Como funciona um computador eletrônico digital?

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1 Versão 0.8 Capítulo 2 Como funciona um computador eletrônico digital? Um computador é um dispositivo que faz cálculos, executa instruções definidas e resolve problemas. Por ser eletrônico, funciona com o deslocamento de elétrons em circuitos e, por ser digital, as correntes passam ou não passam, enquanto em um computador analógico, em contraposição ao digital, pode haver variação contínua de voltagem ou corrente. Atualmente os circuitos analógicos são restritos aos dispositivos de digitalização, como câmaras digitais ou placas de som acopladas a microfones. A base do funcionamento de um computador é o transístor, dispositivo com três polos. No transistor, pode haver ou não passagem de corrente elétrica entre dois dos polos, o que é determinado pela existência de carga elétrica no terceiro polo. Existem variações nos transístores, mas o fato de que eles podem agir em uma cadeia liga- desliga é a propriedade que é importante para a existência de computadores eletrônicos digitais. Um transístor pode ser esquematizado conforme se mostra na figura 1: Figura 1. Esquema de um transistor (tipo NPN, há outros tipos). A corrente elétrica entre C (de coletor) e E (de emissor) ocorre se houver carga elétrica em B (de base). Os transistores são possíveis graças à existência de materiais chamados semicondutores, que possuem a propriedade de transmitirem corrente elétrica ou não. Quimicamente são feitos de Silício ou Germânio, misturados com quantidades muito pequenas de Arsênio ou Boro. Para enfatizar: se existe uma diferença de potencial ( voltagem ) entre C e E, a corrente entre esses terminais passará somente se houver carga elétrica em B. Por causa das propriedades dos transístores, eles podem ser usados como chaves liga- desliga, com a vantagem que eles não têm partes móveis, como os relés. Essa propriedade, além de evitar o desgaste inerente à existência de partes móveis, possibilitas grande velocidades.

2 Processador Um processador eletrônico digital é um circuito constituído por uma série de transístores que podem executar operações lógicas e matemáticas. Na figura 2 temos exemplos de três circuitos lógicos simples: A porta AND, a porta OR e a porta NOT, que significam e, ou e não, respectivamente. Figura 2. Portas lógicas AND, OR e NOT. Acima, estão os circuitos eletrônicos (simplificados) das portas lógicas correspondentes. No meio, os símbolos dessas portas usados em circuitos de maior complexidade. Abaixo, estão as tabelas- verdade de cada uma das portas mostradas. A lógica dos componentes eletrônicos segue a chamada lógica booleana, que se refere ao matemático e filósofo inglês George Boole ( ), que lançou as bases desse sistema lógico. A lógica do computador pode não equivaler à lógica que empregamos no dia a dia. Por exemplo, na porta lógica OR, se qualquer uma das duas chaves liga- desliga do circuito estiver ligada, a corrente passará, pois os transístores estão montados em paralelo. O mesmo ocorrerá se ambas estiverem ligadas. Somente não haverá corrente se as duas chaves estiverem desligadas. Na lógica do senso comum, o ou, às vezes significa outra situação. Por exemplo, o namorado pergunta para a namorada: Querida, passaremos o Réveillon desse ano na casa da sua mãe ou da minha?. Evidentemente, ao contrário do que ocorreria no caso do circuito OR, não existe a possibilidade de se passar o Réveillon de um determinado ano em duas casas distintas, pois o Réveillon se refere à passagem de um ano para outro, fenômeno que ocorre com uma duração infinitesimal, o que torna impossível a presença em dois Réveillons distintos em um mesmo ano, mesmo se fosse em casas muito próximas. Felizmente, existe a possibilidade de se construir circuitos para situações semelhantes. Nesse caso, empregaríamos o circuito chamado XOR, que significa OU exclusivo. As únicas possibilidades aceitas seriam passar o Réveillon na casa da mãe da namorada ou passar o Réveillon na casa da mãe do namorado (figura 3).

3 Figura 3. Porta XOR (Ou exclusivo). Diagrama simplificado (que emprega diagramas de circuitos eletrônicos já mostrados anteriormente), símbolo e tabela verdade. Para evitar qualquer ambiguidade no emprego de operações lógicas, por conta de uma possível falta de equivalência entre a lógica booleana e a lógica do senso comum, recomenda- se a consulta da tabela verdade das operações. Isso é especialmente importante quando existem operações encadeadas que podem resultar em absurdos lógicos mas que são executados normalmente pelos computadores se forem mal programados. Para ilustrar esse aspecto, existe uma piada que circula nos meios NERDs mais ou menos assim: Uma mulher, casada com um cientista da computação, depois do trabalho de parto, quando o obstetra entrega a criança para o marido, pergunta: Meu bem, é menino ou é menina?. Ele imediatamente responde: Sim. Na figura 4 há um circuito que executa uma operação aritmética, de soma, que é bem mais complexa. Os circuitos apresentados fazem operações em que entram dois bits e a saída é de um bit (dois no caso da adição se considerarmos a informação binária vai um ).

4 Figura 4. Esquema mostrando a maneira como uma soma é executada eletronicamente, usando os símbolos correspondentes aos circuitos da figura 2. Na tabela verdade mostrada abaixo, considera- se a entrada vai um como estando sempre em 0. As operações aqui esquematizadas na forma de circuitos eletrônicos servem, no entanto, somente para operações de um bit ou de um par de bits. Um computador que processa somente um bit tem muito pouca utilidade. Para ser verdadeiramente prático, um processador deve ser capaz de processar números maiores de bits. Por exemplo, para fazer somas com números de até 4 bits (de 0000 até 1111, que equivale, em decimal a = 15), basta encadear 4 circuitos de soma como aquele mostrado na figura 4. Isso está mostrado na figura 5. Figura 5. Circuito que pode fazer soma de números de até 4 bits. Cada caixa equivale a um circuito como aquele mostrado na figura 4. E A, E B, E V1 são Entrada A, Entrada B e Entrada Vai um. A saída vai 1 serve para se verificar se houve estouro na adição (que resultaria em um número maior que 15). Os primeiros microcomputadores comerciais lançados na década de 1980 possuíam processadores que faziam operações com 8 bits. Pouco mais tarde, foram produzidos processadores de 16 bits. Atualmente, embora haja muitos computadores que possuam processadores de 32 bits, a tendência atual é

5 que se estabilize em processadores de 64 bits, mas isso pode mudar com o tempo. Dentro de um processador, estão todos os circuitos necessários para se fazer processamento, como aqueles que já vimos, os circuitos lógicos e de soma. Além desses circuitos, há necessidade de outros, como para outras operações lógicas, aritméticas e de controle de fluxo (instruções que poderiam ser traduzidas como Se encontrar essa situação, passe a fazer tal tarefa, ou execute tantas vezes esse conjunto de tarefas, ou execute as tarefas a seguir até que uma certa condição passe a ocorrer ). Cada instrução corresponde a uma combinação de circuitos eletrônicos. A quantidade de transístores que podem ser incluídos em um único circuito eletrônico tem crescido de forma acelerada. Nos fins da década de 1980 esse número passou de 1 milhão de componentes, em 2010 ultrapassou a barreira de 1 bilhão e continua crescendo. Entretanto esse número cresce agora mais pelo incremento do número de núcleos (processadores) do que pelo número de componentes eletrônicos. Um processador somente pode executar uma instrução por vez. Como os processadores atuais são muitíssimo rápidos, eles executam instruções de muitas tarefas, alternando- as, mas dando a impressão que as está executando simultaneamente. No entanto, com processadores múltiplos (multicore, por exemplo), a simultaneidade de execução de tarefas passa a ser real. Entretanto, para que os programas possam fazer uso de fato dessa crescente capacidade de processamento em paralelo, é necessário que os programas de computador sejam projetados de forma adequada para usar essa capacidade, ou seja, eles precisam ser paralelizados. Felizmente, na área de Bioinformática, já existem diversos programas paralelizados, ou seja, cujos códigos levam em conta a presença de vários processadores e tiram proveito da situação. Memória A memória de um computador eletrônico digital evidentemente é também digital e pode armazenar temporária ou permanentemente a propriedade de transmitir ou não a corrente elétrica. Assim, da mesma forma que o processamento pode ser constituído de um circuito com transístores, a memória também pode sê- lo. Do ponto de vista prático, existem dois tipos de memória: aquela que dura apenas enquanto existe corrente elétrica e aquela duradoura. Do ponto de vista do hardware, existem várias maneiras de preservar um estado ( deixa passar corrente / não deixa ). As primeiras memórias eletrônicas datam da década de 1940 e eram constituídas por válvulas eletrônicas. Atualmente as memórias são baseadas em transistores. A memória que é acessada diretamente é conhecida como memória RAM ( random access memory ). O random, embora signifique aleatório, não implica que a memória seja sorteada ao acaso, mas que pode ser acessada diretamente sem ter que o sistema tenha que acessar as posições anteriores, por contraposição a uma memória em série, que ocorre, por exemplo em fitas magnéticas. Como analogia, podemos pensar em acionar um canal de TV com o seu controle remoto. O acionamento da tecla (<canais>, tecla favorita daqueles que, como eu, gostam de zapear ) faz com que vejamos canais um em seguida ao outro, até acharmos o canal que desejamos. Isso é equivalente ao acesso a uma memória em série. Usando o teclado numérico do controle remoto da TV, entretanto, podemos

6 acionar o canal que desejamos diretamente, sem que tenhamos que passar pelos anteriores ou posteriores. A memória RAM tem tido um crescimento de capacidade exponencial, mas isso não significa que não haja limites. Um dos limites diz respeito ao número de bits de endereço disponível no processador. Um processador com memória endereçável de 16 bits pode acessar 2 16 endereços diferentes (65.536). Com 32 bits, esse número vai a 2 32 = endereços. Com 64 bits, podemos ter 1,8 19 endereços (~18 quintilhões). Cada memória tem, como característica, um tempo que leva para ser acessada. A memória acessada mais rapidamente é aquela dos registros internos do processador, mas são poucas e utilizadas por programadores. A seguir, existem os níveis de memória cache, que servem para armazenar temporariamente as informações que foram lidas da memória RAM e levam de 5 a 20 ns para que o processador recupere as informações nelas armazenadas. A memória RAM leva uns 70 ns. Um disco rígido muito rápido leva de 9 a 15 ms, umas 200 vezes mais lento que a memória RAM. Velocidade ( Clock ) A velocidade de um computador pode ser medida de várias maneiras, sendo que a mais popular delas é simplesmente a quantidade de ciclos por segundo que transita pelo processador. A corrente em um processador digital não flui continuamente, mas em pequenos pacotes (que não têm nada a ver com quanta, o plural de quantum, relevante em computação quântica, que não será abordada nessa edição). Esses pacotes, ou pulsos de eletricidade, são gerados por um dispositivo eletrônico que usa a propriedade piezoelétrica de certos materiais, como os cristais de quartzo. Quando a corrente contínua passa por um cristal com certas características, a corrente passa a ter um formato quadrado. Atualmente, os computadores mais velozes não passam muito de 3 GHz, ou 3 bilhões de ciclos por segundo. Usando a tecnologia atual, existe um limite teórico de 10 GHz por causa de limitações de natureza física. Existe a prática de overclock que é a tentativa de aumentar a velocidade de um computador alterando o circuito que gera os pulsos. Como consequência disso, há aumento da velocidade da máquina, mas há também aumento na produção de calor, o que pode arruinar os circuitos eletrônicos por superaquecimento ou até mesmo por derretimento. Assim, o overclock deve ser acompanhado de melhorias na refrigeração do sistema, havendo quem use refrigeração com líquidos ou até mesmo com nitrogênio líquido! CPU ou UCP CPU é a sigla para o termo em inglês Central Processing Unit, unidade central de processamento. Aqui no Brasil, CPU tem dois significados distintos. Os computadores de mesa têm sido organizados em módulos, sendo que um dos módulos abriga a fonte de alimentação/transformador de corrente, placa de circuito principal, alguns dispositivos de memória (RAM, EPROM com BIOS, etc.), processador, placas de interface (em série e em paralelo), placas de vídeo. Esse módulo, ao qual se conectam o teclado, mouse e monitor de vídeo, além de outros periféricos, é chamado de CPU. Outro emprego do termo CPU, mais universal, corresponde ao próprio processador. A figura 6 mostra a organização dos elementos de um computador

7 Figura 7. Organização dos elementos de um computador (arquitetura), vigente desde celulares até computadores centrais de bancos multinacionais. Sistema Operacional Podemos dizer que o sistema operacional é um programa que gerencia a maneira como os demais programas do computador irão atuar, além de direcionar a maneira como os dados serão organizados fisicamente nos dispositivos de memória. Embora a forma como toda informação é armazenada é sempre sob a forma de zeros e uns, o sistema operacional será, entre outras tarefas, encarregado de fazer a correspondência entre aquilo armazenado e o seu significado. A informação é normalmente agrupada na unidade lógica que é conhecida como arquivo. Um arquivo pode corresponder, por exemplo, a um texto simples, um documento, um conjunto de sequências de nucleotídeos, um programa de computador, uma figura, um filme, uma estrutura tridimensional de uma macromolécula, etc. Os arquivos podem ser definidos portanto como um conjunto de zeros e uns que têm um determinado significado. Existem tipos de arquivo padronizados. Há sistemas operacionais que exigem que os tipos de arquivos sejam explicitados. Por exemplo, se o nome de um determinado arquivo é tarefa1.txt, os sistemas operacionais que descendem do sistema CP/M entenderão que o arquivo trata- se de um texto por causa do sufixo.txt. Nesse caso, o programa que processará esse arquivo (ou o sistema operacional) irá agrupar os bits em grupos de 8 ou 16 e interpretá- los de acordo com um código, que poderá ser o ASCII (veja apêndice) ou UNICODE.

8 Tabela 1. Sufixos de arquivos comuns e significados Sufixo Descrição Programas que abrem esses arquivos.jpg Figuras Navegador padrão ou editor gráfico.gif Figuras Navegador padrão ou editor gráfico.bmp Figuras Paint (Windows) ou editor gráfico.doc Documentos de Wordpad, Word editores de texto.txt Arquivo de texto Notepad, editores de texto.pdf Portable Acrobat Reader (Adobe) document file Páginas da rede.htm,.html.wav Som Programas de som, mídia.avi Video Programas de som, mídia.rm Video RealPlayer Navegadores, pode ser editado com editor de texto.dll Dynamic link library.exe Arquivo executável Sistema operacional.zip Arquivo comprimido Para uma lista mais completa, consulte Arquivos de bibliotecas de funções usados por programas WinZip, PKZip, etc. ou pelo próprio sistema operacional Internamente, onde quer que esteja armazenado, pode acontecer (e acontece muitas vezes), um arquivo não fica armazenado sob a forma de uma série contínua de zeros e uns. Se um arquivo está armazenado em um disco rígido, ele pode estar totalmente esquartejado, ou seja, dividido em pedaços espalhados pelo disco. O sistema operacional é o programa que fica encarregado da tarefa de fazer a associação do atributo lógico de um arquivo (que, para o usuário, é sempre uma única sequência contínua de zeros e uns) e o seu armazenamento físico, que é feito por meio de setores (veja a figura 7).

9 Figura 7. Um setor pode ser localizado da mesma maneira que se localizam células em uma matriz. No caso de um HD com múltiplos discos, temos três dimensões de endereço, o disco, a fatia e a trilha. Assim o setor (1,4,7) corresponde ao disco 1, fatia 4 e trilha 7). Conforme o sistema operacional, ou sua versão, é estabelecida a quantidade de informação que corresponde a cada grupo de alocação (quantidade de setores) e como a informação da correspondência entre o arquivo lógico e os setores correspondentes é armazenada. Os arquivos podem ficar bastante fragmentados se eles passaram por muitos processos de edição, como adição de trechos, modificação de outros, eliminação de partes, etc. Por exemplo, se um texto longo está sendo editado intermitentemente, é normal que o arquivo correspondente ao texto fique fragmentado. Isso normalmente não causa problemas, mas o acesso ao arquivo pode ficar um pouco mais lento. Existem programas que fazem desfragmentação de arquivos. BIOS BIOS é a sigla para Basic Input/Output System, sistema básico de entrada/saída, em português. Trata- se de um programa que irá informar, ao sistema operacional, quais os dispositivos de hardware mais básicos estão presentes, e qual é a configuração deles. Esse programa normalmente fica gravado em uma memória permanente tipo EPROM, que é a abreviatura de erasable/programmable read only memory, que pode ser traduzido como memória programável/apagável somente de leitura. Quando instalada em um computador, o conteúdo de um EPROM pode ser lido, mas consta que é programável e apagável desde que se remova um lacre e o submeta o circuito a uma luz ultravioleta adequada. Como esse é um procedimento que faz sentido

10 somente numa situação de reparo ou de reconfiguração de hardware, fica essa informação aqui somente a título de registro. Na BIOS, existem procedimentos que são executados assim que o computador é ligado. Eles são chamados de procedimentos de Boot. Não, não se origina do movimento de uma bota que é necessário para dar a partida em certas motocicletas, especialmente as de antigamente. Origina- se da frase pull himself by pulling his bootstratps, que significa mais ou menos como sustenta- se pelos próprios meios. Assim, o início automático de um computador era chamado de bootstraping que foi abreviado depois para boot. Esses procedimentos servem, por exemplo, para informar o computador onde fica armazenado fisicamente o sistema operacional. Durante o próprio procedimento de inicialização do computador os parâmetros da BIOS podem ser modificados, como por exemplo para se usar outro sistema operacional que se encontra armazenado em um pendrive (dispositivo portátil de memória permantente).

11 Apêndice. Tabela ASCII (American Standard Code for Information Interchange ) 127 primeiros caracteres Dec Hex Significado 0 00 Null - NUL 1 01 Start of Heading - SOH 2 02 Start of Text - STX 3 03 End of Text - ETX 4 04 End of Transmission - EOT 5 05 Enquiry - ENQ 6 06 Acknowledge - ACK 7 07 Bell, rings terminal bell - BEL 8 08 BackSpace - BS 9 09 Horizontal Tab - HT 10 0A Line Feed - LF 11 0B Vertical Tab - VT 12 0C Form Feed - FF 13 0D Carriage Return - CR 14 0E Shift-Out - SO 15 0F Shift-In - SI Data Link Escape - DLE Device Control 1 - D Device Control 2 - D Device Control 3 - D Device Control 4 - D Negative Acknowledge - NAK Synchronous idle - SYN End Transmission Block - ETB Cancel line - CAN End of Medium - EM 26 1A Substitute - SUB 27 1B Escape - ESC 28 1C File Separator - FS 29 1D Group Separator - GS 30 1E Record Separator - RS 31 1F Unit Separator - US Space - SPC 33 21! " # $ % & ' ( ) 42 2A * 43 2B C, 45 2D E. 47 2F / A : 59 3B ; 60 3C < 61 3D = 62 3E > 63 3F? A B C D E F G H I 74 4A J 75 4B K 76 4C L 77 4D M 78 4E N 79 4F O P Q R S T U V W X Y 90 5A Z 91 5B [ 92 5C \ 93 5D ] 94 5E ^ 95 5F _ ` a b c d e f g h i 106 6A j 107 6B k 108 6C l 109 6D m 110 6E n 111 6F o p q r s t u v w x y 122 7A z 123 7B { 124 7C 125 7D } 126 7E ~ 127 7F Delete