02 - Entrada e Saída e Técnicas de Armazenamento 2021

Prévia do material em texto

Prof. Dr. Joberto S. B. Martins
joberto.martins@unifacs.br
https://orcid.org/0000-0003-1310-9366
https://sites.google.com/view/jsmnet/home
https://www.researchgate.net/profile/Joberto_Martins
https://unifacs.academia.edu/JobertoMartins
http://lattes.cnpq.br/8321013081371965
https://zenodo.org/search?page=1&size=20&q=joberto
FUNDAMENTOS PARA COMPUTAÇÃO
Entrada e Saída
e Técnicas de 
Armazenamento
Fundamentos para 
Computação
� Computador:
◦ Conjunto de componentes 
integrados com o objetivo de 
manipular dados e gerar 
informações úteis
◦ Componentes básicos:
� ProcessadorProcessadorProcessadorProcessador (CPU (CPU (CPU (CPU –––– Computer Computer Computer Computer 
ProcessingProcessingProcessingProcessing UnitUnitUnitUnit))))
� MMMMemóriaemóriaemóriaemória (principal e secundária)(principal e secundária)(principal e secundária)(principal e secundária)
� DDDDispositivos ispositivos ispositivos ispositivos de de de de EEEEntrada/Saída ntrada/Saída ntrada/Saída ntrada/Saída 
(I/O (I/O (I/O (I/O –––– Input OutputInput OutputInput OutputInput Output))))
� Arquitetura de Von Neuman
3
 Hardware:
 Conjunto de componentes físicos 
do computador
 Objetos que vão se interconectar 
para se ter o conceito e a 
funcionalidade de um computador
 COMO ?COMO ?COMO ?COMO ?
4
Monitor
Gabinete
Teclado
Mouse - ratinho
Placa mãe
SmartphoneSmartphoneSmartphoneSmartphone é um computador?é um computador?é um computador?é um computador?
 Software:
 Conjunto de comandos (instruções) em Conjunto de comandos (instruções) em Conjunto de comandos (instruções) em Conjunto de comandos (instruções) em 
uma uma uma uma sequência sequência sequência sequência ---- Programa:Programa:Programa:Programa:
 Programa (software) “faz alguma coisa” 
(tem uma funcionalidade)
 Programa usa linguagem de programação
para interação com a máquina
 Programa é executado (roda) para obter 
uma funcionalidade
 Programas Programas Programas Programas de de de de computador:computador:computador:computador:
 Manipulação diferente das mesmas 
instruções de máquina no mesmo 
hardware
 Ordem da sequência e os tipos de 
comandos obtêm resultados distintos
 Exemplos: programa para editar texto, 
acessar um site WWW, controlar 
estoque ou controlar o abrir e fechar 
semáforos
5
PYTHONPYTHONPYTHONPYTHON
CRIACRIACRIACRIA REDEREDEREDEREDE
VIRTUALVIRTUALVIRTUALVIRTUAL NONONONO
MININEMININEMININEMININETTTT
O QUE FAÇO?O QUE FAÇO?O QUE FAÇO?O QUE FAÇO? SEUSEUSEUSEU PROGRAMPROGRAMPROGRAMPROGRAMAAAA
 Necessários para a criação dos 
programas e dos dados no 
computador (iiiinput device):
 Teclado, mouse, joystick, scanner, 
microfone, webcam touchscreen, 
sensores, outros
 Sensores são um ponto
importante hoje na computação 
com a Internet das Coisas (IoT)
 Automóveis, saúde, meio ambiente, 
agricultura, intelligent home, 
cidades inteligentes, ...
6
 Resultados da 
computação devem ser 
apresentados ao 
usuário de forma 
inteligível (ooooutput 
device):
 Monitor, impressora, 
alto-falante, fones, 
projetor, outros
7
 Processador:
 Central Processing Unit (CPU)
 Memória principal:
 Armazenamento a curto prazo
 Memória secundária:
 Armazenamento a longo prazo
 Dispositivos de entrada e saída
8
� Integra componentes num 
computador:
◦ Disponibiliza SOCKET (encaixe) para o 
processador
◦ Disponibiliza os SLOTS para as placas 
de periféricos
� ISA (Industry Standard Architecture), PCI 
(Peripheral Component Interconnect), SATA 
(Serial Advanced Technology Attachment), 
outros
◦ Hospeda o chip CMOS que contém o 
BIOS
◦ Fornece barramentos para 
comunicações de dados
◦ Permite alimentação elétrica para os 
periféricos
◦ Podem ser onboard ou offboard
� Com ou sem periféricos embutidos
◦ Fabricantes: ASUS, Intel, SOYO, ECS 
(elitegroup), Gigabyte, PCChips, outros
9
 Barramento (bus):
 Conjunto de fios 
que conduzem 
sinais elétricos (os 
bits) entre os 
diversos 
componentes do 
computador
 Os sinais (bits) podem 
ser:
 DDDDadosadosadosados
 EndereçoEndereçoEndereçoEndereço
 CCCControleontroleontroleontrole
 Barramento do tipo 
serial (1 bit) ou 
paralelo (ex.: 10 
bits, largura 10 fios
 Com computadores 
ópticos, bits serão 
fótons de luz
10
� Um conjunto de fios para cada tipo de 
barramento e funcionalidade:
◦ Barramento de dados (BD)Barramento de dados (BD)Barramento de dados (BD)Barramento de dados (BD): sinais representam o 
dado
◦ Barramento de endereços (BE)Barramento de endereços (BE)Barramento de endereços (BE)Barramento de endereços (BE): número da memória
◦ Barramento de controle (BC)Barramento de controle (BC)Barramento de controle (BC)Barramento de controle (BC): sinais de controle para 
a comunicação entre os componentes do 
computador
◦ O barramento é único, de um determinado tipo (p. 
Ex.: PCI), porém dividido em 3 conjuntos de fios
11
� CPU fazendo uma operação de 
leitura na memória do 
computador:
◦ CPU sinaliza para a memória quero 
LER no BC (barramento de controle)
◦ Memória responde OK no BC
◦ CPU informa endereço onde quer ler 
 37 no BE (barramento de 
endereço) (10bits) para a memória:
� 37 = 0000100101
◦ Memória recupera valor no endereço 
37 – valor é 75 e 
envia pelo BD (barramento de dados) 
(8bits) para a CPU:
� 75 = 01001011
◦ Total de pinos utilizados no 
barramento: BC + BE +BD
12
13
CCCC
PPPP
UUUU
Barramento de 
Endereço – BE (10b)
Ler endereço 37
MMMM
EEEE
MMMM
ÓÓÓÓ
RRRR
IIII
AAAA
Barramento de 
Dados – BD (8b)
Enviar valor 75
Leitura: Leitura: Leitura: Leitura: 
CPU para CPU para CPU para CPU para 
MemóriaMemóriaMemóriaMemória
� Largura (L): Quantidade de bits (fios) que o BE 
possui:
◦ Quanto maior L  maior a quantidade (N) de 
posições de memória (MP) endereçáveis:
◦ N = 2N = 2N = 2N = 2LLLL (N é número de endereços e L o número de 
bits do BE)
� Se L = 6, então N = 26 ou 64 endereços (0 a 63) ou 64 
posições de memória
� 000000 a 111111 em binário
� Exemplo 1:
◦ Considerar um processador que possua 10 pinos 
para enviar endereços para o barramento de 
endereços(BE):
� Qual deverá ser a máxima capacidade de endereçamento 
desse computador?
� Processador = 10 pinos de endereços = 10 fios do BE
� N = 2BE = 210 = 1024 endereços
� Endereço 0 até endereço 1023
14
� Desempenho do BD é definido pela sua 
taxa de transferência
� Taxa de transferência (T):
◦ T = Largura (L) x Velocidade (V) em Hertz (Hz)
◦ Velocidade está ligada ao relógio (clock)
� Imaginar como a quantidade de bits em cada fio 
do barramento
� 1Hz = 1bits por segundo (bps)
� Exemplo:
◦ Considerar um computador que tenha um 
barramento de dados, BD, com as seguintes 
características: 
� Largura de 10 bits
� Velocidade de 100MHz
� Taxa máxima de transferência de dados do BD:
� T = 10 x 100M = 1.000 Mbps ~ 1Gbps
15
 As velocidades de acesso são 
diferentes
 Tipo ponte (bride)
 Conecta barramentos diferentes
 Tipo Frontside Bus (FSB):
 Usados normalmente pela CPU, 
cache e memória principal
 Barramento de alta velocidade:
 Usados tipicamente para HD, 
cartões de interface de rede (NIC –
Network Interface Card) e vídeo
 Barramento de baixa 
velocidade:
 Usados tipicamente para teclado, 
impressora, outros
16
� Cada tipo tem características e aplicação 
própria:
◦ Tempo de acessoTempo de acessoTempo de acessoTempo de acesso para ler/gravar byte na para ler/gravar byte na para ler/gravar byte na para ler/gravar byte na 
memória:memória:memória:memória:
� Independente da posição do dado (randômico) (Ex: 
RAM)
� Dependente da posição do dados (sequencial) (Ex.: 
fita)
◦ Voláteis ou Voláteis ou Voláteis ou Voláteis ou nãonãonãonão----volátilvolátilvolátilvolátil na ausência de na ausência de na ausência de na ausência de energia:energia:energia:energia:
� Voláteis: não mantém a informação
� Não voláteis: mantém a informação
◦ Capacidade de armazenamentoCapacidade de armazenamentoCapacidade de armazenamentoCapacidade de armazenamento de dede de informações:informações:informações:informações:
� Medidos em bytes ou seus múltiplos
� Medida em setores (discos) e bits (registradores)
17
18
Armazenamento no 
Computador
Memória 
Principal
RAM
SRAM
Cache
DRAM
SDRAM
SDR
DDR, DDR2, 
DDR3, DDR4
ROM
PROM, 
EPROM, 
EEPROM
Memória 
Secundária
Mecânico
HD, FD, Tape
Óptico
CD, DVD, 
BlueRay
Flash
Memory Card, 
SSD, USB 
Flash DriveDriveDriveDrive
� Armazenamento não 
volátil:
◦ Pode ter acesso sequencial 
ou aleatório
◦ Armazenagem mais 
permanente (não volátil)
◦ Usado em grande volumes 
de dados
19
� Meios magnéticos:
◦ Hard disc – HD, fita 
magnética, floppy disk 
(disquete) (obsoleto)
� Meios ópticos:
◦ Compact disc (CD), Digital 
Vídeo Disc (DVD), BluRay
disc (BD)
� Meios eletrônicos 
(memória Flash):
◦ Pen Drive (USB Flash 
Drive), Solid State Drive 
(SSD), Cartões de memória 
(Flash Memory Card)
20
 Principal meio de armazenamento de dados:
 Armazenar dados com grande densidade
 Sistema operacional, aplicativos, arquivos
 Trilhas magnéticas no mesmo eixo:
 Braço com cabeça de leitura
 Relativamente lento e sujeito a problemas físicos pois 
exige processos mecânicos
 Características:
 Taxa de transferência de dados (MB/sTaxa de transferência de dados (MB/sTaxa de transferência de dados (MB/sTaxa de transferência de dados (MB/s):):):):
 70,150, 200, 300, 500
 Tamanho do Cache (MBTamanho do Cache (MBTamanho do Cache (MBTamanho do Cache (MB):):):):
 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128
 Rotação do disco (RPMRotação do disco (RPMRotação do disco (RPMRotação do disco (RPM):):):):
 5400, 7200, 10000, 15000
 Capacidade de armazenamento (GBCapacidade de armazenamento (GBCapacidade de armazenamento (GBCapacidade de armazenamento (GB):):):):
 500, 1000, 2000, 5000
 Interface de Interface de Interface de Interface de comunicação:comunicação:comunicação:comunicação:
 IDE/ATA, SATA, SCSI, iSCSI, SAS, outras
21
� Mídia de armazenamento não-volátil:
◦ Fita plástica coberta de material 
magnetizável disponíveis em cartucho
� Acesso sequencial é lento:
◦ Backup de grandes volumes de dados
� Características:
◦ Armazenamento mais baixo custoArmazenamento mais baixo custoArmazenamento mais baixo custoArmazenamento mais baixo custo
� Cuidados ao guardar, sofre com o meio
◦ Capacidade de Capacidade de Capacidade de Capacidade de armazenamento:armazenamento:armazenamento:armazenamento:
� 400MB a 330TB
◦ Tipos:Tipos:Tipos:Tipos:
� DDS (Digital Data Storage) até 36 GB, DLT
(Digital Linear Tape) até 80 GB, SDLT (Super
Digital Linear Tape) até 160 GB, LTO (Linear 
Tape-Open) atualmente até 30TB
22
� Compact Disc (CD):
◦ Disco óptico de armazenamento de dados
◦ Luz infravermelho de 780 nanometers
◦ 80 minutos de áudio não comprimido/700 MB de dados
◦ CD-ROM e CD-RW
� Digital Video Disc (DVD):
◦ Formato digital para arquivar dados, som e voz
◦ Tecnologia óptica superior, além de padrões melhorados 
de compressão de dados
� Usa laser de cor vermelha de 650 nanômetros
◦ 4,7 GB de dados:
� DVDs dual-layer (de dupla camada)  8,5 GB
◦ DVD-R e DVR-RW
� Blu-Ray Disc (BD):
◦ 25 GB (camada simples) a 50 GB (camada dupla)
◦ Usa laser de cor azul-violeta - 405 nanômetros
� Permite gravar mais informação num disco do mesmo 
tamanho 
23
� Solid State Drive – SSD:
◦ Tipo de memória Flash, 
evolução da memória 
EEPROM
� Circuito Integrado:
◦ 500MB/s a 20 GB/s, sem 
parte mecânica
◦ Resistente, silencioso, leve, 
menos energia
◦ Temperatura < 70 graus 
(possibilidade de trabalhar com 
temperaturas maiores)
24
https://www.youtube.com/watch?v=shVhpKnzfp4
� Cartões de memória flash 
(Flash Memory Card):
◦ Dispositivo de 
armazenamento de dados 
com memória flash
◦ Câmeras, smartphones, MP3 
players, computadores e 
outros aparelhos eletrônicos
25
� Pen Drive ou Memória USB 
Flash Drive:
◦ Constituído por memória flash
(EEPROM)
� Características:
◦ Capacidades são variadas, 
existindo flash drives com até 2 
Terabytes
◦ A velocidade de transferência 
pode variar dependendo do tipo 
de entrada e em função de marca 
ou modelo
26
� Técnica que usa a memória secundária como uma cache
para armazenamento:
◦ Apenas as partes mais utilizadas pelo processo atual estarão na 
memória, enquanto o resto ficará armazenado no disco rígido.
� Na falta de RAM, o sistema cria um arquivo temporário 
(arquivo de paginação) no disco rígido que funciona como 
uma extensão da RAM:
◦ Utilizando este recurso, o programa será executado, porém mais 
lentamente
27
 Quais são os componentes básicos do computador
 Processador, memória e dispositivos de entrada e saída
 Através de que dispositivo a CPU, memória e dispositivos de 
entrada/saída se conectam?
 Barramento
 O barramento pode ser dividido em quais funcionalidades
 Barramento de dados, de endereço e de controle
 Quais são os tipos de meios das memória secundária?
 Meios magnéticos, meios ópticos e meios eletrônicos
28
 https://www.youtube.com/watch?v=fNOJjR1Znds&list=PLO_esrDUcK4FQ8t
G8PSsRCEGGsP22NF80&index=3&t=0s
 O futuro da VLSI  Quantum Computing
 https://www.youtube.com/watch?v=f3NWvUV8MD8&list=PLO_esrDUcK4F
Q8tG8PSsRCEGGsP22NF80&index=7&t=76s
 Conjunto de tecnologias futurísticas (clip chinês)
 https://www.youtube.com/watch?v=jAMlBwPGJSk&list=PLO_esrDUcK4FQ8t
G8PSsRCEGGsP22NF80&index=6&t=311s
 Evolução dos laptops (possível)
 https://www.youtube.com/watch?v=2yklU69Xiuo&list=PLO_esrDUcK4FQ8t
G8PSsRCEGGsP22NF80&index=4&t=0s
 Evolução (meio que já atual) das CPUs
29