Computadores Sistemas

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Computadores e Redes de
Comunicação
Computadores e Redes de Comunicação 2
Sumário
• Definição
• Breve história
• Evolução
• Funções básicas
• Representação de dados
• Organização
• Programação
Definição
Breve História e Evolução
Definição
Computador “Sistema programável que permite
armazenar, recuperar e processar
dados.”
Entrada SaídaProcessamento
Armazenamento
Instruções
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Breve História
• Computadores mecânicos
– Ábaco (2500 AC)
– Calculadora de discos Pascal (1642)
–Máquina diferencial (Babbage, 1822)
–Motor analítico (Babbage, 1833)
– Tabuladora Hollerith (1890)
Pascaline
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Máquina Diferencial de Babbage
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Tabuladora de Hollerith
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Breve História
• 1ª Geração (1946-1957)
– Uso de válvulas e cartões perfurados. Cálculos
digitais substituíram os cálculos analógicos.
– Harvard MARK I (Aiken, 1944) – hardware
electromecânico.
– ENIAC (Eckert e Mauchly, 1946) – primeiro computador
completamente electrónico. 18 mil válvulas.
– EDVAC (von Neumann, 1950) – introduziu a memória
permanente e o sistema binário.
– UNIVAC I (1951) – primeiro computador a ser produzido em
massa.
ENIAC (1946)
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UNIVAC (publicidade, 1955)
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Breve História
• 2ª Geração (1958-1964)
– Substituição das válvulas pelo transístor.
– Linguagens de programação de alto nível.
– Introdução de sistemas operativos.
– Foram os primeiros computadores com sucesso
comercial.
– FORTRAN, COBOL – linguagens de programação.
– IBM 1401
IBM 1401
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Circuito Impresso
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Computadores e Redes de Comunicação 15
Breve História
• 3ª Geração (1965-1971)
– Utilização do circuito integrado.
– Minicomputadores – versões reduzidas dos mainframes.
– Redes de computadores.
– Desenvolvimento das linguagens de
programação BASIC e PASCAL.
– IBM System/360
Circuito Integrado
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IBM System/360
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Computadores e Redes de Comunicação 18
Breve História
• Gerações seguintes (1972-)
– Invenção do microprocessador.
– Computadores pessoais.
– Crescimento acentuado (Lei de Moore).
– Large Scale Integration (70s) – 3,000 a 100,000
elementos num chip.
– Very LSI (desde 80s) – 100,000 a 100,000,000.
– Ultra LSI (hoje) – mais de 100,000,000.
Wafer
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Evolução dos Computadores
Ano Nome Área
(m2)
Potência
(watts)
Desempenho
(soma/seg)
Memória
KB
Custo ajustado
a 1991
$/desempenho
vs. UNIVAC
1951 UNIVAC I 100 124.500 1.900 48 $4.533.607 1
1964 IBM S360 6 10.000 500.000 64 $3.756.502 263
1965 PDP-8 0,8 500 330.000 4 $59.947 10.855
1976 Cray-1 5,8 60.000 166.000.000 32.768 $7.675.591 21.842
1981 IBM-PC 0,15 150 240.000 256 $3.702 42.105
1991 HP 9000 0,2 500 50.000.000 16.384 $7.400 3.556.188
Hoje PC 0.2 <300 >100.000.000 262.144 <$1.000 >50.000.000
Tendências
• Evolução nas áreas:
– Processamento
– Armazenamento
– Comunicação
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Organização Lógica
Representação de Dados
Funções Básicas
Entrada
e Saída
Controlo
Armazenamento Processamento
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Funções Básicas
• Armazenamento de dados
– Capacidade de armazenar os dados de forma permanente ou
temporária.
• Operações de entrada e saída
– Permitem obter ou disponibilizar dados ao mundo exterior.
– Existe uma grande diversidade de dispositivos de entrada e
saída.
• Controlo das operações
– Selecção e ordenação das operações a executar de acordo com
regras pré-determinadas (programa).
• Processamento de dados
– Execução de operações básicas: aritméticas, lógicas,
comparações, pesquisas, etc.
– Centenas de milhões de operações por segundo
Representação de Dados
• Sistema binário
– Nos computadores digitais, a informação é
representada sob a forma de voltagens.
– Resulta em circuitos mais simples e mais imunes ao
ruído.
– O uso de um sistema decimal implicaria o recurso a
10 valores diferentes e fiáveis para cada dígito.
Representação do
valor 0110010
Tempo
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Voltagem
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Representação de Dados
• Num computador digital, toda a informação é codificada em binário.
– Símbolos na base 10: 0,1,2,3,...,9. (algarismos árabes)
– Símbolos na base 2: 0,1. (dígitos binários ou bits)
• Notação posicional: a mudança de um símbolo da direita para a
esquerda, representa um aumento na ordem de magnitude.
– base 10: aumentos em potências de 10. (1,10,100,1000...)
– base 2: aumentos em potências de 2. (1,2,4,8...)
• Representação de valores numéricos:
– 11012 base 2 1x23 + 1x22 + 0x21 + 1x20 = 13
– 24710 base 10 2x102 + 4x101 + 7x100 = 247
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Representação de Dados
Decimal Binário
1 1
2 10
3 11
4 100
5 101
6 110
7 111
8 1000
9 1001
10 1010
Decimal Binário
11 1011
12 1100
13 1101
14 1110
15 1111
16 10000
17 10001
18 10010
19 10011
20 10100
Representação de Dados
• Binário  Decimal
• Decimal  Binário
– 27 / 2 = 13 + resto 1
– 13 / 2
– 6 / 2
– 3 / 2
– 1 / 2
= 6 + resto 1
= 3 + resto 0
= 1 + resto 1
= 0 + resto 1
– 2710 = 110112
Computadores e Redes de Comunicação 29
– 1012 = 1 x 22 + 0 x 21 + 1 x 20 = 4 + 0 + 1 = 510
– 10012 = 1 x 23 + 0 x 22 + 0 x 21 + 1 x 20 = 910
– 10,112 = 1 x 2
1 + 0 x 20 + 1 x 2-1 + 1 x 2-2 =
2 + 0 + ½ + ¼ = 2 + ¾ = 2,7510
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Representação de Dados
• Como representar outros símbolos?
– Utilizando normas de codificação – as normas de codificação
permitem relacionar um conjunto de símbolos (alfabeto) com outro
conjunto, p.e. números ou impulsos eléctricos.
• Código ASCII:
• Outras normas: Unicode, ISO 8859-1
Binário Decimal ASCII
00101110 46 .
00101111 47 /
00110000 48 0
00110001 49 1
Binário Decimal ASCII
00101110 65 A
00101111 66 B
00110000 67 C
00110001 68 D
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Representação de Dados
• 1 bit (binary digit)
• 1 byte (binary term) = 8 bits
• Os prefixos apresentados correspondem, segundo as normas
internacionais, a potências na base 10 (kilo – 103, mega – 106, ..). No entanto, na
área da ciência dos computadores, são associados à base 2.
• 1 Kb = 1 kilobit ≠ 1KB = 1 kilobyte
• 1 kilobyte (KB) = 210 bytes = 1 024 bytes
• 1 megabyte (MB) = 220 bytes = 1 024 kilobytes
• 1 gigabyte (GB) = 230 bytes = 1 024 megabytes
• 1 terabyte (TB) = 240 bytes = 1 024 gigabytes
• 1 petabyte (PB) = 250 bytes = 1 024 terabytes
• 1 exabyte (EB) = 260 bytes = 1 024 petabytes
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Representação de Dados
• 1 símbolo ~ 1 byte
• 1 livro ~ 1 MB (apenas texto)
• Biblioteca do Congresso dos EUA ~ 28 TB
• Informação armazenada anualmente em todo o mundo ~ 5 EB
– A maioria da nova informação produzida é armazenada em discos duros.
– Considerando a população mundial, cada pessoa produz em média 800 MB/ano.
• Chamadas telefónicas por ano (fixo e móvel) ~ 17 EB
– Cerca de3,5 vezes mais do que aquela que é armazenada anualmente.
• World Wide Web (à superfície) ~ 170 TB
– À superfície, ignorando as bases de dados (“deep web”).
Projecto “How Much Information? 2003”.
website: http://www.sims.berkeley.edu/research/projects/how-much-info-2003/
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Organização do Computador
Organização do Computador
Unidade Central
de Processamento
controlo
Unidade de
Controlo
Memória Entrada e Saída
Unidade
Lógica e
Aritmética
dados
barramentos
Computadores e Redes de Comunicação 35
Computadores e Redes de Comunicação 36
Organização do Computador
• Unidade Central de Processamento (CPU)
– Controla a operação do computador e desempenha as funções de
processamento dos dados. Muitas vezes referido apenas como o
processador.
• Memória
– Armazenamento dos programas, dados e resultados.
• Entrada e Saída (E/S)
– Transfere os dados entre o computador e o ambiente externo (teclado,
monitor, etc.).
• No CPU
– Unidade de Controlo (UC): Controla a operação do CPU.
– Unidade Lógica e Aritmética (ULA): Desempenha as funções
lógicas (p.e. comparações) e aritméticas (p.e. adição).
Processador
• Executa as instruções indicadas nos programas armazenados em
memória.
• Instruções
– Conjunto limitado de operações elementares.
– Adicionar, testar, comunicar com dispositivos de E/S, mover, ...
– As instruções disponíveis dependem da arquitectura do computador.
• Ciclo de execução (simplificado)
– Obter próxima instrução
– Descodificar instrução
– Executar instrução
– Escrever resultados Obter Descod. Exec. Gravar
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Computadores e Redes de Comunicação 38
Processador
• Exemplo de instruções
– LOAD A, R1 Mover os conteúdos da posição de memória A para
o registo R1.
– LOAD B, R2
– ADD R1, R2, R3 Adicionar o conteúdo do registo R1 com R2 e
colocar o resultado em R3.
Armazenar o valor de R3 na posição de memória C.– STORE R3, C
Processador
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Processador
• Em qualquer computador escalar, apenas uma instrução é
executada de cada vez.
• Durante as fases de descodificação e execução, os canais de
comunicação (bus) estão livres.
• Uma forma de aproveitar esta inactividade é através da obtenção
antecipada (prefetch) das instruções seguintes.
obter 1 executar 1 obter 2 executar 2 obter 3 executar 3
executar 1 executar 2 executar 3 exec. 4
ganho
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obter 1 obter 2 obter 3 obter 4 obter 5 obter 6
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Processador
• Principais características
– Comprimento da palavra. A palavra corresponde ao número de
bits que são tratados como uma unidade durante o processamento
interno (ex: “O Sun UltraSPARC é um processador de 64 bits”).
– Velocidade do processador. Para coordenar o funcionamento
das partes do processador são usados sinais de relógio. A velocidade
do processador corresponde ao número de ciclos de relógio por
segundo (hertz) (ex: “PC a 2 GHz”).
Memória
• A memória pode ser vista como um conjunto de células
onde é possível armazenar dados.
• A cada célula está associado um número de
identificação único – endereço.
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Computadores e Redes de Comunicação 43
Memória
• Principais características
– Localização
• Processador, interna, externa (secundária).
– Capacidade
• Tamanho da palavra, número de palavras.
– Método de acesso
• Sequencial, directo, aleatório, associativo.
– Desempenho
• Tempo de acesso, frequência de relógio, taxa de transferência.
– Tipo físico
• Semicondutor, magnético, óptico.
– Características físicas
• Volátil, permanente.
Memória
• Hierarquia de memórias do computador
cache de disco
disco magnético
disco ópticobanda magnética
10 registos
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cache
memória principal •Menor custo por bit
•Maior capacidade
•Maiores tempos de acesso
103
Unidades de
capacidade
106
106
109
109
Memória
• Evolução da capacidade dos chips de DRAM.
DRAM
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Ano Capacidade
1980 64 Kb
1983 256 Kb
1986 1 Mb
1989 4 Mb
1992 16 Mb
1996 64 Mb
1999 256 Mb
2002 1 Gb
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Memória
• Memória primária (interna)
– Usada para armazenar dados de utilização frequente. Geralmente
volátil.
• Memória secundária (externa)
– Dispositivos periféricos, acessíveis ao processador através dos
controladores de E/S.
Armazenamento
Primário
ROM ROM
PROM
EPROM
EEPROM
RAM SRAM
DRAM
Armazenamento
Secundário
Disco magnético
Disco óptico (CR-ROM, DVD)
Banda magnética
Disco Magnético
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Entrada e Saída
• Os controladores de entrada e saída (E/S) são a interface de um
computador para o exterior.
• O módulo de E/S tem duas funções principais:
– Interface com o processador e memória através dos canais de
comunicação do sistema.
– Interface com cada um dos periféricos instalados através de canais
específicos.
• Categorização de dispositivos externos (periféricos):
– Interface com Humanos: comunicação com o utilizador.
– Interface com Máquinas: comunicação com equipamento.
– Comunicação: comunicação com dispositivos remotos.
Periféricos
• Interface com Humanos
– Teclado, monitor, impressora.
• Interface com Máquinas
– Disco magnético, sensor, actuador.
• Comunicação
– Modem.
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Monitor CRT
• Cathode Ray Tube (CRT)
• Dispositivo de saída mais usado.
• Resolução máxima: número máximo de
pontos individuais.
• Taxa de refrescamento: número de vezes
que a imagem no ecrã é desenhada.
• Profundidade de cor: número de cores que podem ser
desenhadas num ponto.
• A imagem corresponde a uma matriz de pixels,
representados num mapa de bits (bitmap).
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Computadores e Redes de Comunicação 51
Programação de Computadores
• Um programa especifica, na sintaxe precisa de uma
linguagem de programação, as tarefas que se pretende
que o computador realize.
• Um algoritmo tem o mesmo objectivo de um programa
mas não está associado a nenhuma linguagem em
particular. Tem como principal função facilitar a
comunicação entre humanos.
• Exemplo: receita de bolo de chocolate.
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Programação
1.Numa taça:
1.Bater:
5 ovos
2. cháv. de chá de açúcar.
até obter uma mistura consistente.
2.Acrescentar alternadamente:
3.Bater até obter uma massa espessa.
4.Acrescentar 1
2.Untar forma com
3.Deitar massa na
cháv. de chá de água.
manteiga e farinha.
forma.
4.Levar forma ao forno durante 30-40 minutos a 250ºC.
2 cháv. de chá de farinha.
1 col. chá de fermento em pó.
1 cháv. de chá de óleo.
1 cháv. de chá de chocolate em pó.
Programação
swap(int v[], int k);
{
int temp;
temp = v[k];
v[k] = v[k+1];
v[k+1] = temp;
}
swap:
multi $2, $5,4
add $2, $4,$2
lw $15, 0($2)
lw $16, 4($2)
sw $16, 0($2)
sw $15, 4($2)
jr $31,
00000000101000010000000000011000
00000000100011100001100000100001
10001100011000100000000000000000
Linguagem de alto nível (C)
compilador
Linguagem de montagem
assembler
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Código máquina 10001100111100100000000000000100
10101100111100100000000000000000
10101100011000100000000000000100
00000011111000000000000000001000
Linguagens de Programação
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Programação
Computadores e Redes de Comunicação 55