Arquitetura de Computadores

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20/03/2014
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Arquitetura e Organização de 
Computadores
Prof. Nelson Miguel Betzek
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Componentes de um Sistema de 
Computação
Software
Visão Geral
Hardware
Peopleware
Componentes do Computador
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Barramentos
Visão Geral
Unidade Central de Processamento
Registra-
dores
ULA
Unidade
de Controle
Dispositivos
de Entrada
Dispositivos
de Entrada
Dispositivos
de Saída
Dispositivos
de Saída
Dispositivos de 
Armazenamento
Dispositivos de 
Armazenamento
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Entrada
Processamento
Armazenamento
Saída
Visão Geral
O usuário enxerga
• Software;
• Velocidade;
• Capacidade de armazenamento;
• Funcionalidades
de periféricos.
Prof. Jussara Almeida, UFMG
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Hardware
• Circuitos eletrônicos
– Transistores interconectados;
– Chaves ligadas ou desligadas.
• Linguagem de máquina
– Conjunto de instruções fundamentais que a 
máquina executa;
– Expressa como um padrão de 0s e 1s.
Exemplo
• Exemplo
• A evolução da informática foi caracterizada 
pelo desenvolvimento de computadores:
– CPU adotada
– a capacidade de memória
– a capacidade do disco rígido (memória externa)
– a existência de memória cache
– ...
Arquitetura / Organização
Ex.: Edifício
• Arquitetura
– Quantidade de cômodos
– Tipo de cobertura das paredes da cozinha
– Tem sacada? ...
• Organização:
– Estrutura
– Cálculos (vigas, ...)
– encanamentos, ...
Arquitetura de Computadores
• Compreende a definição dos parâmetros e 
componentes de um computador.
• determina aspectos relacionados à qualidade, 
ao desempenho e à aplicação para a qual o 
computador será utilizado.
Arquitetura
• Refere-se a atributos de um sistema visíveis 
ao programador. 
• Atributos que possuem impacto direto sobre 
a execução lógica de um programa.
• Exemplos:
– Conjunto de instruções do processador
– Número de bits usados para representar diversos 
tipos de dados (números, caracteres) (tamanho 
da palavra)
– Mecanismos de E/S
– Técnicas de endereçamento de memórias.
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Arquiteturas
• Foram classificadas por Michael Flynn (1972), 
conforme a maneira como as instruções e dos 
dados por elas manipulados estão organizados 
nos processados:
– SISD (Single Instruction stream, Single Data stream)
– MISD (Multiple Instruction stream, Single Data 
stream)
– SIMD (Single Instruction stream, Multiple Data 
stream)
– MIMD (Multiple Instruction stream, Multiple Data 
stream)
SISD
• Um único conjunto de instruções e de dados
• Padrão Von Neumann
• Processadores que executam uma instrução 
completa de cada vez, sequencialmente.
• Processador com um único registrador (CI –
Controlador de Instruções ou PC – Program 
Counter), que armazena o endereço da próxima 
instrução a ser executada e que vai 
automaticamente sendo incrementado para o 
próximo endereço de instrução.
SISD MISD
• Múltiplos processadores;
• Várias instruções podem ser executadas 
simultaneamente, manipulando um único 
conjunto de dados;
• Alguns autores consideram arquiteturas 
pipeline com exemplo deste tipo de 
organização.
SIMD
• Múltiplos processadores (escravos) sob o 
controle de uma única UC;
• Executa simultaneamente a mesma instrução 
em diversos conjuntos de dados;
• A UC aciona diversas unidades de 
processamento
• Ex.: 1000 vezes A(i) * B(i)
• Monteiro (pg 3)
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SIMD
• Manipulação de matrizes e processamento de 
imagens;
• Uma UC busca a instrução e comanda várias 
ULAs, que executam em paralelo, cada uma 
com seus próprios dados.
• Ex.: Array de processadores, 
supercomputadores.
SIMD
• Processamento de vários dados sob o 
comando de apenas uma instrução. 
• Organização sequencial. 
• Para possibilitar o acesso a múltiplos dados é 
preciso uma organização de memória em 
diversos módulos. 
SIMD MIMD
• Mais avançada
• Produz melhor desempenho de 
processamento;
• Multiplos processadores executando 
diferentes instruções em diferentes conjuntos 
de dados, de maneira independente;
• Computadores paralelos.
MIMD
• Arquiteturas caracterizadas pela execução 
simultânea de múltiplos fluxos de instruções. 
• Vários processadores operando de forma 
cooperativa ou concorrente, na execução de 
um ou vários aplicativos. 
MIMD
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Pesquisa
• Informações e exemplos de processadores:
– SISD
– MISD
– SIMD
– MIMD
SISD
• Um único fluxo de instruções opera sobre um 
único fluxo de dados. 
• Apesar dos programas estarem organizados 
através de instruções sequenciais, elas podem 
ser executadas de forma sobreposta em 
diferentes estágios (pipelining). Arquiteturas 
SISD caracterizam-se por possuírem uma única 
unidade de controle podendo possuir mais de 
uma unidade funcional.
SIMD
• Possuírem uma unidade de controle que 
executa uma instrução de cada vez, mas cada 
instrução opera sobre vários dados. 
Balthazar (2012)
Organização
• Refere-se às unidades operacionais e suas 
interconexões que realizam as especificações 
arquiteturais.
• como os recursos são implementados.
• Detalhes do hardware transparentes ao 
programador:
• Sinais de controle
• frequência de clock
• Interfaces entre o computador e periféricos
• Tecnologia de memória utilizada.
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• Se o computador terá uma instrução de 
multiplicação, é questão de projeto 
arquitetural ou organizacional?
• E, se essa instrução será implementada por 
uma unidade de multiplicação especial ou por 
um mecanismo que faça uso repetido da 
unidade de adição do sistema?
• Se o computador terá uma instrução de 
multiplicação, é questão de projeto arquitetural 
ou organizacional?
– Arquitetural
• E, se essa instrução será implementada por uma 
unidade de multiplicação especial ou por um 
mecanismo que faça uso repetido da unidade de 
adição do sistema?
– Organizacional
• A decisão organizacional pode ser baseada:
– na frequência de uso da instrução de 
multiplicação;
– na velocidade relativa das duas técnicas;
– no custo e tamanho físico de uma unidade de 
multiplicação especial.
• A decisão organizacional pode ser baseada:
– na frequência de uso da instrução de 
multiplicação;
– na velocidade relativa das duas técnicas;
– no custo e tamanho físico de uma unidade de 
multiplicação especial.
• Circuitos
Visão Geral
• Muitos fabricantes oferecem uma família de 
modelos de computador, todos com a mesma 
arquitetura, mas com diferenças na 
organização.
• Consequentemente, os diferentes modelos na 
família, têm diferentes características de preço 
e desempenho.
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Visão Geral
• Em microcomputadores, o relacionamento 
entre arquitetura e organização é muito 
próximo.
• As mudanças da tecnologia, influenciam a 
organização e também resultam na introdução 
de arquiteturas mais poderosas e mais 
flexíveis.
Visão Geral
• UMA ARQUITETURA PODE 
SOBREVIVER POR MUITOS ANOS, 
ENQUANTO SUA ORGANIZAÇÃO 
MUDA COM A EVOLUÇÃO DA 
TECNOLOGIA.
Exemplo
• Toda a família Intel x86 compartilha a mesma 
arquitetura básica.
• Isso gera compatibilidade de código:
– Pelo menos, com a geração anterior.
• A organização é diferente entre diferentes 
versões.
• Arquitetura
– Repertório de instruções
– Tipos de dados
– Acesso à memória
– Conjunto de 
registradores
• Organização
– Tecnologia de memórias
– Interfaces
– Entrada e saída
• Se o computador terá uma instrução de 
multiplicação, é questão de projeto arquitetural 
ou organizacional?
– Arquitetural
• E, se essa instrução será implementada por uma 
unidade de multiplicação especial ou por um 
mecanismo que faça uso repetido da unidade de 
adição do sistema?
– Organizacional20/03/2014
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• A decisão organizacional pode ser baseada:
– na frequência de uso da instrução de 
multiplicação
– na velocidade relativa das duas técnicas 
– no custo e tamanho físico de uma unidade de 
multiplicação especial.
• Circuitos
Conceitos Básicos
• bit
• Byte
• Palavra
bit (b)
• É menor informação que um computador
pode processar.
• Corresponde a um pulso elétrico. Se
existe, tem valor 1 e, se não existe, tem
valor 0. Isto forma o código binário (0- 1).
Byte
Um grupo de 8 bits é igual a 1 Byte, e
representa um único caracter de dados,
como no código ASCII.
Palavra
• Unidade básica de transferência de/para a 
memória.
• Contém dados e instruções.
• Memória:
– formada por elementos armazenadores de 
informação;
– dividida em palavras (largura em bits)
– identificada por um endereço.
Sistema Binário
• BIT - Menor unidade de medida. (0 e 1)
• BYTE - Conjunto de 8 bits (caractere)
• KILOBYTE (KB) - Conjunto de 1024 bytes. 
Equivale a 210.
• MEGABYTE (MB) - Conjunto de 1024 Kbytes. 
Equivale a 220.
• GIGABYTE (GB) - Conjunto de 1024 Mbytes. 
Equivale a 230.
• TERABYTE (TB) - Conjunto de 1024 Gbytes. 
Equivale a 240.
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Sistema Binário
• PETABYTE (PB) - Conjunto de 1024 TB Equivale 
a 250.
• EXABYTE (EB) - Conjunto de 1024 PB Equivale 
a 260.
• ZETTABYTE (ZB) - Conjunto de 1024 EB 
Equivale a 270.
• YOTTABYTE (YB) - Conjunto de 1024 ZB 
Equivale a 280.
Sufixo Quantidade
Kilo (K) 210 =1.024 B
Mega (M) 220 = 1.048.576 B
Giga (G) 230 = 1.073.741.824 B
Tera (T) 240 = 1.099.511.627.776 B
Peta (P) 250 = 1.125.899.906.843.624 B
• bit (b minúsculo), Byte (B maiúsculo)
• 1KB – 1 kilobyte (1.024 bytes = 8.192 bits)
• 1Kb – 1 kilobit (1.024 bits)
Piada
• O sujeito chegou na banca de revistas e pediu 
ao jornaleiro:
- Por favor, eu quero comprar uma revista 
“BYTE”.
O jornaleiro não tinha mais nenhum exemplar 
da revista “BYTE”, e falou:
- A revista “BYTE” acabou. Agora só tem a 
revista “BIT”.
- Então vou levar oito revistas “BIT”.
• Memória: conjunto de posições endereçáveis
• Palavras: contém posição da memória e dados 
ou instruções.
• Palavra: unidade básica de transferência 
de/para memória.
• Dados, instruções e endereços são codificados 
em binário.
• Palavra: Conjunto de bits que representa uma 
informação útil para os computadores.
• Unidade de armazenamento – Byte
• Unidade de transferência e processamento –
Palavra
• Em geral, a CPU processa valores 
representados por uma quantidade de bits 
igual à da palavra, indicando assim a 
capacidade de processamento do sistema.
• Monteiro (2001) 
• O tamanho da palavra indica a quantidade de bits 
interpretados a cada ciclo pelo microprocessador.
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Computador
• O que é um computador?
• Exemplo de computadores.
Computador
• é uma máquina de solução de problemas 
• executa programas - Conjunto de instruções 
que descrevem como realizar uma tarefa
Os circuitos de um computador 
(Hardware)
• reconhecem e executam um conjunto limitado 
e simples de instruções (linguagem de 
máquina-binária)
• exemplo: soma, comparação, transferência de 
dados de uma parte da memória para outra.
Computador
• Desde microprocessadores de um único chip, 
até supercomputadores.
• Variedade:
– Custo
– Tamanho
– Desempenho
– Formas de aplicação
Stallings (2010).
Computador
• Impressionante ritmo das mudanças da 
tecnologia.
• Importância projetar sistemas de computação 
com alto desempenho.
Stallings (2010).
Computador
• Tem um conjunto de instruções e convenções 
único para determinar as posições dos dados 
com os quais a operação será realizada. 
• Diferem nas operações específicas que 
fornecem e nos métodos que usam para 
referenciar os dados que serão manipulados 
por uma operação. 
• Weber
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Computador
• Alto desempenho:
– Velocidade do processador
– Capacidade de memória
– Taxa de transferência de dados
• Aumentam, porém em diferentes velocidades.
Stallings (2010).
Computador
• Constituido com circuítos eletrônicos, capazes 
de reconhecer e executar diretamente apenas 
um conjunto limitado e simples de instruções 
de máquina, nas quais os programas devem 
ser convertidos para serem executados.
• Monteiro (2001)
Instrução
• É uma operação que tem a forma: operação e 
operandos. 
• OPERAÇÃO: especifica a função que será 
desempenhada. 
• OPERANDOS: em geral, identifica o endereço 
de memória onde está contido o dado que 
será manipulado
Tipos de instruções
• Executar operações aritméticas sobre dois 
números;
• Executar operações lógicas sobre dois números;
• Mover um conjunto de bits de um local para 
outro do computador;
• Desviar a sequência do programa;
• Fazer a comunicação com dispositivos de entrada 
e saída de dados.
• Monteiro (2001).
Instruções da linguagem de máquina
• devem:
– ser simples
– ser compatível com o uso da máquina
– ser compatível com a performance requerida
– ter custo e complexidade da eletrônica reduzidos
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Processamento de dados
• Manipulação dos dados, realizada segundo 
instruções de um programa (MONTEIRO, 
2001).
PROGRAMA
• é constituído de uma sequência pré-determinada 
de instruções, que deve ser seguida para que seja 
atingido o objetivo computacional. 
• o programa e os dados correspondentes estão 
armazenados na memória da máquina; 
• o conjunto de instruções (ou programa) deve ser 
interpretado para realização do processamento, 
isto é, a informação codificada correspondente às 
ações e aos operandos, deve ser entendida e 
então processada.
• Weber
Exemplo programa
• Somar 100 números e imprimir o resultado
1. escrever e guardar N=0 e SOMA=0
2. Ler número
3. Somar valor do número ao de SOMA e guardar o 
resultado em SOMA
4. Somar 1 ao valor de N e guardar o resultado em N
5. Se valor de N for menor que 100, então passar para 
item 2
6. Imprimir valor de SOMA
7. Parar.
Linguagens de programação
• Regras fixas e rígidas de sintaxe.
• A máquina entende e executa instruções 
simples (instruções de máquina).
• Linguagens de alto nível possuem estrutura de 
comandos que são identificados por palavras 
da nossa linguagem, o que facilita o 
entendimento do programador (usa 
SE/ENTÃO/SENÃO é mais intuitivo do que 
01011011011)
Máquina Multinível
• Para aproximar os seres humanos da máquina 
é usada uma divisão em camadas das 
arquiteturas de computadores. 
• Assim, quanto mais camadas tiver uma 
arquitetura, mais próxima da linguagem 
humana será a linguagem de alto nível deste 
computador.
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Máquina Multinível
Arquitetura em níveis
Linguagens de alto nível
Linguagem assembly
Sistema operacional
Linguagem de máquina
Microarquitetura
Lógica digital
Tradução (compilador)Interpretação 
Tradução (assembler)
Interpretação parcial (chamadas do sistema)
Interpretação (microprograma)Execução direta
Hardware
Prof. Jussara Almeida, UFMG Prof. Jussara Almeida, UFMG
Arquitetura em níveis
Linguagens de alto nível
Linguagem assembly
Sistema operacional
Linguagem de máquina
Microarquitetura
Lógica digital
Tradução (compilador)Interpretação 
Tradução (assembler)
Interpretação parcial (chamadas do sistema)
Interpretação (microprograma)Execução direta
Hardware
Suporte aos
Níveis superiores
Programadores de sistemas
Programas consistem em 
séries de números
Programadores de 
aplicações
Programas contêm
Palavras e abreviações
Nível Zero (Lógica Digital)
• Engenheiros eletrônicos e de computação 
(componentes dos circuitos que vão compor as 
portas lógicas e demais circuitos digitais)• capacitores, resistores, reguladores de potência, 
fusíveis, dentre outros elementos da eletrônica 
básica.
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Nível Um (Microarquitetura)
• Os circuitos vão ser organizados na forma de “pacotes” para 
compor computadores, os chamados circuitos digitais. 
• Estes circuitos são usados para compor as implementações 
práticas de todas as funções e mapeamentos usados na teoria dos 
circuitos digitais
• O projeto da microarquitetura depende diretamente da ISA, além 
dos objetivos de custo e performance.
• engenheiros e projetistas de hardware.
Nível Dois (Conjunto de instruções)
• Projetistas de hardware, profissionais ligados à 
engenharia e também a área de software, pois 
aqui se define o conjunto de instruções que 
determinada CPU é capaz de reconhecer, que 
tipo de trabalho determinado computador é 
capaz de realizar, ...
Nível Três (sistema operacional)
• O trabalho das equipes de software (bacharéis 
em ciência da computação, sistemas de 
informação, dentre outros)
• É criado o Sistema Operacional (controlar todo 
o funcionamento do sistema)
Nível Quatro (linguagem de 
montagem)
• Linguagem de montagem (assembly). 
• Essa linguagem existe para fazer o 
programador ter acesso a funcionalidades do 
computador que não seriam permitidas pelas 
chamadas linguagens de programação de alto 
nível. 
• São programações necessárias de se executar 
diretamente no hardware ou mais 
intimamente com o sistema operacional.
Nível Quatro
• Linguagem de montagem (assembly) = código 
de máquina
• Sequência de bits
Assembly
• É tão próxima do processador quanto o código 
de máquina, mas é humanamente mais fácil 
de se compreender. 
• Por exemplo ´mov´ de mover, ´rep´ de 
repetição e assim por diante.
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Nível Cinco (linguagem orientada a 
problemas)
• Tem-se a linguagem de alto nível
• Pascal, C, Delphi, Java e outras.
Histórico
• Ábaco – Babilônios – século V a.c.
• 1642 - Frances Blaise Pascal – (soma e 
substração) – engrenagens dentadas
• Alemão Gottfried Leibniz – calculadora
• 1800 – dispositivo mecânico – Joseph 
Jacquard – Tecelagem – cartões pefurados
• 1823 – Inglês Charles Babbage – calculadora 
programável (tinha os componentes de um 
computador atual)
Histórico
• 1889 – Herman Hollerith - Tabulador de 
Hollerith (Tabulava estatísticas com Cartões 
Perfurados)
• TMC - Tabulation Machine Company)
• CTRC - Computing Tabulation Recording 
Company
• IBM - Internacional Business Machine
Mark I (1944), totalmente eletromecânico, com 17 m 
de comprimento, 2,5 m de altura e 5 toneladas.
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Histórico
• A primeira geração: Válvulas
– ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer)
• Projetado e construído na Universidade da Pensilvânia
• Primeiro computador digital eletrônico
• Fins militares (2ª guerra mundial)
• Início 1943
• Pesava 30 toneladas
• Continha 18000 válvulas
• 800 km de cabos
• Consumia 140 kW de potência
• Máquina decimal
• Memória com 20 “acumuladores”, cada um capaz de manter um 
número decimal de 10 dígitos
• Um anel de 10 válvulas representava um dos 10 dígitos
• Programação manual, por meio da ligação de chaves e conexão e 
desconexão de cabos.
• Concluído em 1946 (depois do término da guerra)
• Foi desmontado em 1955.
Máquina de Von Neumann
• O matemático John Von Neumann foi o 
construtor do ENIAC
• Concebeu a ideia do Conceito de Programa 
Armazenado:
– A tarefa de inserir e alterar programas para o ENIAC 
era extremamente difícil. 
– O processo de programação poderia ser facilitado se o 
programa pudesse ser representado em uma forma 
adequada para armazenamento na memória junto 
com os dados. 
– Então um computador poderia obter suas instruções 
lendo-as da memória, e um programa poderia ser 
criado ou alterado definindo-se os valores de uma 
parte da memória.
Modelo de Von Neumann
• Memória: Conjunto de posições/locações 
endereçáveis
– Palavras: Posição/locação da memória. Contém 
dados e instruções.
– Palavra: Unidade básica de transferência de/para 
memória.
– Palavras são localizadas através de um endereço
– Dados, instruções e endereços são codificados em 
Binário.
Modelo de Von Neumann
• Programa é uma sequência de instruções, 
colocadas numa sequência de endereços.
– A execução de um programa corresponde à 
execução sequencial de suas instruções.
– A sequência das instruções é definida de forma 
dinâmica em tempo de execução.
• Existência de instruções de controle de fluxo
• Alan Turing, desenvolveu a ideia praticamente ao 
mesmo tempo.
• Em 1945, Von Neumann publicou a proposta de 
um novo computador, o EDVAC (Electronic
Discrete Variable Computer).
• Em 1946, Von Neumann e colegas, começaram o 
projeto de um novo computador de programas 
armazenados, conhecido como computador IAS, 
que foi concluído em 1952, e é o protótipo de 
todos os computadores de uso geral.
Estrutura Geral do IAS
• Uma memória principal, que armazena dados 
e instruções
• Uma unidade lógica e aritmética (ULA) capaz 
de operar sobre dados binários
• Uma unidade de controle, que interpreta as 
instruções na memória e faz com que sejam 
executadas
• Equipamento de entrada e saída (E/S) operado 
pela unidade de controle.
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Estrutura da máquina de von Neumann
Arquitetura Von Neumann
Gerações
Milhares de componentes no chip
Milhões de 
componentes no chip
ENIAC
• teve seu desenvolvimento iniciado em 1943
• tinham inicialmente o plano de armazenamento 
de softwares em seu interior. Mas, para agilizar o 
lançamento da máquina, essa idéia acabou 
ficando para trás.
• Assim, tinha que ser modificado fisicamente cada 
vez que uma tarefa diferente fosse executada. 
• Cabos eram reposicionados, chaves ligadas ou 
desligadas para um novo programa ser 
carregado. 
1946 - ENIAC
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EDSAC
• Podia codificar informações em forma binária, 
fato que reduziu consideravelmente os 
números de válvulas utilizadas.
1ª Geração
• para 2 KB de memória seriam necessárias 
16.384 (1024*8*2) válvulas e para três circuitos 
16.384 x 3 = 49.152 válvulas. 
•
1ª Geração
• para 2 KB de memória seriam necessárias 
16.384 (1024*8*2) válvulas e para três circuitos 
16.384 x 3 = 49.152 válvulas. 
• Quantas válvulas para 2 MB?
Computadores comerciais
• UNIVAC I (Universal Automatic Computer).
• Censo dos EUA.
• Final da década de 1950 – UNIVAC II.
– Mais rápido.
– Mais memória.
1ª geração
• 1940 a 1955
• ENIAC, EDVAC, IAS, UNIVAC, ...
• Linguagem de Máquina
• Não existia conceito de Sistema Operacional
• Falta de Confiabilidade: executar várias vezes!
Década de 50
• a organização interna dos computadores 
começou a ser repensada. 
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Exemplo
• Para computadores, o sistema Decimal não é tão 
interessante, tendo em vista que o trabalha com 
pulsos elétricos para representação dos dados. 
• Para trabalhar com o sistema decimal, seriam 
necessários 10 níveis distintos de voltagem, sendo 
que se a voltagem mínima fosse 0 volt e a máxima 
5v, a representação de um dado (um bit) deveria 
estar limitada a uma precisão de 0,5v
�Consequência: O sistema de numeração mais
seguro deveria ser aquele com o menor
número de símbolos (dígitos).
�Conclusão: o melhor sistema de numeração
para uma máquina seria o binário com apenas
dois dígitos, o zero (0) e o um (1).
� O número binário precisa de mais dígitos para
ser escrito do que o decimal.
�Consequência: o computador binário é mais
preciso, porém, muito lento porque a leitura
da informação requerer mais tempo.
Solução
• O uso de dispositivos eletrônicos baseados 
na tecnologia dos semicondutores, como os 
transistores.
Transistor• Dispositivo usado para controlar o fluxo de corrente.
• Características importantes:
1- é capaz de amplificar um sinal elétrico.
2- é capaz de chavear (comutar) entre ligado e
desligado (ou fechado e aberto), deixando corrente
passar através dele ou bloqueando-a. Essas
condições são também denominadas “saturação” e
“corte”, respectivamente.
Transistores
• Substituíram as válvulas (fios, placas de metal, 
cápsula de vidro e vácuo).
• Menores.
• Mais baratos.
• Menos dissipação de calor.
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1954
IBM 650
As mulheres participavam das mudanças, trabalhando...
Disco rígido em 1956 – 5 MB