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Curso Técnico de Nível Médio Integrado em Manutenção e Suporte em Informática Arquitetura de Computadores 2016 Agenda • Introdução à Arquitetura de Computadores: níveis de abstração do hardware; histórico da arquitetura de computadores; recursos de hardware; recursos de software. 16 de maio de 2016 Arquitetura de Computadores 2 O Que é Arquitetura de Computadores? • Projeto conceitual e fundamental da estrutura operacional de um sistema computacional. • Ela é o estudo dos requisitos necessários para que um computador funcione e de como organizar os diversos componentes para obter melhores desempenhos. • Como computador entendemos qualquer tipo de dispositivo capaz de receber uma entrada e que retorna uma saída após realizar uma série de operações com base nos valores recebidos e armazenados. Existem vários tipos de computadores. 16 de maio de 2016 Arquitetura de Computadores 3 Por que estudar Arquitetura de Computadores? • É necessário saber como um computador funciona: – Para programar melhor, os conceitos de AC ajudam a escrever programas mais eficientes, que tiram mais proveito dos recursos da máquina. • A Arquitetura e Organização de um computador reflete diretamente: – Como os programadores iram utilizar os recursos da máquina. – No desempenho do sistema. – Na segurança dos dados. • Ou até mesmo, para escolher melhor qual hardware adquirir – P.ex. suponha que sua empresa deseje comprar novos computadores. Entre máquinas CISC e RISC, qual seria sua escolha ? 16 de maio de 2016 Arquitetura de Computadores 4 Classificação Arquitetura de Computadores • Uma das formas de classificá-los é por meio das seguintes categorias: – Desktop: Computadores de baixo-custo e com desempenho razoável para um usuário "comum". – Servidor: Máquinas projetadas para ter um desempenho considerado bom para uma aplicação muito grande e complexa ou então para um número muito grande de operações mais simples. Alguns servidores são simples computadores de Desktop melhorados. Entretanto, existem também aqueles que possuem arquiteturas muito mais sofisticadas que contam com dezenas ou até mesmo centenas de processadores. – Sistemas Embarcados: Possuem um uso dedicado à uma única tarefa e normalmente vem embutidos em outros aparelhos como celulares, microondas, elevadores ou veículos. Possuem uma Entrada/Saída muito simples. 5 16 de maio de 2016 Arquitetura de Computadores Evolução dos Computadores Gerações de Computadores • 1ª geração :: Válvulas (1946) • 2ª geração :: Transistores (1958) • 3ª geração :: Circuitos Integrados (1965) – 1965 :: em pequena escala, até 100 dispositivos por chip – 1971 :: em média escala, até 3.000 dispositivos – 1977 :: em grande escala, até 100.000 LSI (Large Scale Integration) • 4ª geração :: Circuitos Integrados (1978) – 1978 :: em uma escala muito grande, até 100.000.000 (milhões de transistores) VLSI (Very Large Scale Integration) • 5ª geração :: Circuitos Integrados (1991) – 1991 :: em escala ultragrande, mais de 100.000.000 ULSI (Ultra Large Scale Integration) 6 16 de maio de 2016 Arquitetura de Computadores 1ª geração :: Válvulas (1946) • ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer), Primeiro computador de propósito geral • Criado para o exercito americano, para a realização de cálculos balísticos. “saber se o tiro acerta o alvo” • Era uma máquina decimal, diferente das atuais (binárias). • Processava 5.000 adições ou 357 multiplicações e 38 adições por segundo, menor que uma calculadora atual. • O computador precisava ser reprogramado para cada tarefa, fio-a-fio .exe nem em sonho • Programação em linguagem de máquina • Composição: – 18 mil válvulas – Pesava 30 toneladas – Consumia 140 KW/h – Possuía 800 km de cabos 7 16 de maio de 2016 Arquitetura de Computadores 1ª geração :: Válvulas (1946) 8 16 de maio de 2016 Arquitetura de Computadores Válvula 2ª geração :: Transistores (1958) 9 16 de maio de 2016 Arquitetura de Computadores Comparação entre: (1) válvula, (2) transistor, e (3) chip. Um único chip pode conter até milhões de transistores. 2ª geração :: Transistores (1958) • Conceito de Programa Armazenado – Determina que os programas e os dados devem estar em uma memória de acesso direto (memória de acesso aleatório, ou RAM), permitindo que o código e os dados sejam tratados indiferentemente (possibilitando que ambos sejam modificados). • Arquitetura de Von Neumann (utilizada até hoje). – caracteriza pela possibilidade de uma máquina digital armazenar seus programas no mesmo espaço de memória que os dados, podendo assim manipular tais programas. Esta arquitetura é um projeto modelo de um computador digital de programa armazenado que utiliza uma unidade de processamento (CPU) e uma de armazenamento ("memória") para comportar, respectivamente, instruções e dados 10 16 de maio de 2016 Arquitetura de Computadores 3ª geração :: LSI (1965) • Implementação de circuitos integrados – Transistores, resistores, diodos e outras variações de componentes eletrônicos miniaturizados e montados sobre um único chip. 11 16 de maio de 2016 Arquitetura de Computadores Computador IBM 360/91 4ª geração :: VLSI (1971) • Geração VLSI, milhões de transistores armazenados em um único chip; • Surgimento dos Computadores Pessoais, devido ao barateamento e miniaturização dos componentes eletrônicos; – Intel 4004 (1971): o primeiro microprocessador; – Intel 8080 (1974): microprocessador de 8 bits. • Surgiu o conceito “família de processadores” – 8086, 8088, 80286, 80386, 80486 (ou i286 i386 i486), Pentium (ou i586). • A IBM dominava o mercado de computadores, e adotava CPUs da Intel (a Intel dominava o mercado de processadores); 12 16 de maio de 2016 Arquitetura de Computadores 5ª geração :: ULSI (1991) • Os computadores modernos. • Ampliou-se drasticamente a capacidade de processamento de dados, armazenamento e taxas de transferência. • Início dos processos de miniaturização, diminuindo o tamanho e aumentando a velocidade dos agora "populares" PC´s. • Processadores paralelos, ou seja, a execução de muitas operações simultaneamente pelas máquinas. 13 16 de maio de 2016 Arquitetura de Computadores Fonte: http://evolucaodocomputador.blogspot.com.br/2008/05/5-gerao-ultra-large-scale-integration.html Evolução da Arquitetura x86 • Processador 8080 (1975 8 bits – 2 MHz) – Primeiro processador de propósito geral – Usado no primeiro computador pessoal (Altair) • 8086 (1981 16 bits – 5 MHz) – Início da família x86 – Significativamente mais poderoso que o 8080 – Cache de instruções + pré-busca de instruções – Usado no IBM PC • 80386 (ou i386 1985 32 bits – 16 MHz) – “Popularização dos computadores no Brasil” – Memória endereçável: 16 MB – Suporte a multitarefa – Difusão do Windows 3.1 14 16 de maio de 2016 Arquitetura de Computadores Altair (1975) IBM PC (1981) IBM SL 386SX Componentes Básicos • 80486 (1989 32 bits – 25 MHz) – Esquema de cache sofisticado – Pipeline de instruções – Co-processador matemático embutido no chip • Pentium (1993 32 bits – 60 MHz) – Super-escalar – Múltiplas instruções executadas em paralelo • Pentium Pro (1995 32 bits – 200 MHz) – Organização super-escalar aprimorada – Previsão de desvios, análise de fluxo de dados, execução especulativa • Pentium II (1997 64 bits – 233 MHz) – Tecnologia MMX (MultiMedia eXtension) – Processamento (1) gráfico; (2) de áudio e; (3) de vídeo• Pentium III (1999 64 bits – 450 MHz) – Adicionadas novas instruções para operações sobre ponto flutuante. • Pentium 4 (2001 64 bits – 1 GHz) – Mais paralelismo, 2 núcleos a partir de 2005, Pentium D (ou Dual Core) 15 16 de maio de 2016 Arquitetura de Computadores Evolução da Arquitetura x86 • Em uma família de processadores, cada processador lançado representa um avanço em relação ao anterior. • O novo processador mantém o mesmo conjunto de instruções do processador anterior, ele apenas adiciona algumas novas. • Dessa forma, as aplicações existentes podem ser executadas no novo processador. Esse conceito é conhecido como compatibilidade para cima. 16 16 de maio de 2016 Arquitetura de Computadores Evolução da Arquitetura x86 • Observe na Figura, que o conjunto de instruções do processador 8086 (1975) é prevaleceu ao longo da evolução da família x86 (até o Pentium 4 em 2001). 17 16 de maio de 2016 Arquitetura de Computadores Arquitetura de computadores • Criada e desenvolvida durante e após a segunda guerra mundial, entre 1935 e 1950. • Desde os primeiros sistemas computacionais a base era uma entrada, um processamento e a saída de dados. • John Von Neumann aperfeiçoou este modelo inserindo componente como memória ao modelo. 18 16 de maio de 2016 Arquitetura de Computadores Arquitetura de Von Neumann 19 16 de maio de 2016 Arquitetura de Computadores Fonte: http://pt.wikipedia.org/wiki/Ficheiro:Arquitetura_de_von_Neumann.svg Representação dos símbolos • Para que o computador pudesse representar eletricamente todos os símbolos utilizados na linguagem humana, foi necessário criar na arquitetura de Neumann uma forma de manipular o menor numero possível de valores distintos, desta forma foi utilizado com eficiência o sistema binário (0 e o 1). • Todas as informações introduzidas no computador, devem ser convertida para um algarismo binário ou digito binário, conhecido como bit. O bit pode ter então somente os valores 0 e 1. • Para que o computador pudesse trabalhar corretamente, ele utiliza a lógica booleana, para obter seus resultados. 20 16 de maio de 2016 Arquitetura de Computadores Representação dos símbolos • Um bit ou unidade mínima (0/1) isoladamente não consegue representar muito, na verdade não consegue representar nada para a comunicação, como no nosso caso que um caractere A, por exemplo, não representa muito o 0/1também não representa muito, mas a soma de varias letras formam uma palavra, o mesmo acontece com o bit. 21 16 de maio de 2016 Arquitetura de Computadores Tabela ASCII • Existe diversas formas de junções, mas a mais utilizada é o conjunto de 8 bit´s que formam um byte e que conseguem representar até 256 símbolos diferentes. Há uma tabela que mostra o conjunto de caracteres criados a partir desta junção, a chamada tabela ASCII. 22 16 de maio de 2016 Arquitetura de Computadores Componentes básicos de um computador 23 16 de maio de 2016 Arquitetura de Computadores Componentes básicos de um computador • O processador (ou microprocessador) é responsável pelo tratamento de informações armazenadas em memória (programas em código de máquina e dos dados). • A memória é responsável pela armazenagem dos programas e dos dados. • Periféricos, que são os dispositivos responsáveis pelas entradas e saídas de dados do computador, ou seja, pelas interações entre o computador e o mundo externo. Exemplos de periféricos são o monitor, teclados, mouses, impressoras, etc. • Barramento, que liga todos estes componentes e é uma via de comunicação de alto desempenho por onde circulam os dados tratados pelo computador. 24 16 de maio de 2016 Arquitetura de Computadores Memória • A memória principal, ou memória de trabalho, onde normalmente devem estar armazenados os programas e dados a serem manipulados pelo processador; • A memória secundária que permitem armazenar uma maior quantidade de dados e instruções por um período de tempo mais longo; o disco rígido é o exemplo mais evidente de memória secundária de um computador, mas podem ser citados outros dispositivos menos recentes como as unidades de fita magnética e os cartões perfurados; • A memória cache, que se constitui de uma pequena porção de memória com curto tempo de resposta, normalmente integrada aos processadores e que permite incrementar o desempenho durante a execução de um programa. 25 16 de maio de 2016 Arquitetura de Computadores Processador • Um microprocessador, ou simplesmente processador, é um circuito integrado (ou chip), que é considerado o "cérebro" do computador. 26 16 de maio de 2016 Arquitetura de Computadores Processador • Pode-se dizer que a CPU realiza as seguintes tarefas: – Busca e executa as instruções existentes na memória. Os programas e os dados que ficam gravados no disco (disco rígido ou disquetes), são transferidos para a memória. Uma vez estando na memória, a CPU pode executar os programas e processar os dados. – Comanda todos os outros chips do computador. 27 16 de maio de 2016 Arquitetura de Computadores Composição do Processador • Unidade Lógica e Aritmética (ULA) – Assume todas as tarefas relacionadas às operações lógicas (ou, e, negação, etc.) e aritméticas (adições, subtrações, etc...) a serem realizadas no contexto de uma tarefa. • Unidade de Controle (UC) – assume toda a tarefa de controle das ações a serem realizadas pelo computador, comandando todos os demais componentes de sua arquitetura. • Registradores – são utilizados para assegurar o armazenamento temporário de informações importantes para o processamento de uma dada instrução 28 16 de maio de 2016 Arquitetura de Computadores Exemplo de como funciona o computador • Uso de um programa que faz cálculos matemáticos – Usuário digita: 10+20*2 – UC recebe estes dados – UC verifica que precisam ser calculados – UC envia para a ULA – ULA realiza o cálculo necessário – ULA retorna o valor 50 para a UC – UC armazena na memória – UC mostra o resultado no dispositivo de saída 29 16 de maio de 2016 Arquitetura de Computadores Clock • Circuito oscilador que tem a função de sincronizar e ditar a medida de velocidade de transferência de dados no computador, por exemplo, entre o processador e a memória principal. • Esta frequência é medida em ciclos por segundo, ou Hertz. 30 16 de maio de 2016 Arquitetura de Computadores Barramentos • Ou bus, nada mais é do que um caminho comum pelo qual os dados trafegam dentro do computador. • O tamanho de um barramento é importante pois ele determina quantos dados podem ser transmitidos em uma única vez. – Por exemplo, um barramento de 16 bits pode transmitir 16 bits de dado, e um barramento de 32 bits pode transmitir 32 bits de dados a cada vez. 31 16 de maio de 2016 Arquitetura de Computadores Tipos de Barramentos • Barramentos Internos – Ligam a CPU (processador) aos equipamentos que ficam dentro do gabinete. – Existem diversos tipos de barramentos específicos para equipamentos diferentes: • IDE • ISA • PCI • AGP • SCSI • Barramentos Externos – Barramentos externos = portas = interface – Tipos: • PS/2 • Serial • Paralela • USB • Firewire e PCMCIA 32 16 de maio de 2016 Arquitetura de Computadores Barramento IDE (interno) • Para conectar as unidades de armazenamento internas (HD, Drive de CD, Gravadores de CD, Drives de DVD, etc.) à placa-mãe do computador. • Osequipamentos são ligados aos barramentos IDE através Cabo FLAT 33 16 de maio de 2016 Arquitetura de Computadores Barramento ISA (interno) • Comum em micros mais antigos para encaixar placas de expansão, como modems, placas de som, placas de vídeo, • Está caindo em desuso por ser relativamente lento em relação às novas tecnologias. 34 16 de maio de 2016 Arquitetura de Computadores Barramento PCI (interno) • Substituto do barramento ISA (nas novas placas-mãe, é mais comum encontrar vários slots PCI e apenas alguns poucos ISA, quando há ISA). 35 16 de maio de 2016 Arquitetura de Computadores Barramento AGP (interno) • Apenas para uso de placas de vídeo. 36 16 de maio de 2016 Arquitetura de Computadores Barramento SCSI (interno) • O SCSI é muito usado em servidores de empresas, que normalmente precisam de uma maior velocidade de conexão com os Discos Rígidos, CDs, unidades de fita 37 16 de maio de 2016 Arquitetura de Computadores Porta PS/2 • É o barramento atualmente usado para conectar mouse e teclado. • Há duas portas na parte traseira do gabinete, uma para o mouse e a outra para o teclado. 38 16 de maio de 2016 Arquitetura de Computadores Porta Serial • É um barramento usado por equipamentos que transferem relativamente pouca informação, como mouses, modems, câmeras (webcam), etc. 39 16 de maio de 2016 Arquitetura de Computadores Porta Paralela • Barramento relativamente antigo e está sendo cada vez menos utilizado em computadores atuais. A porta paralela usa conector DB-25 40 16 de maio de 2016 Arquitetura de Computadores Porta USB • É relativamente novo e vem sendo usado em muitos computadores atuais como substituto das portas paralela e serial. 41 16 de maio de 2016 Arquitetura de Computadores Firewire • Encontrado apenas nos computadores mais novos, o barramento firewire é bastante rápido. 42 16 de maio de 2016 Arquitetura de Computadores Barramento PCMCIA (PC Card) • Encontrado em modems, placas de som, placas de rede e até discos rígidos portáteis. 43 16 de maio de 2016 Arquitetura de Computadores Dispositivos de Entrada/Saída 44 16 de maio de 2016 Arquitetura de Computadores Placa Mãe 45 16 de maio de 2016 Arquitetura de Computadores Dúvidas 46 16 de maio de 2016 Arquitetura de Computadores ATIVIDADES 47 16 de maio de 2016 Arquitetura de Computadores • Estudar o Capítulo 01 do Livro de Introdução à Organização de Computadores do autor Mário Monteiro • Exercício – Responder as questões da página 29 e 30 do Livro dito acima; – Data de entrega: próxima aula dia 24/05/2016; – Entregar as respostas escritas a lápis ou caneta; – Poderá ser feita em dupla.
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