Hardware (Parte I)

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Profa. Amanda Drielly Pires Venceslau
amanda.pires@ufc.br
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 -
construída de 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 apresentao 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 ter sido
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 ausênciade 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.