do Teclado O grupo Alfanumérico ocupa a maior área do teclado e se assemelha a um teclado de uma antiga máquina de escrever, com teclas correspondentes a todos os caracteres do alfabeto, dígitos, sinais especiais e acentos. O grupo Numérico ocupa o lado direito do teclado e se assemelha a um teclado de uma antiga máquina de calcular, com teclas correspondentes a todos os dígitos numéricos e sinais de operação. O grupo Teclas de Função ou Teclas Programáveis, é um conjunto de teclas reconhecidas por F1, F2, F3, ... ,F12, que se localizam, geralmente, na parte superior do teclado, em uma fila separada de teclas. O grupo Teclas de Direção, localiza-se entre o grupo Alfanumérico e o grupo Numérico e constitui-se das teclas de Seta para a Esquerda, para a Direita, para Cima e para Baixo. Muitas teclas são multicaracteres , ou seja, possibilitam obter diferentes caracteres quando associadas a outras teclas, ou se digitadas individualmente. Considere uma tecla com os seguintes símbolos: { na parte superior da tecla; [ no centro; ª na parte inferior da tecla. O carácter do centro ([) é obtido digitando a tecla diretamente. O carácter da parte superior ({) é obtido mantendo pressionada a tecla SHIFT (ou ) e digitando a tecla em questão. O carácter da parte inferior (ª) é obtido mantendo pressionada a tecla ALT (da direita) e digitando a tecla em questão. Muitas outras teclas especiais como: ESC, CTRL, PageUp, PageDown, BackSpace (ou ), ENTER (ou ) , são encontradas no teclado. Estas teclas têm funções específicas. A tecla ENTER é utilizada para Encerrar um comando, ou para Encerrar uma linha de texto. A tecla ESC ( Escape) é utilizada para Abortar uma tarefa ou comando e produz efeitos especiais quando combinadas a outras teclas e comandos. Exemplo 1: A tecla ALT quando combinada com outras teclas, pode produzir efeitos especiais. Mantendo a tecla ALT pressionada e digitando o número 169 no Teclado Numérico, consegue-se o símbolo ®. Isto pode ser útil quando você estiver digitando um texto com um programa editor do Windows e necessitar de um carácter especial como este. A tecla BackSpace é utilizada para remover, apagar, ou corrigir algo que se tenha digitado erradamente. As teclas PageUp e PageDown, são utilizadas para mover o cursor uma página acima ou uma página abaixo, quando digitando um texto. O layout (tipo e disposição das teclas) do teclado pode variar conforme o país em que é utilizado. Há um tipo de teclado com layout específico para português, PT (Brasil ABNT ou ABNT2), porém o teclado com layout US International (genérico 105) também pode ser utilizado. Teclado Alfanumérico Numérico Reduzido Teclas de direção Teclas de função Tecla ALTTecla CTRL Tecla BackSpace Tecla ENTER PageUp e PageDown Cap. 1 – Organização de Computadores 8 1.4.2- Monitor de Vídeo O Monitor de Vídeo é considerado como a Unidade Padrão de Entrada e Saída (I/O - Input/Output) do computador, pois na maioria dos casos os resultados e respostas do computador aos nossos comandos são enviados ao Monitor de Vídeo. Ele pode operar, basicamente em dois modos: Modo Texto e Modo Gráfico. Modo Texto: Este é o modo padrão de operação do Monitor de Vídeo no momento do boot ou quando estamos utilizando o computador no ambiente conhecido como Prompt de Comandos. Neste modo, a área da tela poderá conter 80 x 25 caracteres, ou seja, a tela possuirá 80 colunas e 25 linhas. A posição de um carácter na tela será indicada por um par ordenado (x,y), onde x indica a coluna e y a linha onde o carácter se encontra. O carácter A na tela, ocupa a posição (x,y) = (coluna,linha). As colunas são numeradas de 0 a 79, e as linhas de 0 a 24. Portanto, no Modo Texto, a tela poderá conter 80x25=2000 caracteres. Modo Gráfico: Este modo é utilizado para a apresentação de gráficos ou figuras em preto e branco ou a cores. Neste modo, cada posição na tela é denominada um PIXEL, ou seja, um ponto gráfico dotado de cor. Denomina-se RESOLUÇÃO GRÁFICA, a quantidade de PIXELS (alguns autores usam PELS para o plural de PIXEL) que o monitor pode representar na tela. O ponto de interseção das linhas na tela (x,y), representam agora um PIXEL. A Resolução Gráfica do Monitor é dada por (m x n) pels, ou seja o número total de pixels que pode ser representado na tela. Uma Resolução Gráfica maior, possibilita desenhos ou figurascom contornos mais bem definidos e precisos. Normalmente o Tipo de Monitor está associado à sua Resolução Gráfica. Veja a Tabela 1.1. A Resolução Gráfica é uma característica da placa Controladora do Monitor, hoje geralmente onboard (embutida na placa mãe). A importância da Resolução Gráfica do Monitor deu origem a padrões. Um mesmo Monitor pode operar com diferentes resoluções gráficas. Os monitores LCD atuais podem apresentar Resoluções Gráficas de 1366 x 768, 1280 x 768, 1600 x 1200 pixels entre outras. A Tabela 1.1, apresenta as Resoluções Gráficas para alguns Modos Padrões. Porém, um mesmo Monitor pode operar com diversas Resoluções Gráficas, em diversos Modos, configurados por software (veja a Tabela 1.2). A escolha de uma determinada Resolução Gráfica, pode modificar a Frequência Vertical de operação do Monitor, também denominada Taxa de Renovação. Figura 1.4- Monitor no Modo Texto Figura 1.5- Monitor no Modo Gráfico. Cap. 1 – Organização de Computadores 9 Placas de vídeo off-board, como a Radeon HD da ATI ou a GeForce GTX nVidia, aumentam muito o desempenho das operações gráficas. Estas placas, permitem Resoluções Gráficas que vão até 7680 x 3200 pixels. 1.4.2.1- Características Técnicas dos Monitores Resolução Gráfica: É dada pelo quantidade de pixels que podem ser representados na tela, ou seja (m x n). Esta é uma característica associada à Controladora Gráfica do Monitor. Modo Entrelaçado(i) (interlaced): É um modo de operação de certos Monitores, que exige que seu circuito interno realize duas varreduras completas na tela para montar uma imagem. Permite altas Resoluções Gráficas, porém pode produzir “cintilações” nos monitores CRTs, causando cansaço visual. O monitores LCD não apresentam “cintilações”. Modo Não-entrelaçado(p) (progressivo): Neste modo, o circuito interno do monitor realiza uma única varredura na tela para montar uma imagem. Não produz “cintilações”. É o modo mais comum de operação. Dot Pitch: É a distância entre dois pontos da mesma cor na tela. Quanto menor o Dot Pitch, melhor será a definição das imagens. Seus valores típicos estão em torno de 0.28 mm. Um Monitor fabricado pela Mitsubishi, sob a marca DiamondTron, pode atingir Dot Pitch de 0.25 mm ou menor. Taxa de Renovação(TR): É o número de vezes por segundo que a imagem na tela é redesenhada. Este número constitui a frequência vertical de operação do monitor e é medido em unidades de hz (hertz). A VESA (Video Electronics Standards Association), recomenda que a Taxa de Renovação mínima aceitável, para que não haja cintilação (flickering) e cansaço visual, seja de 75 hz (hertz) para os monitores de tubo, CRT. Os Monitores LCD não apresentam flicker. Tempo de resposta (tr): Era o inverso da Taxa de Renovação. Para o padrão VESA, o tempo de resposta seria 1/75 hz = 13,33 ms. Monitores de LCD, normalmente usam 60 hz e o seu tr usual é 16,66 ms. Hoje essa medida mudou. Mede a frequência com que um pixel muda de cor. Largura de Banda: Representa a largura da faixa de frequências com que o Monitor pode operar. Influencia na rapidez com que as imagens são exibidas e na nitidez das linhas verticais. A Largura de Banda, pode ser calculada aproximadamente pelas fórmulas no quadro a seguir: Padrões IBM Denominação Resolução Gráfica Padrão Freq Horiz Khz Freq Vertical hz MDA Monochrome Display Adapter 720 x 350 18,3 50 CGA Color Graphics Adapter 640 x 200 15,75 60 EGA Enhanced Graphics Adapter 640 x 350 31,5 70 VGA Video Graphics Array 640 x 480 31,5; 37,5 60; 75 SVGA Super VGA 800 x 600 35,2 - 53,7 56,3 - 85,1 XGA Extended Graphics Array 1024 x 768 48,4 - 68,7 60 - 85 Padrões VESA SXGA 1280 x 1024 64 60 SXGA+ 1400 x 1050 UXGA 1600 x 1200 75 60 QXGA 2048 x 1536 Tabela 1.1- Resumo de modos padrões de Monitores de Vídeo Cap. 1 – Organização de Computadores 10 OBS.: O valor recomendado da Largura de Banda LB, é que ela seja igual ou maior que 2 x dot clock(dc). Dot Clock: Ver artigo no site: https://passeidireto.com/arquivo/1005092/placas-de- video/5 dc = Fh x Rh ( Fh – freq. Horizontal; Rh - resolução horizontal) ,dado em Khz (kilohertz) A Tabela 1.2 a seguir, resume alguns Modos de operação de um monitor. Observe a variação da Frequência Vertical, ou Taxa de Renovação. A referência 20 sugere o fator 1,5 no cálculo da LB. Uma outra aproximação para o cálculo da LB sugerida por Michael Scott, www.monitorworld.com/faq_pages/q29_page.html, acessado em 23/01/2013) usa o fator 1,365. Exemplo 2: Considere um monitor no modo XGA com resolução de 1280 x 1024. Calcule a Largura de Banda aceitável. VP = R x TR. Logo, VP = 1280 x 1024 x 75 = 98.304.000 = 98,3 x 10 6 Hz = 98,3 MHz. Então, LB = 1,365 x VP = 1,365 x 98,3 = 134,18 MHz. Se fh = 45 Khz, LB é a recomendada ? Exemplo 3: Considere um monitor no modo SVGA cuja Largura de Banda é 39,312 Mhz. Calcule sua Taxa de Renovação. LB = 1,365 x VP. Então, 39,312 = 1,365 x VP. Logo, VP = 39,312 / 1,365 = 28,8 Mhz = 28.800.000 Hz. Agora, VP = R x TR. Então, 28.800.000 = 800 x 600 x TR. Logo, TR = 28.800.000 /(800x600) = 60 Hz Leitura Complementar: Referências 9 e 10. 1.5 “Organização” e “Arquitetura” de Computadores - Segundo Mário A. Monteiro(2001), no livro “Introdução à Organização de Computadores”, a Organização de um computador trata de aspectos mais relacionados aos conhecimentos dos especialistas que o projetaram como: aspectos de hardware, tecnologia de memórias, periféricos, etc, enquanto a “Arquitetura” trata de aspectos mais próximos ao conhecimento do programador, como: o conjunto de instruções, os modos de endereçamento, espaço ocupados pelos dados, etc. Modo Resolução TR (hz) Freq hor(hz) 3 (VGA) 640x480 60 31,469 4(VESA) 640x480 75 37,500 6 800x600 75 46,875 9 1024x768 75 60,023 11 1152x900 65 61,805 13 1280x1024 75 79,976 Tabela 1.2- Alguns modos de um monitor LCD LG L1753T. VP = R x TR LB = 1,365 x VP , onde: VP , é a velocidade do pixel; R, é a Resolução Gráfica do Monitor, ou seja, R = m x n; TR, é a Taxa de Renovação medida em Hz; LB, é a Largura de Banda, geralmente medida em Mhz (Mega Hertz). PC Magazine, p.74-83,1996. Referência 20. Cap. 1 – Organização de Computadores 11 Cap. 1 – Organização de Computadores Exercício de Fixação Nr. 01 1 a . Parte: Complete as sentenças a seguir com os termos adequados. 1. O primeiro computador eletrônico digital foi construído em _____. Era um computador _________ , não binário. 2. O projeto IAS de __________________, deu origem a uma arquitetura de computadores que é utilizada até hoje. 3. O transistor foi uma criação dos cientistas __________________, da empresa ____________________ no ano de _______. 4. A empresa ___________ produziu o primeiro microprocessador de 8 bits para uso em computadores pessoais no ano de ______. 5. Os dados constituem as __________ para um processamento, enquanto a ____________ constitui os resultados do processamento. 6. Um programa de computador é um conjunto de ___________ logicamente organizadas. 7. O conjunto de programas utilizados no computador, constituem o _________, enquanto que o conjunto de ________________ constituemo hardware. 8. O Console do computador é constituído do ___________ e do __________. 9. O Monitor de Vídeo de um computador pode operar no modo ________ e no modo ________. 10. A Resolução Gráfica de um monitor de vídeo corresponde ao número de _______ que ele pode representar na tela. Um ______ é um ponto gráfico na tela dotado de cor. 11. A Taxa de Renovação corresponde à ______________________ de operação do monitor de vídeo e é medida em unidades de ______. 12. O modo de operação do monitor de vídeo que exige de seu circuito interno, duas varreduras completas da tela para a composição de uma imagem é o modo denominado _________________. 13. Um monitor no modo SVGA padrão possui uma Resolução Gráfica máxima de __________ pixels, enquanto que um monitor no modo VGA padrão possui uma Resolução gráfica máxima de ____________ pixels. 14. A distância entre dois pixels de mesma cor na tela de um monitor no modo gráfico é denominada _________. 2 a . Parte: Resolva os exercícios a seguir, indicando todos os cálculos necessários. 1. Calcule a Largura de Banda para um monitor com os dados do modo 3: 1024 x768, 70 Hz. 2. Calcule a Largura de Banda aceitável para um monitor operar em VGA no modo de resolução gráfica padrão máxima. 3. Calcule a Largura de Banda de um monitor que opera no modo de resolução gráfica de 1280 x 1024, com taxa de renovação de 80 Hz. Se fh= 60 Khz, a largura de banda é a recomendada ? 4. Considere um monitor com resolução SVGA padrão com Largura de Banda 61,2 MHz. Calcule sua taxa de renovação e o seu tempo de resposta. 5. Considere um monitor com resolução XGA padrão. Sabendo que sua Largura de Banda é 84,93 MHz, calcule sua taxa de renovação neste modo e o tempo de resposta. 6. Calcule a Largura de Banda aceitável para um monitor com resolução de 1600 x 1280. Se a fh = 60 Khz, a largura de banda é a recomendada ?
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