Introdução aos Computadores

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Organização de Computadores
Aula 1:Introdução aos Computadores
Professora: Emanoela Lopes
 Introdução
 Conceitos de processamento de dados;  
 Evolução histórica dos computadores;
 Estrutura básica de um computador;
Linguagem de programação;
Unidades de informação (bit, byte).         
Agenda
A disciplina de Organização de Computadores apresenta a estrutura funcional do hardware e os componentes que o integram. 
Desempenha um papel importante no ciclo de formação geral dos alunos de TI, pois apresenta, em detalhes, a máquina que será objeto foco tanto na aprendizagem quanto na atuação profissional do aluno. 
Introdução
Porque estudar organização de computadores?
Entender o funcionamento do hardware de um sistema computacional. 
Entender o funcionamento dos vários módulos que compõem um sistema computacional. 
Desenvolver uma visão crítica sobre os requisitos de desempenho associados a um sistema computacional. 
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Introdução
Arquitetura
Atributos de um sistema visíveis ao programador.
Atributos que têm impacto direto sobre a execução lógica de um programa.
Organização de um 
computador
Unidades operacionais e suas interconexões.
Implementam as especificações da sua arquitetura.
Organização: estuda os aspectos que não interessam ao programador comum, ou seja, os aspectos técnicos da construção dos computadores: unidades funcionais, interconexão entre as partes, barramentos, que material é utilizado na construção da CPU, etc. 
 
Arquitetura: estuda os aspectos de interesse direto do programador: quantidade de memória disponível, tamanho do HD, conjunto de instruções, etc.
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Processamento de dados: É a transformação de informações, podemos dizer que é o tratamento sistemático de dados, através de computadores ou de outros dispositivos eletrônicos, com o objetivo de obtenção de um determinado resultado.
A essência do processamento está descrita abaixo:
Conceitos de processamento de dados
Essência do processamento de dados
Quando se emprega um computador, o homem toma as decisões e a máquina as executa. O computador é um instrumento cuja capacidade vai além de
resolver simples problemas, uma vez que é largamente utilizado na execução de uma série de tarefas complexas, proporcionando economia de tempo e aumentando a gama de atividades que podem ser desenvolvidas pelo homem.
Entrada : ler ou receber os dados;
Processamento:operações que transformam os dados iniciais em resultados específicos.
Saída:liberação dos dados processados.
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Conceitos Básicos:
-Dados: referem-se a tudo aquilo que é fornecido ao computador de forma “bruta”. Exemplo: Uma letra, um valor numérico. Ex:5.
-Informação: conjunto estruturado de dados. Os dados foram organizados e interpretados. Ex: 5+4=9
-Conhecimento: vai além de informações, pois ele além de ter um significado tem uma aplicação.Ex: Média aritmética das notas dos alunos dessa sala.
 
Conceitos de processamento de dados
Mais exemplos de dados e informações
Data nascimento:16/05/2000 Idade:14 anos
Métrica de temperatura = 40oC Quente
Métrica da Distância: 200.000m Longe
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Antigamente, alguns povos utilizavam pedras, conchas e ábacos para a realização de cálculos. Para facilitar os cálculos, diversos dispositivos foram inventados.
1603: Máquina de calcular muito primitiva, elaborada por Wilhelm Schickard.
1642: Pascal construiu a Pascaline, primeira máquina mecânica de calcular. Com a rotação de engrenagens ela permitia a realização de somas e subtrações.
1801: O tecelão francês, Joseph-Marie, construiu uma máquina de tear comandada por cartões (ou placas) perfurados e enfileirados.
Evolução histórica dos computadores
Pascal é uma linguagem de programação, que recebeu este nome em homenagem ao matemático Blaise Pascal. Foi criada em 1970 pelo suíço Niklau Wirth tendo em mente encorajar o uso de código estruturado.
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1822:O matemático Babbage construiu a máquina diferencial, para calcular tabelas de funções logaritmos e funções trigonométricas.
1834: Charles Babbage inventava a Máquina Analítica. Ada Lovelace desenvolveu os algoritmos que permitiriam à máquina computar os valores de funções matemáticas. 
1937: Howard Aiken desenvolveu o primeiro computador eletromecânico, com à utilização de relês chamado Mark 1.
1946: Nos EUA surgia o ENIAC,18.000 válvulas, 170m2 .
1951: UNIVAC surgia como o primeiro computador comercial.
1954: John Von Newmann, nos EUA, criava o conceito de programa de computador armazenado na memória.
Evolução histórica dos computadores
Máquina Analítica
ENIAC
Máquina de Babbage 1834: Essa máquina possuía dispositivos de entrada para ler cartões perfurados com instruções a serem executadas. 
Relés: Eletroimã cuja a função é abrir ou fechar contatos elétricos com o intuito de interromper ou estabelecer circuito.
ENIAC:(Eletronic Numeric Integrator Analyser and Computer).
Válvula - dispositivo que produz corrente elétrica num só sentido (possui três componentes básicos: catodo, anodo).
UNIVAC:(Universal Automated Computer) 
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1975: surgia o primeiro microcomputador (Altair 8800). 
1976: Steve Wozniak e Steve Jobs lançavam o Apple.
1981: a IBM lançava o PC (Personal Computer).
1984: foi lançado o Macintosh.
1985: Microsoft lança o Windows 1.0 em 1985. Windows 2.0 em 1987, 3.0 em 1990 e até hoje avança estando na versão 8.0.
Evolução histórica dos computadores
 Primeiro PC
Macintosh
Primeira Geração (1951/1959 )
Tecnologia: Circuitos eletrônicos e válvulas
Uso restrito ;
Precisava ser reprogramado a cada tarefa;
Grande consumo de energia;
Problemas devido à muito aquecimento;
As válvulas foram utilizadas em computadores eletrônicos, como por exemplo no ENIAC. 
Normalmente quebrava após algumas horas de uso e tinha o processamento bastante lento. 
Nesta geração os computadores calculavam com uma velocidade de milésimos de segundo e eram programados em linguagem de máquina.
Evolução histórica dos computadores
Segunda Geração (1959/1965)
Tecnologia: Uso de transistores em substituição às válvulas;
Início do uso comercial
Tamanho gigantesco;
Capacidade de processamento muito pequena;
A válvula foi substituída pelo transistor. Seu tamanho era 100 vezes menor que o da válvula, não precisava de tempo para aquecimento, consumia menos energia, era mais rápido e confiável. 
Os computadores desta geração já calculavam em microssegundos (milionésimos) e eram programados em linguagem montadora.
Evolução histórica dos computadores
Terceira Geração (1965/1975)
Tecnologia: Os transistores foram substituídos pela tecnologia de circuitos integrados (associação de transistores em pequena placa de silício). 
Diminuição do tamanho;
Maior capacidade de processamento;
Início da utilização dos computadores pessoais;
Os computadores com o CI são muito mais confiáveis, bem menores, tornando os equipamentos mais compactos e rápidos além de possuírem baixíssimo consumo de energia. 
Nesta geração surge a linguagem de alto nível, orientada para os procedimentos.
Evolução histórica dos computadores
Quarta Geração ( 1975/19??)
Tecnologia: softwares integrados
Surgem os Processadores de Texto
Planilhas Eletrônicas
Gerenciadores de Banco de Dados
Gráficos
Em 1975/77, surgem os microprocessadores, os microcomputadores e os supercomputadores. 
O processo de miniaturização continuou e foram denominados por escalas de integração dos circuitos integrados: LSI (Large Scale of Integration), VLSI e ULSI , utilizado a partir de 1980. 
Nesta geração começa a utilização das linguagens de altíssimo nível, orientadas para um problema.
Evolução histórica dos computadores
Quinta Geração (19??) /19??)
Supercomputadores
Automação de escritórios
Automação comercial e industrial
Robótica
Imagem virtual
Multimídia
Era on-line
(comunicação através da Internet)
O primeiro supercomputador, de fato, surgiu no final de 1975. As aplicações para eles são muito especiais e incluem laboratórios e centro de pesquisa aeroespacial como a NASA, empresas de altíssima tecnologia, produção de efeitos e imagens computadorizadas de alta qualidade, entre outros. 
Eles são os mais poderosos, mais rápidos e de maior custo. 
Evolução histórica dos computadores
Memória: Dispositivo que armazena dados e instruções;
Processador: Dispositivo que processa as informações, reproduz vídeos, mostra gráficos, faz cálculos, faz a máquina funcionar;
Periféricos: equipamentos que servem tanto para entrada como para saída de informações. Ex: mouse, teclado, impressora etc.
Barramento: Um caminho de comunicação conectando 2 ou mais dispositivos.
Estrutura básica de um computador
Estrutura básica de um computador
Memória
-Memória principal: O processador busca as instruções necessárias para executar e armazena os dados do processamento.
-Memória secundária: Permite que os dados sejam armazenados de forma permanente onde foram colocados até que sejam retirados, ex: os disquetes, CDROM, DVD, Pendrive, etc.
-Memória cache: É uma pequena quantidade de memória com curto tempo de resposta integrada aos processadores.
Estrutura básica de um computador
RAM
ROM
A memória principal é chama de memória interna e se divide em duas:
RAM : Memória de acesso randômico:um tipo de memória que pode ser regravada e perdida toda a vez que o computador é desligado. É nessa memória que tudo é processado e trabalhado, e só é colocado nos discos depois de pronto.
ROM : Memória somente para leitura, um tipo de memória que está dentro do computador e tem apenas algumas instruções para ele fazer o que chamamos de autoteste e possui rotinas para que o computador chame o sistema operacional.
A memória secundária é chamada de memória externa.
Memória Cache é uma memória de acesso rápido. Ela é uma memória intermediária entre a memória RAM e o processador. Com essa memória, o processador não precisa ficar acessando muito a memória RAM - o que pode ser lento - e os dados são armazenados nessa pequena memória. 
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A memória principal é chamada de memória interna e se divide em duas:
RAM: Memória de acesso randômico: um tipo de memória que pode ser regravada e perdida toda a vez que o computador é desligado. 
ROM: Memória somente para leitura, um tipo de memória que está dentro do computador e tem apenas algumas instruções para ele fazer o que chamamos de autoteste e possui rotinas para que o computador chame o sistema operacional.
A memória secundária é chamada de memória externa.
Memória Cache é uma memória de acesso rápido. Ela é uma memória intermediária entre a memória RAM e o processador. Com essa memória, o processador não precisa ficar acessando muito a memória RAM - o que pode ser lento - e os dados são armazenados nessa pequena memória. 
Estrutura básica de um computador
Processador: 
- É um circuito integrado considerado o “cérebro” do computador porque controla todas as suas operações.
A unidade central de processamento (CPU) tem como função:
-Interpretar e executar instruções fornecidas pelos programas.
-Processamento de todos os dados.
-Controle e gerenciamento do Hardware.
Estrutura básica de um computador
Processador
Componentes da CPU:
-ULA: Unidade lógica e aritmética;
-UC: Unidade de controle;
-Registradores;
ULA: Executa as operações aritméticas (soma, subtração etc e lógicas (ou, e,negação etc).
UC: Realiza o gerenciamento do "tráfego" de dados e das atividades realizadas pelo computador, dirigindo, assim, o funcionamento de todo o sistema. 
Registrador: É uma pequena porção de memória localizada no processador central, permite acessos rápidos a dados e aumenta a velocidade de execução de programas.
Estrutura básica de um computador
Na UC: O controle é feito através da emissão de sinais de controle no barramento de controle que acionam os dispositivos para realizar tarefas necessárias à efetivação da operação indicada na instrução em execução no momento pela UCP. Esses sinais de controle são emitidos em instantes de tempo programados e, de modo geral, todos possuem uma duração fixa e igual, controlada pelo relógio (também chamado de clock) da UCP. Logo, percebe-se outra importante função da UC, a de sincronizar as operações de todos os componentes dentro do computador.
A CPU contém internamente uma memória de alta velocidade que permite o armazenamento de valores intermediários ou informação de comando. Esta memória é composta por registradores (ou registros) na qual cada registro possui uma função própria. Uma registro memoriza um número limitado de bits, geralmente uma palavra de memória. Os registros mais importantes:
contador de programa (PC) que aponta para a próxima instrução a executar;
registro de instrução (IR) que armazena a instrução em execução;
outros registros que permitem o armazenamento de resultados intermediários.
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A UC gerencia 4 operações:
-Busca(fetch): Traz a instrução da memória para uma área de armazenamento dentro da CPU;
-Decodificação: Após ser trazida, a instrução precisa ser decodificada, os circuitos da CPU “descobrem” o que a instrução deve fazer;
-Execução: Uma vez decodificada, a instrução será executada;
-Gravação: Escreve os resultados para um registro interno (um local temporário de armazenamento) ou para memória.
Existem 2 ciclos:
1)Instrução: busca e decodificação;
2)Execução:execução e armazenamento.
Estrutura básica de um computador
É a unidade de controle que gerencia todos os eventos associados à operação do computador, particularmente as chamadas interrupções, tão utilizadas nos sistemas há muito tempo.
Busca
-traz a instrução da memória na posição apontada pelo registrador PC (Program Counter) para uma área de armazenamento dentro da CPU, chamada registrador de instrução (IR).
- Decodificação
Após ser trazida, a instrução precisa ser decodificada. Toda instrução tem uma área chama código de operação (opcode) que determina qual operação aquela instrução realiza; assim, quando os circuitos eletrônicos da CPU “descobrem” o que a instrução deve fazer, isto é chamado de decodificação.
- Execução
Uma vez decodificada, a instrução será executada. Execução pode ser entendida como a aplicação da operação nos operandos. Após a instrução ser executada, o apontador de instruções (PC) é atualizado para o endereço de memória que contém a próxima instrução.
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Visão simplificada da arquitetura de um computador.
Estrutura básica de um computador
Uso de um programa que faz cálculos matemáticos:
Usuário digita: 10+15*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 40 para a UC
UC armazena na memória
UC mostra o resultado no dispositivo de saída
Exemplo de funcionamento do computador
O relógio do sistema (Clock) é um circuito oscilador a cristal que tem a função de sincronizar e ditar a medida de tempo de transferência de dados no computador. Esta frequência é medida em ciclos por segundo, ou Hertz. 
Clock
Clock de um processador 
As atividades do computador precisam ser sincronizadas e por isso precisamos do clock do processador. O clock é gerado por um cristal, geralmente de quartzo, vibrando milhões de vezes por segundo. O funcionamento de todos os periféricos são coordenados por ele, que os faz trabalharem sem erros e simultaneamente. Para entender melhor, em cada vibração do clock os dispositivos executam suas tarefas, param e esperam o próximo ciclo. Essa vibração, conhecida como pulso, é representada como uma variação do 0 para o 1 e do 1 para o 0, ou seja, os valores possíveis em sistemas digitais, como pode ser observado na acima.
Outros periféricos tem velocidade absurdamente inferior ao do processador e, na comunicação com estes, o computador perde eficiência. Para exemplificar, em um computador
popular, memória atuais chegam a clock de 1.3 Ghz enquanto os processadores possuem diversos núcleos que chegam 3 Ghz e isso deixa claro que a memória não vai atender a demanda do processador e este vai ter que reduzir sua velocidade de comunicação de forma drástica. 
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Transmissão Paralela x Transmissão Serial
 Barramento ou bus é um caminho comum pelo qual os dados trafegam dentro do computador.
O tamanho de um barramento determina quantos dados podem ser transmitidos em uma única vez.
Por exemplo, um barramento de 8 bits pode transmitir 8 bits de dados, e um barramento de 16 bits pode transmitir 16 bits de dados a cada vez.
Todo barramento tem uma velocidade medida em MHz. 
Barramentos
Barramentos Internos: Ligam o processador aos equipamentos que ficam dentro do gabinete. 
Existem diversos tipos de barramentos específicos para equipamentos diferentes dentre eles:
IDE
ISA
PCI
AGP
SCSI
Barramentos
Barramento IDE (Integrated Drive Electronics) 
A conexão dos equipamentos se dá através de cabos Flat.
Usado para ligar a placa mãe a unidades de armazenamento internas, como HDs, Drives de CDs e DVDs, entre outras.
Barramentos
IDE: Direção integrada eletrônica.
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Barramento ISA( Industry Standard Architecture)
Barramento de expansão para encaixar placas de expansão como modems, placas de som, placas de vídeo.
São barramentos lentos necessário tempo de espera entre uma transferência e outra.
Barramentos
ISA: Arquitetura industrial padrão. 
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Barramento PCI (Peripheral Component Interface).
Substituto do barramento ISA (nas novas placas-mãe, é mais comum encontrar vários slots PCI e apenas alguns poucos ISA).
Barramentos
PCI: Interface de componente periférica.
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Barramento PCI Express
Com a insuficiência do PCI em suportar periféricos cada vez mais rápidos, foi lançado o barramento PCI Express(PCIe).
Dados são transmitidos através de pares de fios denominados pistas.
O PCIe permite combinar várias pistas de forma a melhorar o desempenho.
Pode-se encontrar barramentos PCI Express com 1, 2, 4, 8,16 e 32 pistas.
Barramentos
Barramentos
Barramento AGP:(Accelerated Graphical Port).
Acelerar o desempenho de placas de vídeo em máquinas.
Barramentos
AGP: Porta gráfica acelerada.
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SCSI (Small Computer System Interface).
O SCSI é muito usado em servidores de empresas, que normalmente precisam de uma maior velocidade de conexão com os discos rígidos, CDs,periféricos etc.
Barramentos 
Conector SCSI
Barramentos Externos: Interliga os diversos componentes de um sistema operacional como, memória, dispositivos de entrada e saída etc.
PS/2
Serial
Paralela
USB
Firewire (IEEE 1394)
Barramentos
Porta PS/2
É o barramento utilizado para conectar mouse e teclado. 
Há duas portas na parte traseira do gabinete, uma para o mouse e a outra para o teclado.
Barramentos
Porta Serial (Rs-232)
Porta de comunicação utilizada para conectar, modems, mouses, impressoras, e outros equipamentos de hardware.
Barramentos
A comunicação serial, onde os bits de cada palavra são transmitidos um a um, de forma sequencial, através de uma única via, o que explica o fato dos cabos que implementam este tipo de comunicação serem constituídos por uma pequena quantidade de fios; os exemplos mais conhecidos de dispositivos que fazem usodesta política de comunicação são o mouse e os modems.
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Porta Paralela
Uma interface de comunicação entre um computador e um periférico.
As portas paralelas são usadas para conectar impressoras, scanners, gravadores de cds etc.
Barramentos
As portas paralelas podem ser usadas para conectar uma grande quantidade de periféricos populares de computadores: impressoras, scanners, gravadores de cds etc.
A comunicação paralela, onde cada dígito (ou bit) da palavra de dados é conduzido por um fio dedicado, o que significa que os cabos utilizados para a
comunicação paralela são dotados de uma grande quantidade de fios (ou vias); Possui a característica de poder transferir vários bits simultaneamente.
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Porta USB (Universal Serial Bus)
A interface externa USB fornece uma comunicação serial.
Usada em mouses, webcams, HDs removíveis ou gravadores de DVD externos etc.
Barramentos
A USB também atende às especificações Plug and Play da Intel, inclusive de poder conectar os dispositivos com a máquina ligada e sem precisar reiniciá-las. Simplesmente se conecta o dispositivo e a USB irá detectar automaticamente e alocar os recursos necessários para o seu funcionamento.
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Firewire (IEEE 1394)
Barramento serial padrão externamente rápido que suporta taxas de transferências de dados de até 400 Mbps.
Barramentos
Embora muito rápido, o 1394 é muito caro. Tal como o USB, o 1394 suporta Plug-and-Play, e também fornece potências aos periféricos. A principal diferença entre do 1394 e USB é que o 1394 suporta taxas de transferências altas e é mais caro.
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Placa Mãe
O chipset é um grupo de circuitos integrados ou chips projetados para trabalhar em conjunto e que são comercializados como um produto único.
Se divide em: Ponte norte (northbridge) e Ponte sul (southbridge). 
Ponte norte: Controla todos os componentes rápidos do computador, como processador, placa de vídeo (AGP e PCI Express) e memória RAM.
Ponte sul: Abriga os controladores de HDs (ATA/IDE,SATA),portas USB, paralela, PS/2, serial, os barramentos PCI e ISA.
Chipset
A ponte norte fica responsável por controlar todos os componentes rápidos do computador fazendo com que eles solicitem informações do disco rígido (que está na ponte sul), as carregue na memória e divida o que será processado entre a CPU e a placa de vídeo, determinando qual será o desempenho final do computador.
O chipset é quem define, entre outras coisas, a quantidade máxima de memória RAM que uma placa-mãe pode ter, o tipo de memória que pode ser usada, a frequência máxima das memórias e do processador. 
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Chipset
 É um método padronizado para expressar instruções para um computador, é uma linguagem que permite um programador especificar precisamente sobre quais dados um computador vai atuar.
Linguagem que o computador entende é a linguagem de máquina, composta de 0 e 1.
Linguagem de programação
Programa é uma sequência pré-determinada de instruções, que seguindo uma ordem lógica, instrui o computador como realizar um determinado processamento.
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As linguagens de programação podem ser classificadas em níveis de linguagens, sendo que os níveis mais baixos são mais próximas da linguagem interpretada pelo processador e mais distante das linguagens naturais.
Baixo nível: Linguagem de máquina e de montagem. Mais compatíveis com o hardware do computador;
Alto nível: Linguagens de compilação e interpretação. Similares à nossa linguagem natural.
Linguagem de programação
Um compilador é um tipo de tradutor que lê um programa escrito numa linguagem, a linguagem fonte, e transforma-o em um outro programa equivalente escrito em outra linguagem, a linguagem objeto para que possa ser executada pela máquina.
A enorme variedade de compiladores existentes é bem vinda, visto que existem milhares de linguagens fonte, e as linguagens alvo são também muito variadas.
Linguagem de programação 
Quando se armazena algo, isto ocupa um certo espaço de armazenamento;
Os dados de um computador são medidos em bits e bytes;
Bit: É a menor unidade possível de informação que um computador é capaz de processar;
Byte: É o conjunto de 8 bits capaz de representar um caractere ou informação;
Unidades de informação (bit, byte)
Bit é a contração do termo binary digit, que significa digito binário e só pode assumir estado 0 ligado ou 1 desligado.
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Grandes Números
Unidades de informação (bit, byte)
Cálculo de Potência de 2
Unidades de informação (bit, byte)