Aulas Organização de Computadores

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Um computador é constituído por diversos componentes visíveis tais como monitor, teclado, mouse e por outros 
menos visíveis tais como processador e memória que ficam embutidos em um gabinete. Para que este conjunto de 
componentes funcione para a execução de uma tarefa, é necessária a existência de uma sequência de instruções 
denominada programa. 
Os componentes físicos de um computador são chamados de hardware e o programa responsável pela utilização do 
hardware é denominado software. 
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Combinações permitidas com n dígitos em uma base B. 
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Para uma determinada base B, empregando-se n dígitos pode-se representar B combinações distintas. 
Considere, por exemplo, a representação em base decimal com 3 dígitos. Esta representação fornece 1000 números 
distintos (de 0 a 999). Se, no entanto, utilizarmos a base binária, para os mesmo 3 dígitos, tem-se 8 números 
distintos (de 0 a 7). 
 
 
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Nesta aula, iremos aprender a converter números inteiros de uma base para outra e entender como são 
representados os números negativos. A utilização de operações algébricas com diferentes bases será alvo da aula 
online. 
Veremos, ainda, como são representados os caracteres e os padrões vigentes. 
Conversão entre os sistemas de numeração 
Em nosso cotidiano, utilizamos a base decimal para expressar medidas e seus múltiplos. Já os computadores 
armazenam informações expressas da forma binária conforme visto na aula anterior. Esta forma de representação é 
intuitiva se lembrarmos do conceito de bit. 
A representação em hexadecimal aparece, então, como uma alternativa entre a forma decimal, que não pode ser 
expressa em potência de 2 e a forma binária, que utiliza muitos dígitos em sua representação. 
 Um número em hexadecimal é identificado por ser seguido por uma letra h. 
A conversão entre bases, consiste em representar um número em uma outra base e, para isso, serão apresentados 
algoritmos de conversão. 
 
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Representação de números inteiros 
Conforme visto na aula anterior, um número inteiro positivo é representado com n bits em uma base binária B no 
intervalo entre 0 e B -1. Como representar, então, números negativos na base binária? 
 
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Atividade proposta 
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Representação de caracteres 
 Para representação de caracteres são utilizadas tabelas que transformam caracteres não numéricos em números 
para que possam ser armazenados em formato binário. 
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Nesta aula iremos apresentar os conceitos básicos de lógica digital. 
 
Você conhecerá os símbolos utilizados para representação de portas lógicas e como eles são utilizados na construção 
de uma tabela-verdade. 
 
PORTAS 
Os circuitos digitais são formados por elementos capazes de manipular apenas grandezas binárias. 
 
Estes elementos são chamados de portas. 
 
As portas são, então, elementos de hardware que recebem um ou mais sinais de entrada e produzem um sinal de 
saída, cujo valor é o resultado de uma operação lógica. 
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OPERAÇÕES LÓGICAS 
 
As operações lógicas são apresentadas pelas seguintes palavras: AND, OR, NOT, NAND, NOR e XOR. 
 
As operações lógicas podem ser representadas de duas maneiras: 
 
• Representação matemática. 
• Símbolo gráfico. 
 
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TABELA VERDADE E EXPRESSÕES LÓGICAS 
 
Expressão lógica é uma expressão algébrica formada por variáveis lógicas e por símbolos representativos de 
operações lógicas. 
 
O valor do resultado de uma expressão lógica pode ser obtido por uma tabela-verdade construída com todas as 
possibilidades de entrada e as correspondentes saídas. 
 
 
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Nesta aula você aprenderá as propriedades e as regras da Álgebra Booleana. 
NOÇÕES DE ÁLGEBRA BOOLEANA 
 
A Álgebra Booleana é uma área da Matemática que trata de regras e elementos de lógica. 
 
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Assim como na Álgebra comum, a Álgebra Booleana trata de variáveis e de operações com estas variáveis, porém 
utiliza variáveis binárias em que o valor 1 equivale à condição verdadeira e o valor 0, à condição falsa. 
Uma expressão lógica pode ser simplificada garantindo, assim, circuitos mais simples e mais baratos de serem 
produzidos. 
 
Essa simplificação deve seguir as seguintes regras, 22 no total: 
 
 
 
 
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Vamos ver agora um exemplo de simplificação de expressões utilizando as regras apresentadas. 
 
 
 
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Na aula 1, foram apresentados os componentes de um computador com uma breve descrição de sua funcionalidade. 
 
Nesta aula, iremos aprender como estes componentes se relacionam segundo o Modelo de Von Neumann. 
Um pouco de história 
 
John Von Neumann foi um matemático húngaro (1903-1957) com diversas contribuições significativas na 
matemática e na física. Foi professor da Universidade de Princeton e um dos construtores do ENIAC. A sua grande 
contribuição para a computação foi propor que os dados lidos em cartões perfurados fossem gravadas na memória 
do computador 
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Composição do Modelo 
 
O Modelo proposto por Von Neumann (1945) é formado por uma CPU, memória, unidade de entrada e unidade de 
saída, conectados entre si através de um barramento. 
 
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Nesta e nas próximas aulas, iremos estudar cada um dos componentes apresentados. 
O primeiro componente será o processador que, por sua vez, será dividido em três partes: 
 
• Instruções 
• Unidade de controle 
• Unidade Lógico aritmética 
 
Nesta aula, iremos aprender, também ,como são executadas as instruções segundo o modelo de Von Neumann. 
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Conjunto de Instruções 
 
Todo o processador é fabricado contendo um conjunto de instruções que define quais operações ele pode realizar. 
 
Cada processador apresenta, então, um conjunto de instruções onde cada uma é responsável pela execução de uma 
tarefa. 
A instrução utiliza registradores de uso geral para armazenamento temporários dos dados que serão processados e 
de uso específico para funções pré definidas de controle ou destinadas a uma forma de armazenamento implícito. 
Atenção 
Ninguém programa diretamente utilizando as instruções do processador! Os programas são desenvolvidos em 
linguagens de alto nível. Os compiladores são responsáveis por transformar este programa para uma linguagem de 
montagem (Assembly) , que é a representação textual das instruções como, por exemplo, ADD, MOV, INC etc. 
Tipos de instrução 
 
Existem três tipos de instrução: as Instruções aritméticas e lógicas, as Instruções de movimentação de dados e as 
Instruções de transferências de controle. 
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Atenção 
Alguns processadores possuem ainda instruções para tratamento de ponto flutuante, manipulação de bits 
e manipulação de cadeias de caracteres (strings). 
Execução de uma instrução 
 
A execução de uma instrução é dividida em etapas. 
 
São elas: 
 
Formato básico de uma instrução 
 
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Uma instrução possui dois formatos básicos, que são: 
• Código da operação 
• Operando 
 
As instruções podem ter mais de um operando ou nenhum operando. 
 
 
Modos de endereçamento 
 
As maneiras de endereçamento são: imediato, direto, indireto, por registrador, relativo a base e indexado. 
 
 
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Já sabemos como as instruções sãoexecutadas. 
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Na aula de hoje, iremos detalhar as unidades funcionais de um processador avançando do modelo de Von Neumann 
para implementações mais sofisticadas. 
 
Lembre-se que estamos tratando de conceitos e que existem diferenças de projetos entre diferentes fabricantes. 
Modelo de Von Neumann 
 
Processador e seus componentes 
 
 Já sabemos como um computador é inicializado (procedimento de bootstrap) e, com isso, entendemos que o 
processador é composto por circuitos capazes de executar instruções. 
 
 A função do processador é, então, executar instruções e, para isso, obedece ao ciclo de busca, decodificação e 
execução da instrução. 
 
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As funções realizadas pelo processador podem ser divididas em dois grupos: controle e processamento. 
 
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Interrupções 
 
Sâo eventos provocados pelo hardware que provocam o desvio da sequência normal de execução de uma tarefa. 
 
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As interrupções podem ser divididas em três classes: relógio, E/S e falha de Hardware. 
 
 
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Pipeline 
 
O esquema tradicional de execução de uma instrução (sequencial) não utiliza o potencial dos circuitos eletrônicos 
cada vez mais rápidos, pois existem tarefas mais lentas que outras, como, por exemplo, o acesso à memória. No 
modelo sequencial, os componentes do processador não envolvidos com o acesso à memória estariam ociosos 
durante a execução da tarefa. 
 
O pipeline funciona, então, como uma linha de montagem, permitindo que várias instruções sejam executadas 
simultaneamente , reduzindo o tempo de término de cada ciclo. O objetivo é utilizar as diversas unidades do 
processador por instruções diferentes. 
 
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Na aula de hoje, iremos aprender como funciona a memória principal e como ela se relaciona com os demais 
elementos de um sistema de computação. 
 
Aprenderemos, também, sobre a importância da memória cache para o desempenho de um computador e o 
relacionamento desta memória com a memória principal. 
Características da memória principal 
 
A memória principal é a responsável pelo armazenamento temporário de informações que serão manipuladas pelo 
sistema e que irão permitir sua recuperação quando necessário. 
 
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O elemento básico de armazenamento é o bit, porém a forma de como estes bits são agrupados para representar 
uma informação depende de cada sistema. 
Este agrupamento é denominado célula e passa a ser a unidade de armazenamento. 
Cada célula de memória possui um endereço que a identifica de forma única. 
 
 
Hierarquia 
 
Existem vários tipos diferentes de dispositivos de armazenamento, cada um com características próprias de tempo 
de acesso, capacidade, aplicabilidade etc. Estas memórias são organizadas na forma de pirâmide onde, no topo, 
encontra-se aquela com maior custo, maior velocidade e menor capacidade de armazenamento e, na base, o 
inverso. 
 
Memória principal 
Componentes da memória principal 
 
A CPU comunica-se com a memória através de um barramento e utiliza os registradores RDM e REM para o envio e 
recebimento das informações. Utiliza, ainda, registradores para armazenamento durante a transferências. 
 
As operações de leitura e escrita são gerenciadas pelo controlador de memória. 
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Memória principal 
Operações 
 
As operações são divididas em dois grupos: Operação de Leitura e Operação de Escrita: 
 
Memória principal 
Organização da memória principal 
 
A memória é organizada em células. 
Um conjunto de células que possuem um significado é chamado de palavra (word). A palavra é, então, a unidade de 
informação do sistema que deve representar o valor de um dado ou de uma instrução de máquina. 
 
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Memória cache 
 
O estudo da memória cache pode ser subdividido em: motivação, acesso, organização, mapeamento e algoritmos de 
substituição. 
 
 
 
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O último componente que será estudado é o subsistema de entrada e saída. 
 
Este assunto é bastante abrangente, pois envolve todos os periféricos de um computador, cada um com 
características bem específicas. 
 
Iremos, então, conhecer os principais conceitos de funcionamento para que possam ser adequados aos periféricos 
atuais e futuros. 
Conceitos 
 
Denominamos atividade de E/S (entrada e saída) a troca de informações entre o computador e o meio externo. 
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Componentes 
 
Os componentes dos dispositivos são: periférico, interface, controlador, barramento, porta de E/S. 
 
 
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Endereçamento de E/S 
 
Utiliza um conjunto de registradores internos ao controlador que recebem ordens do processador e fornecem o 
status de uma operação. 
 
Os registradores são associados a endereços e podem ser implementados de duas formas: em espaço de memória e 
em espaço de E/S. 
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Classificação 
 
Os dispositivos podem ser classificados em três formas, que são: quanto a interação, quanto a transferência de 
dados e quanto a forma de comunicação. 
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Tipos de transmissão de dados 
 
A transmissão de dados pode acontecer por dois tipos diferentes: serial e paralelo. 
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Memória secundária 
 
São memórias secundárias os meios de armazenamento não-volátil como, por exemplo, os discos magnéticos. A 
organização destes discos é particularmente importante pela função que exercem. 
Os discos magnéticos são divididos em setores, trilhas e cilindros. 
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O desempenho de um disco é medido pela velocidade de localizar uma informação. 
 
Considera-se que o disco roda em velocidade constante para posicionar a cabeça na trilha. 
 
Existem, ainda, estratégias para atendimento às requisições, fornecidas pelo sistema operacional, denominadas 
estratégias de escalonamento de disco. 
 
As estratégias podem ser baseadas na ordem dos pedidos, na localização e na localização segmentada. 
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