Introdução à Ciências da Computação-Aula 16

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARÁ 
CURSO DE BACHARELADO EM CIÊNCIA DA COMPUTAÇÃO 
Profa. Amanda Drielly Pires Venceslau 
amanda.pires@ufc.br 
 
Introdução à Ciência da Computação 
 
Hardware 
(Parte I) 
 
Tópicos 
 
 
–Unidade Central de Processamento 
–Memória 
–Entrada/saída 
• Sistema de Computação 
 
 
 
Hardware –Conceitos Básicos 
• Computadores atuais – Operações fundamentais 
 
 
 Entrada(Input) 
 Processamento(Processing) 
 Saída(Output) 
 Armazenamento(Storage) 
 
 
 
Hardware –Conceitos Básicos 
• Computadores atuais 
 
 
 
 
Hardware –Conceitos Básicos 
• Computadores atuais 
 
 
 
 
Hardware –Conceitos Básicos 
 
 
Hardware –Conceitos Básicos 
Funções realizadas pela UCP 
 
 Processamento 
–operações aritméticas e lógicas 
–movimentação de dados 
–desvios 
–operações de entrada ou saída 
 
 Controle 
–Busca, interpretação e controle da execução das 
instruções. 
–Controle da ação dos demais componentes do 
sistema de computação (memória, entrada/saída). 
 
 
 
 
Hardware –UCP 
 
Componentes fundamentais 
 
Unidade de Controle 
Unidade Aritmética e Lógica 
Registros (Registradores) 
Sistemas de Comunicação (Barramentos) 
 
 
 
 
Hardware –UCP 
Barramentos 
 
 Rede de linhas de comunicação que conecta os elementos 
internos do processador e que também conduz até os conectores 
externos que ligam o processador com os demais elementos do 
sistema de informática. 
 
 Como um dado é composto por bits (geralmente um ou mais 
bytes) o barramento deverá ter tantas linhas condutoras quanto 
forem os bits a serem transportados de cada vez. 
 
 Em alguns computadores (em uma abordagem que visa a 
redução de custos), os dados podem ser transportados usando 
mais de um ciclo do barramento. 
 
 
 
 
Hardware –UCP 
 
Barramentos–Tipos 
 
Barramento de endereços –unidirecional 
Barramento de dados –bidirecional 
Barramento de controle -bidirecional 
 
 
 
 
 
Hardware –UCP 
 
Barramentos 
 
 
 
 
Hardware –UCP 
Barramentos -Protocolos –Padronização 
 
USB(Universal Serial Bus) -permite a conexão de 
muitos periféricos simultaneamente ao barramento e 
este, por uma única tomada, se conecta a placa mãe. 
Pretende ser norma os dispositivos que necessitem de 
baixo desempenho (Ex.: teclado, mouse, modem, 
scanner, impressoras, etc). 
 
 
 
 
 
Hardware –UCP 
Barramentos -Protocolos –Padronização 
 
PCI Express (sucessor do AGP e do PCI) -conta com 
um recurso que permite o uso de uma ou mais 
conexões seriais, isto é, "caminhos" (também 
chamados de lanes) para transferência de dados. 
 –Se um determinado dispositivo usa um caminho, então 
diz-se que este utiliza o barramento PCI Express1X, se utiliza 4 
conexões, sua denominação é PCI Express4X e assim por diante. 
Cada lanepode ser bidirecional, ou seja, recebe e envia dados. 
 –Tecnologia PCI Express se mostra muito promissora 
(tende a ser um padrão). 
 
 
 
 
 
Hardware –UCP 
Barramentos -Protocolos –Padronização 
 
 
 
 
 
 
Hardware –UCP 
Demais componentes –UCP 
 
Relógio (clock) 
 –dispositivo gerador de pulsos cuja duração é 
chamada de ciclo. 
 –Freqüência -número de ciclos por segundo 
(Hz), usada também para definir a velocidade do 
processador. 
 
O relógio nada mais é do que um oscilador externo ao 
microprocessador, que gera pulsos a intervalos 
regulares de tempo. A cada pulso, uma ou mais 
microoperações são realizadas. 
 
 
 
 
 
 
Hardware –UCP 
Demais componentes –UCP 
 
Relógio (clock) 
 
 
–Exemplos: 
 
 
 
 
 
Hardware –UCP 
Número de bits –UCP 
 
Relacionado com a capacidade de manipulação do 
processador: 
• Capacidade interna -computador diz-se de n 
bits em função da capacidade dos seus 
registradores. Ex.: família Intel x86, varia entre 8 
e 32 bits. 
• Capacidade externa -quantidade de informação 
recebida pela UCP do exterior. 
 
 
 
 
 
Hardware –UCP 
Estratégias de implementação –UCP 
 
CISC-Complex Instruction Set Computer 
 
• um conjunto de instruções maior e mais complexo, implicando num 
processador mais complexo, com ciclo de processamento mais lento; 
 –Exemplo: PC, Macintosh. 
RISC -Reduced Instruction Set Computer 
 
• um conjunto de instruções menor e mais simples, implicando num 
processador mais simples, com ciclo de processamento rápido. 
 –Exemplo: Power PC, Alpha, Sparc. 
 
ATUALMENTE: Processadores híbridos, que são essencialmente CISC 
e possuem internamente núcleos RISC. 
 
 
 
 
 
Hardware –UCP 
 
O projeto de um processador poderia ser resumido 
em: 
 
Definir o conjunto de instruções (todas as possíveis 
instruções que o processador poderá executar) 
–definir formato e tamanho das instruções 
–definir as operações elementares 
 
Projetar os componentes do processador (UAL, UC, 
registradores, barramentos, ...) 
 
 
 
 
 
Hardware –UCP 
 
 
• A cada dia é lançado um microprocessador mais 
veloz e com maior capacidade de processamento, 
cabendo a nós fazermos uma análise detalhada na 
hora da compra. 
 
• A escolha de um microprocessador deve ser 
baseada na relação custo benefício, ou seja, qual 
o microprocessador que vai atender as minhas 
necessidades com o menor custo. 
 
 
 
 
 
 
Hardware –UCP 
• Durante a década de 70, Gordon Moore, na época o 
presidente da Intel lançou uma profecia, que dizia 
que a partir dali o poder de processamento dos 
processadores dobraria a cada 18 meses. 
 
• Esta "profecia" tornou-se tão verdadeira que acabou 
virando a famosa lei de Moore. 
 
Você já parou para pensar até onde os processadores 
podem evoluir? Até onde a lei de Moore pode continuar 
sendo válida? 
 
 
 
 
 
Hardware –UCP 
Evolução dos Processadores 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Fonte: http://www.hardware.com.br/dicas/processadores-iniciantes.html 
 
 
 
 
Hardware –UCP 
Hardware – Memória 
 Componente de um sistema de computação cuja função é 
armazenar informações que são (ou serão) manipuladas por 
esse sistema, para que elas (as informações) possam ser 
prontamente recuperadas, (quando necessário). 
 
 Conceitualmente : a memória é um “depósito” onde são 
guardados elementos (informações) para serem usadas 
quando desejado (recuperação). 
 
 Operações em um depósito (memória): 
 – guardar um elemento (ou um grupo) 
 – recuperação de um elemento 
Hardware – Memória 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 A memória de um computador quando energizada, conterá 
sinais elétricos, mesmo que não seja uma informação útil. 
Hardware – Memória 
 Elemento a ser manipulado: bit 
 - Armazena a informação na forma de bits 
 Unidade de informação a ser armazenada, recuperada ou 
transferida (célula) 
 - Grupo de n bits (n = 8) ⇒ 1 Byte 
 
 ENDEREÇO: é o código de identificação da localização das 
células (informações). 
 
 Operações: 
 ESCRITA : transferência de informações de outro componente 
do sistema de computação para a memória (CPU ® memória) 
 LEITURA : transferência de bits da memória para a CPU, disco. 
Hardware – Memória 
 Em um sistema de computação não é possível 
construir e utilizar apenas um tipo de memória. 
 
 Para certas atividades, por exemplo, é 
fundamental que a transferência de informações 
seja a mais rápida possível. 
 
 Memória de um computador⇒ subsistema - 
construídade vários componentes (vários tipos 
diferentes de memória) interligados e integrados, 
com o objetivo de armazenar e recuperar 
informações. 
Hardware – Memória 
 Necessidade de construção de vários tipos de 
memória: 
 – Velocidade das UCP ( > tempo de acesso da memória) 
 – Capacidade de armazenamento. 
Hardware – Memória 
Hardware – Memória 
Hardware – Memória 
 Registradores 
 
 Elementos superiores da pirâmide de memória, 
por possuírem a maior velocidade de 
transferência dentro do sistema (menor tempo de 
acesso), menor capacidade de armazenamento e 
maior custo. 
 
 Memórias rápidas usadas em execução de 
instruções dentro do processador (objetivo: 
minimizar os acessos às memórias externas ao 
processador). 
Hardware – Memória 
 Registradores 
 
 Parâmetros: Menor tempo de acesso, baixa 
capacidade (Ex.: 32 bits, 64 bits), dispositivos 
voláteis, memória de semicondutores, 
armazenamento temporário e apresenta o 
custo mais elevado. 
Hardware – Memória 
Registradores - Parâmetros 
 
 Tempo de acesso/ciclo de memória - 1 a 5 ns 
 (hipotético). 
 Capacidade - baixa - 8 a 64 bits 
 Volatilidade - dispositivos voláteis. 
 Tecnologia - memória de semicondutores 
 Temporariedade - armazenamento temporário. 
 Custo - mais elevado. 
 
Hardware – Memória 
 Memória Cache 
 
 Problema de Sistemas de Computação – gargalo de 
congestionamento na comunicação CPU/MP. 
 
 Solução: desenvolvimento de uma técnica que consiste na inclusão 
de um dispositivo de memória entre CPU e MP - memória CACHE. 
 
 Memória Cache - função - acelerar a velocidade de transferência 
das informações entre CPU e MP, aumentando o desempenho dos 
sistemas. 
 
 Usada para armazenamento de instruções e dados mais 
frequentemente acessados do programa em execução. 
Hardware – Memória 
 Memória Cache 
 
 Fabricada com tecnologia semelhante à da CPU 
(possui tempos de acesso compatíveis, resultando 
numa considerável redução da espera da CPU para 
receber dados e instruções da cache, ao contrário do 
que acontece em sistemas sem cache). 
 
 Atualmente há diversos tipos de memória cache, 
utilizados em sistemas de computação modernos: 
Cache para a Memória Principal (RAM cache), 
Cache para Disco. 
Hardware – Memória 
 Memória Cache 
 
 Podem ser inseridas em dois (ou três) níveis: Cache L1 (Level 1) - 
nível 1), Cache L2 e Cache L3. 
 
 Cache L1(primária) - interna ao processador. 
 
 Cache L2 (externa ou secundária) - instalada, em geral, na placa-
mãe do computador. Atualmente: localizada no interior da pastilha 
do processador, separada deste (cache backside). Quanto mais 
próxima do processador, melhor será o desempenho do mesmo. 
 
 Cache L3 - existente em poucos processadores, localizada 
externamente ao processador. 
Hardware – Memória 
 Memória Cache - Parâmetros 
 
 Tempo de acesso/ciclo de memória - 5 a 7 ns (hipotético). 
 Capacidade - deve-se conciliar o compromisso de uma capacidade 
apreciável com a não-elevação demasiada do preço. Valores: 16 
KB e 512 KB (cache L1) e 2 MB (cache L2) . 
 Volatilidade - dispositivos voláteis. 
 Tecnologia - circuitos eletrônicos de alta velocidade. Em geral, 
são memórias RAM estáticas (SRAM). 
 Temporariedade - armazenamento temporário. 
 Custo - o custo de fabricação das memórias cache é alto. 
Memórias cache internas à CPU ainda são mais caras do que as 
externas. 
Hardware – Memória 
 Memória Principal 
 
 A memória básica de um sistema de computação desde 
seus primórdios. 
 É o dispositivo no qual o programa (e seus dados) que 
vai ser executado é armazenado para que a CPU vá 
"buscando" instrução por instrução. 
Hardware – Memória 
 Memória Principal - Parâmetros 
 
 Tempo de acesso/ciclo de memória - 7 a l5 ns 
(hipotético). 
 Capacidade – usualmente, na ordem de até 2 GB. 
 Volatilidade - volátil. Há normalmente uma pequena 
quantidade de memória não volátil fazendo parte da 
memória principal (BIOS). 
 Tecnologia - em sistemas atuais esta tecnologia produz 
memória com elementos dinâmicos (DRAM). 
Hardware – Memória 
 Memória Principal 
 
 
 
 
 
 
 
 
Configuração da memória principal (MP) de um 
microcomputador do tipo PC 
Hardware – Memória 
 Memória Principal - Parâmetros 
 
 Temporariedade - variável, depende de várias 
circunstâncias (p. ex.: tamanho do programa e sua duração, 
a quantidade de programas que estão sendo processados 
juntos, etc.). A transitoriedade com que as informações 
permanecem armazenadas na MP é, em geral, mais 
duradoura que na memória cache ou nos registradores. 
 
 Custo - DRAM têm um custo mais baixo que o das 
memórias cache - são vendidos computadores com 
quantidade apreciável de MP (1 GB, 2 GB, 4 GB) sem que o 
preço seja inaceitável. 
Hardware – Memória 
 Memória Principal 
 
 Quanto maior a capacidade de armazenamento (em 
Bytes), maior a capacidade de processamento. 
 
 Uso de memória virtual Uso do HD como extensão da 
Memória Principal 
Hardware – Memória 
 Memória Principal – Endereços de Memória 
 
 Memória – formada por um conjunto de células (posições), cada 
uma guarda uma informação. 
 
 Célula – menor unidade endereçável (tamanho padrão usual – 8 
bits – 1 byte). 
 
 Bytes são agrupados em palavras (palavra de 32 bits tem 4 
bytes/palavra). 
 
 A maioria das instruções de uma máquina opera sobre palavras. 
Uma máquina de 32 bits deverá ter registradores e instruções para 
tratar palavras de 32 bits. 
Hardware – Memória 
 Memória Secundária 
 
 Denominada memória secundária, memória auxiliar ou 
memória de massa. 
 
 Objetivo: garantir um armazenamento mais permanente à 
toda a estrutura de dados e programas do usuário - deve 
possuir maior capacidade que a memória principal. 
 
 Pode ser constituída por diferentes tipos de dispositivos, 
alguns diretamente ligados ao sistema para acesso imediato 
(Ex.: discos rígidos), e outros que podem ser conectados 
quando desejado (Ex.: disquetes, fitas, CD-ROM etc.). 
Hardware – Memória 
 Memória Secundária - Parâmetros 
 
 Tempo de acesso/ciclo de memória - são, em geral, dispositivos 
eletromecânicos e não circuitos puramente eletrônicos - possuem 
tempo de acesso maiores. Tempos de acesso típicos: ordem de 8 a 
15 ms (hipotético). Discos do tipo CD-ROM: 120 a 300 ms, fitas 
magnéticas - ordem de segundos. 
 
 Capacidade - varia bastante dependendo do tipo de dispositivo 
utilizado. Discos rígidos – ordem de 500 GB, CD-ROM - ordem de 
700 MB, fitas magnéticas (a capacidade depende do comprimento 
da fita e da densidade de gravação). 
Hardware – Memória 
 Memória Secundária - Parâmetros 
 
 Volatilidade - não voláteis. 
 Tecnologia - este parâmetro possui uma variedade 
imensa de tipos, visto que, para cada dispositivo 
entre os já mencionados (discos, disquetes, fitas, 
discos ópticos, CD-ROM), há diferentes tecnologias 
de fabricação. 
 Temporariedade - armazenamento com caráter 
permanente ou, pelo menos, de longo período de 
armazenamento. 
 Custo - bastante variado. 
Hardware – Memória 
 Tipos de Memória em uso nos computadores 
Hardware – Memória 
 Hierarquia de Memória - Conceitos 
Importantes 
 
 Tempo de acesso 
 Capacidade 
 Volatilidade 
 Tecnologia de fabricação 
 Temporariedade 
 Custo 
Hardware – Memória 
 Tempo de acesso 
 
 Indica quanto tempo a memória gasta para 
colocar uma informação no barramento de 
dados após uma determinada posição tersido 
endereçada. 
 É um dos parâmetros que pode medir o 
desempenho da memória. 
 Denominação: tempo de acesso para leitura 
(ou tempo de leitura). 
Hardware – Memória 
 Tempo de acesso 
 
 Dependente do modo como o sistema de memória é 
construído e da velocidade dos seus circuitos. 
 
 Memórias eletrônicas - igual, independentemente 
da distância física entre o local de um acesso e o 
local do próximo acesso - acesso aleatório (direto). 
 
 Dispositivos eletromecânicos (discos, fitas, ..) - 
tempo de acesso varia conforme a distância física 
entre dois acessos consecutivos - acesso 
seqüencial. 
Hardware – Memória 
 Capacidade 
 
 
 Quantidade de informação que pode ser armazenada 
em uma memória; 
 Unidade de medida mais comum - byte, podem ser 
usadas outras unidades como células (no caso de 
memória principal ou cache), setores (no caso de 
discos) e bits (no caso de registradores). 
 Dependendo do tamanho da memória, isto é, de sua 
capacidade, indica-se o valor numérico total de 
elementos de forma simplificada, através da inclusão 
de K (kilo), M (mega), G (giga) ou T (tera). 
Hardware – Memória 
 Volatilidade 
 
 Memórias podem ser do tipo volátil ou não 
volátil. 
 Memória não volátil - retém a informação 
armazenada quando a energia elétrica é 
desligada. Ex.: Discos, Fitas. 
 Memória volátil - perde a informação 
armazenada na ausência de energia elétrica. 
Ex.: Registradores, Memória Principal. 
 É possível manter a energia em uma memória 
originalmente não volátil - uso de baterias. 
Hardware – Memória 
 Tecnologias de fabricação 
 
 Memórias de semicondutores 
 
 Memórias de meio magnético 
 
 Memórias de meio óptico 
Hardware – Memória 
 Memórias de semicondutores 
 
Dispositivos fabricados com circuitos eletrônicos e 
baseados em semicondutores. 
Rápidas e relativamente caras, se comparadas com 
outros tipos. 
Há várias tecnologias específicas, cada uma com 
suas vantagens, desvantagens, velocidade, custo, 
etc.. 
Exemplos: Registradores, Memória Principal e 
Memória Cache. 
Hardware – Memória 
 Classificação de Memórias Semicondutoras 
 
Hardware – Memória 
 Memória R/W - Read and Write 
 
 Memória de leitura e escrita, de acesso aleatório e 
volátil. 
 Pode ser estática (SRAM) ou dinâmica (DRAM). 
 SRAM - uso de circuitos transistorizados (mantém a 
informação enquanto estiver energizada). 
 DRAM - uso de capacitores, necessita de refresh. 
Evolução: FPM DRAM, EDO DRAM, BEDO DRAM, 
SDRAM, RDRAM 
Hardware – Memória 
ROM - Read Only Memory 
 
 Memória apenas de leitura. Uma vez gravada não pode 
mais ser alterada. De acesso aleatório, não é volátil. 
 Mais lenta que a R/W e mais barata. 
 Pode ser programada por máscara ("mask 
programmed“- MROM) em fábrica. Devido ao alto custo 
da máscara somente se torna econômica em grandes 
quantidades. 
MROM- O firmware era gravado durante a fabricação do circuito, com 
o auxílio de um filme fotográfico - máscara. As máscaras apresentam o 
inconveniente de serem caras e não permitem regravação. 
Hardware – Memória 
ROM - Read Only Memory 
 
 Utilizada geralmente para gravar programas que não se 
deseja permitir que o usuário possa alterar ou apagar 
(Ex..a BIOS - Basic Input Output System e 
Microprogramas de Memórias de Controle). 
 
 Outros tipos: PROM, EPROM, EEPROM e Flash. 
Boot (ou bootstrap loader) - Este termo vem de uma analogia com um 
processo (impossível) que seria uma pessoa se levantar puxando-se pelos 
cordões de suas próprias botas. 
Hardware – Memória 
PROM - Programmable Read Only Memory 
 
 Memória apenas de leitura, programável. 
 ROM programável com máquinas adequadas 
(chamadas queimadores de PROM). 
 Geralmente é comprada "virgem" (sem nada 
gravado), sendo muito utilizada no processo de 
testar programas no lugar da ROM, ou sempre que 
se queira produzir ROM em quantidades pequenas. 
 Uma vez programada (em fábrica ou não), não 
pode mais ser alterada. 
Hardware – Memória 
EPROM - Erasable Programmable 
 Read Only Memory 
 
 
 Memória apenas de leitura, programável (com 
queimadores de PROM) e apagável (com máquinas 
adequadas, à base de raios ultra-violeta). 
 Tem utilização semelhante à da PROM, para testar 
programas no lugar da ROM, ou sempre que se 
queira produzir ROM em quantidades pequenas, 
com a vantagem de poder ser apagada e 
reutilizada. 
Hardware – Memória 
EEPROM (ou E2PROM) - Electrically Erasable 
Programmable Read Only Memory 
 
 Memória apenas de leitura, programável e 
eletronicamente alterável. Também chamada EAROM 
(Electrically Alterable ROM). 
 EPROM apagável - processo eletrônico, sob controle da 
UCP (equipamento e programas adequados). 
 Mais cara, geralmente utilizada em dispositivos aos 
quais se deseja permitir a alteração, via modem (carga 
de novas versões de programas à distância ou 
possibilitar a reprogramação dinâmica de funções 
específicas de um programa, geralmente relativas ao 
hardware, p.ex., reconfiguração de teclado, 
programação de terminal, etc). 
Hardware – Memória 
ROM Flash 
 
 Funcionamento similar ao da EEPROM – conteúdo total 
ou parcial da memória pode ser apagado normalmente 
por um processo de escrita. 
 O apagamento não pode ser efetuado ao nível de byte 
como na EEPROM. 
 O termo flash foi imaginado devido à elevada 
velocidade de apagamento dessas memórias em 
comparação com as antigas EPROM e EEPROM. 
 Aplicações: ideal para várias aplicações portáteis 
(Câmeras digitais, palmtop, assistentes digitais 
portáteis, aparelhos de música digital ou telefones 
celulares). 
Hardware – Memória 
Memória CMOS - (Complementary Metal Oxide 
Semiconductor) 
 
 
 Tipo especial de memória para armazenamento 
das opções essenciais de configuração de 
inicialização  quantidade de memória 
instalada, data, hora. 
 Alimentação via bateria. 
 Máquinas Macintosh  RAM de parâmetros. 
Hardware – Memória 
Memórias de meio magnético 
 
 Fabricados de modo a armazenar informações sob a 
forma de campos magnéticos. 
Devido à natureza eletromecânica de seus 
componentes e à tecnologia de construção em 
comparação com memórias de semicondutores, esse 
tipo é mais barato, permitindo armazenamento de 
grande quantidade de informação. 
Método de acesso às informações - seqüencial. 
 Exemplos: disquetes, discos rígidos e fitas magnéticas 
(de carretel ou de cartucho). 
Hardware – Memória 
Memórias de meio óptico 
 
Dispositivos que utilizam um feixe de luz para 
“marcar” o valor (0 ou 1) de cada dado em sua 
superfície. 
Exemplos: 
 CD-ROM (leitura) 
 CD-RW (leitura e escrita) 
Hardware – Memória 
Temporariedade 
 
 Indica o conceito de tempo de permanência da 
informação em um dado tipo de memória. 
Classificação: 
 Armazenamento “permanente”. Ex.: Discos, 
disquetes. 
 Armazenamento transitório (temporário). Ex.: 
registradores, memória cache, memória principal. 
Hardware – Memória 
Custo 
 
Bastante variado em função de diversos fatores: 
 tecnologia de fabricação 
 ciclo de memória 
 quantidade de bits em um certo espaço físico, etc. 
 
Uma boa unidade de medida de custo é o preço 
por byte armazenado, em vez do custo total da 
memória em si.