_ORGANIZAÇÃO_COMPUTADORES

Prévia do material em texto

(
CADERNO DE ANOTAÇÕES
) (
25
)
 (
ORGANIZAÇÃO E ARQUITETURA DE COMPUTADORES
) (
CADERNO DE ANOTAÇÕES
)
SUMÁRIO
1	Histórico	3
2	Hardware, Software e Conceito	3
2.1	Hardware	3
2.2	Software	4
2.3	Algoritmo	4
2.4	Linguagem de Programação	4
2.5	Conceitos	4
2.6	Armazenamento e Transferência	5
3	Sistemas de Numeração	5
3.1	Bases numéricas	5
3.2	Conversão de Bases	5
3.3	Aritmética e Representação de Sinais	9
4	Circuitos Lógicos	13
4.1	Portas Lógicas	13
4.2	Expressões Lógicas	16
5	Modelo de Von Neumann	18
5.1	Composição do Modelo de Von Neumann	19
6	Processador e Conjunto de Instruções	21
7	Memória	21
8	dispositivos de e / s	21
Histórico
Geração Zero – Computador mecânico e eletromecânico.
Primeira Geração - Computadores com válvulas
Segunda Geração – Computadores com transistores (consomem menos energia, menor aquecimento e maior velocidade)
Terceira Geração – Circuitos integrados
Quarta Geração – (VLSI) Integração de circuitos integrados em larga escala (menor distância entre os transistores dentro do chip.
Cartão perfurado –1º dispositivo de entrada em equipamentos.
Computador – Destinado ao processamento de dados, capaz de receber instruções com o objetivo de transformar esses dados e alcançar um fim.
Para o desenvolvimento de um software, utilizamos a linguagem de programação. O programa escrito nessa linguagem é transformado em código de máquina através do processo de compilação e ligação.
Hardware, Software e Conceito
Hardware
É a parte física do computador.
· Processador (CPU)
· UC –Unidade de Controle
· ULA – Unidade Lógica e Aritmetica
· Memória Auxiliar ou Cache – Aumento de produtividade
· Memória Principal ou RAM – Momória de acesso aleatório
A CPU é responsável pelo gerenciamento de todoo fluxo de informação entre as unidades e também pela execução das instruções.
A ULA é responsável pelos cálculos e decisões a serem efetuados de acordo com as instruções recebidas.
A Memória é responsável pelo armazenamento das instruções e dados a serem executados e manipulados pela CPU.
Software
É a parte lógica do sistema. São programas responsáveis por administrar a execução de funções pelo hardware e automatizar as tarefas que o computador irá desempenhar.
· SW Básico –usado para gerenciar a operação do computador e a relação entre aplicativo e o HW.
· SW Aplicativo –São programas com foco no usuário. Ex: Office e Autocad.
· SW Livre –Criador não perde a propriedade, porém permite a sua alteração e disponibilização, desde que seja fornecido o código fonte também e de forma gratuita.
Algoritmo
Conjunto de etapas (instruções) finitas, ordenadamente definidas, com propósito a obter solução para um determinado problema.
A sequência precisa ser exata, finita e sem duplicidade de interpretação.
Um algoritmo ou um conjunto de algoritmo pode formar um programa. Essas instruções são transformadas em linguagem binária que será executada na máquina.
Linguagem de Programação
São métodos utilizados para passar instruções as máquinas.
· Linguagem de Alto Nível –Se aproxima mais com a linguagem humana (facilita a programação pelo programador).
· Linguagem de Baixo Nível –Se aproxima da linguagem de máquina. Possui objetivo de se comunicar com o computador mais rapidamente e de forma otimizada.
· Tradução –Traduz linguagem de alto nível para a linguagem de máquina.
Conceitos
· Interpretação –O interpretador executa o programa fonte instrução por instrução de modo interativo.
· Palavra (Word) –Unidade natural de informação usada por cada tipo de computador. É uma sequência de bits de tamanho fixo processada em conjunto em uma máquina.
· Tempo de Acesso (Latência) –é o tempo de recuperação / escrever de uma informação na memória.
· Tempo de Resposta –Mede o desempenho global do sistema. Baseia-seno tempo gasto entre o início da solicitação e a apresentação da resposta.
· Bits e Bytes – Unidade padrão de representação da informação.
Bits – Código binário (0 e 1)
Byte – Conjunto de bits
Armazenamento e Transferência
Quando falamos em armazenamento, normalmente utilizamos representação em Bytes (B maiúsculo).
Exemplos:
1 Kbyte ou 1 KB = 1024 Bytes
1 Mbyte ou 1 MB = 1024 Kbytes
Quando falamos em capacidade de transferência usamos bits (b minúsculo), normalmente indicado em bits por segundo (bps).
Exemplos:
1 Kbit ou 1 Kb = 1024 bits
1 Mbits ou 1 Mb = 1024 Kbits
Uma vez que sabemos que 1 byte equivale a 8 bits, teríamos:
	1 KB (kbyte)
	1 Kb (kbit)
	8 Kb (Kbits)
	1 Kb (Kbit)
	8 x 1024 bits
	1 x 1024 bits
	8192 bits
	1024 bits
Sistemas de Numeração
Bases numéricas
	Sistema Binário
	Usado na computação. Todos os números são formados pelo 0 e 1, ou seja, 2 algarismos
	Sistema Decimal
	Todos os números são formados pelos números que variam de 0 a 9, ou seja, 10 algarismos
	Sistemas Octal e Hexadecimal
	Todos os números com 8 e 16 algarismos, respectivamente
	Sistema
	Base
	Símbolos
	Binário
	2
	0, 1
	Octal
	8
	0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7
	Decimal
	10
	0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9
	Hexadecimal
	16
	0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, A, B, C, D, E, F
Conversão de Bases
· Decimal para Binário
Regra 01 – Realizar divisões sucessivas por 2 enquanto o quociente for diferente de 0.
Regra 02 –Os valeres de resto, organizá-los de trás para frente no qual formarão o valor convertido.
· Decimal para Octal
· Decimal para Hexadecimal
· Base para Decimal
Onde: 
d = dígito;
b = base;
i = índice
n = número de dígitos
Exemplo 01: 6578 para base 10
Exemplo 02: 1AC2 para base 10
Exemplo 03: 110111102 para base 10
· Binária para Octal e Hexadecimal
Com o número binário a ser convertido, dividimos o mesmo, da direita para a esquerda, em grupos de:
· 3 algarismos binários (se o número a ser convertido for Octal);
· 4 algarismos binários (se o número a ser convertido for Hexadecimal);
Uma vez efetuada essa divisão, cada grupo deve ser convertido para Decimal, que será o seu número representativo. No caso do Hexadecimal, se o número corresponder entre 10 e 15, o mesmo deverá ser substituído pela letra correspondente, de A até F.
Exemplo: Binário 11011002 para os sistemas:
· Octal e Hexadecimal para Binária
Cada algarismo do número deve ser convertido individualmente para a Base Binária;
Ao ser convertido, cada algarismo convertido deve ser formado por um grupo de:
· 3 algarismos binários (se o original for Octal);
· 4 algarismos binários (se o original for Hexadecimal).
Aritmética e Representação de Sinais
· Soma no Sistema Binário
Tomando como base o exemplo anterior, cada vez que ocorre a soma de 1+1, deve-se lembrar que “vai um” para o vizinho logo à esquerda, como é feito na soma de decimais.
· Subtração no Sistema Binário
Apesar de usar o mesmo método de subtração da base decimal, a subtração em binário pode ser um pouco mais complexa, no caso de se ter a ocorrência 0 – 1, onde deve ser feito um empréstimo superior do primeiro algarismo diferente de zero, existente à esquerda.
· Soma no Sistema Hexadecimal
Equivalência dos números decimais e seus respectivos hexadecimais.
	Decimais
	0
	1
	2
	3
	4
	5
	6
	7
	8
	9
	10
	11
	12
	13
	14
	15
	Hexadecimal
	0
	1
	2
	3
	4
	5
	6
	7
	8
	9
	A
	B
	C
	D
	E
	F
No caso da soma de hexadecimais, todas as regras continuam as mesmas, com um detalhe a ser observado: o “vai 1” será utilizado sempre que a soma de dois algarismos exceder o valor de 15 (ou seja, F), que é o maior algarismo da base hexadecimal, e irá com o valor 1 para o vizinho, e não como 15 ou F.
Exemplo: soma 12ABCD16 + 4B1F9116:
Ao efetuar a soma, trocamos a letra pelo valor decimal correspondente. Caso seja superior, subtraímos o valor 16, a fim de verificar o valor que ficará nessa unidade, e o restante será transportado como “1” para o vizinho da esquerda.
· Subtração no Sistema Hexadecimal
A regra se assemelha à soma no sistema hexadecimal. Porém, ao contrário do transporte, conhecido como “vai um”, temos o empréstimo do vizinho. Assim como já é feito no sistema decimal. Porém, ao emprestar 1 unidade do vizinho, estará emprestando o equivalente a 16.
Exemplo: Subtração D8A93C16 - 23E4A116:
· Sinale Magnitude ou S/M
Esta representação, caso tenhamos um número com n algarismos binários (n bits), seu sinal é obtido inserindo-se um bit adicional mais à esquerda, para indicar o valor do sinal, e sua magnitude, ou seja, o seu valor, continua mantendo os bits restantes deste número.
Os valores dos bits de magnitude (ou seja, o valor binário do número) sempre permanecem os mesmos, sendo que a única alteração é o bit mais à esquerda, onde 0 indica POSITIVO e 1 indica NEGATIVO.
Exemplo: Representação binária em 7 bits do número decimal 39:
	Número Binário
	0100111 (7 bits)
	39
	Sinal + (Bit adicional)
	0 0100111 (8 bits)
	+ 39
	Sinal - (Bit adicional)
	1 0100111 (8 bits)
	- 39
· Complemento de 1 ou C1
Método auxiliar para a representação de números positivos e negativos em binário, porém bem mais confiável, se mantém o procedimento anterior de colocar o bit siginificativo mais a esqueda e após essa etapa são intertidos todos os bits da magnitude também.
	Número Binário
	0100111 (7 bits)
	39
	Sinal + (Bit adicional)
	0 0100111 (8 bits)
	+ 39
	Sinal - (Bit adicional)
	11011000 (8 bits)
	- 39
· Complemento de 2 ou C2
Método muito utilizado em computação, por não dar ambiguidade no valor e significado do zero em seu significado. Este método é tido como o mais confiável da atualidade.
Após os procedimento do Complemento de 1 (C1) soma-se 1 ao C1, então: C2 = C1 + 1
	Número Binário
	0100111 (7 bits)
	39
	Sinal + (Bit adicional)
	0 0100111 (8 bits)
	+ 39
	Sinal - (Bit adicional)
	1 0100111 (8 bits)
1 1011000 (C1)
 + 1
1 1011001 (C2)
	- 39
Circuitos Lógicos
Portas Lógicas
Uma porta lógica é um componente de hardware que recebe um ou mais sinais de entrada e produz um sinal de saída, de acordo com a lógica estabelecida para a construção do referido circuito definido.
As portas lógicas podem ser representadas por símbolos (para montagem de circuitos) ou expressões.
· AND / E
Porta E ou AND é aquela que executa a multipplicação de duas ou mais variáveis. Temos na tabela verdade uma saída no um (1), ou seja, verdadeiro, SE E SOMENTE SE as suas entradas ou mais entradas forem todas iguais a um, ou seja, positivas. A saída será zero (0), ou seja, negativo em todos os outros casos.
X = A . B
Onde se lê:
X = A e B
	Tabela Verdade
	A
	B
	A.B
	0
	0
	0
	0
	1
	0
	1
	0
	0
	1
	1
	1
 (
ORGANIZAÇÃO E ARQUITETURA DE COMPUTADORES
) (
2
)
· OR / OU
É aquela que executa a soma, em que se obtém o valor um (1) quando uma ou mais variáveis de entrada forem iguais a um (1) e assume valor zero (0) se e somente se todas as suas variáveis forem iguais a zero (0).
X = A + B
Onde se lê:
X = A ou B
	Tabela Verdade
	A
	B
	A+B
	0
	0
	0
	0
	1
	1
	1
	0
	1
	1
	1
	1
· NOT / NÃO
A função NÃO (também conhecida como Complemento) é aquela que inverterá o estado ou valor da variável, ou seja, se a variável estiver com valor zero (0), vai para um (1), e, se a variável estiver com valor um (1), vai para zero (0)
	A
	X
	0
	1
	1
	0
· NAND / NÃO E
A função terá como resultado a inversão do valor após a execução da função AND.
	Tabela Verdade
	A
	B
	X
	0
	0
	1
	0
	1
	1
	1
	0
	1
	1
	1
	0
· NOR / NÃO OU
A função é uma composição das portas lógicas OU com a função NÃO, de forma que o resultado será uma nova função OU invertida.
 (
CADERNO DE ANOTAÇÕES
) (
16
)
 (
CADERNO DE ANOTAÇÕES
) (
16
)
	Tabela Verdade
	A
	B
	X
	0
	0
	1
	0
	1
	0
	1
	0
	0
	1
	1
	0
· XOR / EXCLUSIVO
A porta lógica, OU – EXCLUSIVO, apresenta como resultado lógico 1, se as variáveis de entrada forem diferentes entre si.
	Tabela Verdade
	A
	B
	X
	0
	0
	0
	0
	1
	1
	1
	0
	1
	1
	1
	0
 (
CADERNO DE ANOTAÇÕES
) (
17
)
· XNOR
A função lógica XNOR, conhecida como COINCIDÊNCIA, ao contrário da OU-EXCLUSIVO, tem como resultado um (1), sempre que em suas variáveis de entrada houver uma igualdade.
	Tabela Verdade
	A
	B
	X
	0
	0
	1
	0
	1
	0
	1
	0
	0
	1
	1
	1
Expressões Lógicas
Iniciar a formação da expressão lógica da direita para esquerda.
Para facilitar a identificação das expressões, pode ser útil desmembrar os membros da porta lógica final. Conforme exemplo abaixo, desmembrando, teríamos a expressão lógica:
X = X’ . X’’
De forma que, identificando X’ e X’’, simplesmente podemos substituir na expressão:
Pode-se verificar que ambos os desmembramentos, X’ e X’’, são formados pela mesma porta lógica, função OU, representada pelo símbolo +. Sendo assim, pode-se escrever as expressões que representam os mesmos:
X’ = A + B
X’’ = C + D
 Uma vez identificado, temos:
X = X’ . X’’
X = (A+B) . (C+D)
Exemplo: Criar a expressão lógica.
Modelo de Von Neumann
O conceito de Von Neumann se baseava na criação de um modelo de computador em que a máquina possuiria o programa (e suas instruções) armazenado em memória, de forma que os programas em execução poderiam ser alterados durante a execução (uma variável poderia ser alterada em meio à execução) e todas as instruções seriam armazenadas e executadas sequencialmente em memória, de acordo com seu endereçamento.
Basicamente, todo e qualquer computador possuiria os seguintes elementos:
· CPU (ou UCP);
· Unidade de memória;
· Unidade de entrada;
· Unidade de saída
Composição do Modelo de Von Neumann
Todos os componentes estão interligados através de barramentos que permitem a transmissão dos bits entre eles.
Como caraterísticas de funcionamento do Modelo de Von Neumann, temos:
· Programação sequencial;
· Valor de uma variável alterado durante a execução de um programa;
· Instruções e dados armazenados indistintamente na memória e acessíveis através de endereços.
a) Diagrama Funcional da CPU
A Unidade Central de Processamento - UCP é considerada o cérebro do computador, responsável pela execução dos programas armazenados na memória através do ciclo de Busca-Decodificação-Execução. Além disso, tem como função controlar as operações do computador entre os demais componentes.
· Unidade de Controle (UC) - Responsável por buscar instruções na memória principal, determinar seu tipo e encaminhar.
· Unidade Lógica e Aritmetica - Responsável por executar as instruções, efetuando operações matemáticas e operações lógicas.
· Registradores - Memórias de alta velocidade, responsáveis, principalmente, pelo armazenamento de resultados necessários na execução de instruções. São as mais rápidas existentes em um computador. Alguns registradores tem finalidades específicas como a seguir:
· RDM - Registrador de Dados de Memória - tem conteúdo que foi lido ou que será gravado em uma local da memória.
· REM - Registrador de Endereços de Memória - contém o endereço da Memória Principal onde a CPU deseja efetuar uma leitura ou gravação.
· RI - Registrador de Instruções - É o registrador interno ao processador que armazena o endereço da próxima instrução a ser executada..
· CI - Contador de Instrução - também chamado de Contador de Programa, contém o endereço da próxima instrução que será requisitada na memória. Toda vez que este conteúdo é lido, já á alterado para o endereço da próxima instrução a ser executada.
· ACC - Acumulador - armazena os dados temporários para as operações na ULA.
· Barramento – são elementos que efetuam a ligação entre componentes dos computadores.
· Barramento de Dados - Canal de comunicação bidirecional que interliga o RDM à memória e outros dispositivos. Sua função é a transferência de conteúdo entre a CPU e a memória principal e os dispositivos de entrada e saída.
· Barramento de Endereço - Canal unidirecional que faz a transferência de bits que representam um endereço de memória.
· Barramento de Controle - Canal bidirecional que efetua o envio de sinais de controle utilizados para diversos elementos do computador, como se fossem ações a serem feitas por estes elementos.
· Decodificador de Instruções DI – É responsável por decodificar o conteúdo dos dados enviados pelas instruções armazenadas na memória, interpretando as operações a serem realizadas. Feita a decodificação, a unidade de controle poderá enviar para o respectivo responsável a finalizaçãoda operação requisitada na instrução, seja ela um cálculo matemático, gravação em um arquivo ou uma impressão.
· Clock – O é um gerador de pulsos regulares de curta duração. Esse sinal é enviado pela CPU, como referência de tempo para todas as atividades dentro de um computador, de forma a garantir o sincronismo de todas as operações, independente do dispositivo, uma vez que alguns periféricos possuem clocks diferentes do clock interno da CPU. O clock é medido em quantidade de vezes por segundo, ou Hertz (hz).
 
Processador e Conjunto de Instruções
Memória
dispositivos de e / s