Aula 02 - Conceitos de Hardware e Software. Por Sediane Carmem Lunardi Hernandes

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1 Aula 02 - Conceitos de Hardware e Software Por Sediane Carmem Lunardi Hernandes 1

2 1. Hardware Unidades funcionais Processador / UCP Unidade Lógica e Aritmética Unidade de Controle Registradores Memória Principal Dispositivos de E/ S UCP (Unindade Central de Processamento) = CPU (Central Processing Unit) 2

3 1.1 Processador É o cérebro do computador e é nele que as informações são processadas Controla e executa instruções presente na memória principal, através de operações básicas como somar, subtrair, comparar e movimentar dados Composto por: Unidade de Controle (UC): Acessa sequencialmente as instruções do programa, decodificando-as, e coordena o fluxo de dados de entrada e saída da unidade lógica e aritmética, registradores, armazenamento primário e até armazenamento secundário e vários dispositivos de saída Ou seja, gerencia as atividades de todos os componentes do computador, como a gravação de dados em disco ou a busca de instruções na memória Unidade Lógica e Aritmética (ULA): Realiza cálculos matemáticos e faz comparações lógicas Registradores São áreas de armazenamento de alta velocidade utilizadas para o armazenamento temporário de instruções e dados imediatamente antes, durante e depois da execução pelo processador (CPU) 3

4 1.1 Processador (cont.) Registradores de destaque: Contador de instruções (Program Counter PC) Contem endereço da próxima instrução que o processador deve buscar e executar Toda vez que o processador busca uma nova instrução, este registrador é atualizado com o endereço de memória da próxima instrução a ser executada Apontador de Pilha (Stack Pointer SP) Contém o endereço de memória do topo da pilha (estrutura de dados onde o sistema mantém informações sobre programas que estavam sendo executados e tiveram que ser interrompidos) Registrador de Status (Program Status Word - PSW) Armazenam informações sobre a execução das instruções Estouro de pilha (Overflow) Sinal Zero 4

5 1.1 Processador (cont.) A execução de qualquer instrução envolve (Ciclo de fetch-decode-execute): 1) Busca da instrução 2) Decodificação da instrução 3) Execução da instrução Decodifica instrução da memória Busca instrução na memória Executa instrução no processador 5

6 1.1 Processador (cont.) Completar a fase de busca, decodificação e execução da instrução Ciclo de máquina Computador executa uma instrução durante um ciclo de máquina Tempo em que ocorre ciclo de máquina Nanossegundos (1 bilionésimo de segundo) Picossegundos (1 trilionésimo de segundo) Também, pode ser medido pelo número de instruções executadas em um segundo MIPS = milhões de instruções por segundo Entretanto, CPU produz sério de pulsos eletrônicos a uma taxa predeterminada (velocidade de relógio) Afeta o tempo do ciclo de máquina 6

7 1.1 Processador (cont.) Pulsos eletrônicos são gerados pelo clock O clock é um dispositivo localizado na UCP que gera pulsos elétricos síncronos em um determinado intervalo de tempo (sinal de clock) A quantidade de vezes que este pulso se repete em um segundo define a frequência do clock A frequência do clock (velocidade de relógio) de um processador é muitas vezes medida em Megahertz (MHz milhões de ciclos por segundo, ou seja, em um segundo são buscadas, decodificadas e executadas milhões de instruções) Gigahertz (GHz bilhões de ciclos por segundo) 7

8 Curiosidade Intel 8080 (1982): velocidade de relógio de 2MHz Pentium 4 (2002): velocidade de relógio de 3.2 GHz Quanto mais rápida a velocidade de relógio do processador, mais calor é gerado, e esse calor deve ser dissipado para evitar corromper dados e instruções que o computador está tentando processar 2006 Dell,Apple, Toshiba, Lenovo (recall de baterias) 8

9 1.1 Processador (cont.) Exemplificando: Processador de 500 MHz KHz Hz Quinhentos milhões de ciclos de máquina por segundo, ou seja, 500 milhões de instruções são executadas (buscadas e decodificadas) a cada ciclo de clock (velocidade de relógio) Processador de 2.5 GHz MHz KHz Hz Dois bilhões e 500 milhões de ciclos de máquina por segundo, ou seja, dois bilhões e 500 milhões de instruções sendo buscadas, decodificadas e executadas por ciclo de clock E um processador de 2.26 GHz? 9

10 1.1 Processador (cont.) Qual processador apresenta maior velocidade de processamento? 900 MHz ou 1.0 GHz? Resposta: 900 MHz KHz Hz, ou seja, 900 milhões de instruções sendo executadas a cada ciclo de clock (velocidade de relógio) 1.0 GHz MHz KHz Hz, ou seja, 1 bilhão de instruções sendo executadas em um único clico de clock 10

11 1.1 Processador (cont.) Exercite Quantos ciclos de máquina por segundo apresentam os seguintes processadores? a) Processador de 2.5 GHz b) Processador de 3.0 GHz c) Processador de 3.2 GHz 11

12 1.2 Memória principal Local onde são armazenados dados e instruções Composta por células, sendo que cada célula é composta por um número determinado de bits A maioria dos computadores utiliza células de 8 bits (1 byte) Acesso ao conteúdo de uma célula (leitura ou gravação) é realizado através da especificação do endereço da célula Classifica-se em: RAM, ROM e Cache endereços instrução ou dado célula = 8 bits Memória com 64Kbytes 12

13 1.2 Memória principal (cont.) RAM (Random Access Memory Memória de Acesso Aleatório) localiza-se fisicamente perto da CPU, mas não no próprio chip da CPU é a área de trabalho do computador é volátil, porque todo o seu conteúdo é perdido ao se desligar o computador Variedades: SRAM (Static Random Access Memory): usada em caches e em registradores DRAM (Dynamic Random Access Memory): utilizada em uma memória principal DDR RAM: forma aperfeiçoada de DRAM que dobra a taxa na qual os dados podem ser movidos para fora e para dentro da memória principal 13

14 1.2 Memória principal (cont.) ROM (Read Only Memory - Memória apenas para leitura) é menor do que a RAM e seu conteúdo já vem gravado de fábrica não pode ser alterado pelo usuário na ROM estão gravadas algumas informações básicas que são executadas sempre que o computador é ligado (instruções que dizem ao computador como iniciar quando a energia é ligada) é não-volátil, porque o seu conteúdo é preservado mesmo quando o computador for desligado 16

15 1.2 Memória principal (cont.) Memória Cache Memória volátil de alta velocidade com pequena capacidade de armazenamento Armazena pequena parte do conteúdo da memória principal Toda vez que processador faz referência a dado armazenado na memória é verificado primeiro se ele se encontra na cache Cache hit Processador encontra dado na cache Cache miss Processador não encontra dado na cache 17

16 1.3 Memória secundária Meio permanente de armazenamento de programas e dados Registradores Memória Cache maior capacidade de armazenamento Memória Principal maior custo e velocidade de acesso Memória Secundária 18

17 1.4 Dispositivos de entrada e saída Utilizados para comunicação entre o hardware e o mundo externo Categorias Memória secundária Discos Fitas magnéticas Interface usuário-máquina Teclados Monitores Impressoras Plotters 19

18 1.5 Barramento Meio físico de comunicação entre as unidades funcionais do computador Dados, endereços e sinais de controle trafegam entre processadores, memórias e dispositivos de Entrada e Saída (E/S) Barramento possui: Linhas de controle Trafegam informações de sinalização (o tipo de operação que esta sendo realizada) Linhas de dados Trafegam informações como instruções e operandos que são transferidos entre as unidades funcionais Linhas de endereço Trafegam endereços 20

19 1. 6 Pipelining Técnica que permite ao processador executar múltiplas instruções paralelamente em estágio diferentes Semelhante a uma linha de montagem Enquanto uma instrução se encontra na fase de execução, uma outra instrução pode estar na fase de busca simultaneamente 23

20 1.6 Pipelining (cont.) Pipeline em quatro estágios P1 P2 P3 P4 Unidade de busca da instrução Analisador da instrução Unidade de busca dos dados Unidade de execução da instrução P1 Instr.1 Instr.2 Instr.3 Instr.4 Instr.5 Instr.6 Instr.7 P2 Instr.1 Instr.2 Instr.3 Instr.4 Instr.5 Instr.6 P3 Instr.1 Instr.2 Instr.3 Instr.4 Instr.5 P4 Instr.1 Instr.2 Instr.3 Instr.4 tempo 24

21 2. Software Para que o hardware tenha utilidade prática é necessário um conjunto de programas que realizem a interface entre as necessidades do usuário e as capacidades do hardware Tipos de software: 1. Software básico 2. Software aplicativo 25

22 2.1 Software básico São programas que definem o padrão do equipamento, sendo necessários para o funcionamento do computador, ou seja, são necessários para o funcionamento correto do equipamento. São eles: a) Sistema Operacional b) Utilitários c) Ambiente operacional d) Linguagens de programação e) Tradutores 26

23 a) Sistema Operacional O Sistema Operacional (SO) é essencial para o funcionamento de um computador. Sem ele, grande parte dos recursos do sistema não estaria disponível, ou se apresentaria de uma forma complexa para utilização pelos usuários. O SO nada mais faz do que controlar e coordenar todas as operações básicas do sistema de computação (E/S, memória, processos). 27

24 b) Utilitários São programas que ampliam os recursos do sistema facilitando o uso e auxiliando a manutenção de programas Podem ser vistos como softwares de apoio à solução de problemas de disco, memória, entre outros Compactadores e descompactadores de arquivos, programas anti-virus, são exemplos 28

25 c) Ambiente Operacional Adicionam recursos ao SO para permitir uma interface gráfica com o usuário. É um SO com recursos gráficos Exemplo: Windows 7 29

26 d) Linguagens de Programação É um conjunto de símbolos, os quais fazem parte de um vocabulário e regras (gramática) que especificam como transmitir informações entre os desejos do usuário e o computador São divididas em: linguagem de máquina; linguagem de baixo nível; linguagem de alto nível. 30

27 d) Linguagens de Programação Linguagem de máquina: é baseada em código binário, isto é, em 0s e 1s. É a linguagem de programação que o processador realmente consegue entender. É uma linguagem muito mais voltada para a máquina do que para o usuário. Por exemplo, a soma do conteúdo de um registrador 1 com o conteúdo de um registrador 2 colocando o resultado no registrador 1, o que resultaria em em linguagem de máquina. 31

28 d) Linguagens de Programação Linguagem de baixo nível: é uma simplificação da linguagem de máquina. Faz uso de códigos mnemônicos (conjunto de símbolos) associados a instruções escritas em linguagem de máquina. Utilizando o mesmo exemplo dado acima, a linguagem de máquina ficaria ADD R1 R2. 32

29 d) Linguagens de Programação Linguagem de alto nível: é uma linguagem que não exige conhecimento do código de máquina. Utiliza combinação de um conjunto de símbolos de acordo com certas regras de sintaxe (escrita) para expressar uma sequência de operações de máquina. 33

30 d) Linguagens de Programação Linguagem de máquina Linguagem de baixo nível Linguagem de alto nível LOAD R1, val LOAD R2, val2 val 2 = val1 + val ADD R1, R STORE R1, val2 34

31 e) Tradutores Leem código escrito em alguma linguagem de programação e a transformam para linguagem de máquina. Existem 3 tipos de tradutores: Montador: lê código escrito em linguagem de baixo nível e transforma em linguagem de máquina. Interpretador: lê código escrito em linguagem de alto nível e transforma em linguagem de máquina. Compilador: lê código escrito em linguagem de alto nível e transforma em linguagem de máquina. A diferença entre o compilador e o interpretador é que o interpretador interpreta cada comando e executa. O compilador analisa todo o programa, gera um arquivo intermediário em linguagem de máquina e depois executa. 35

32 2.2 Software aplicativo São os programas voltados para a solução de problemas do usuário e que se valem das facilidades oferecidas pelo software básico. Podem ser de: Uso geral: são programas que podem ser utilizados em vários tipos de aplicações. Ex: editores de texto, gráficos, planilhas, SGBD, etc. Uso específico: se destinam exclusivamente a um único tipo de aplicação. Ex: folha de pagamento, crediário, imposto de renda, entre outras. 36

33 3. Arquiteturas RISC e CISC Linguagem de máquina (0s e 1s) é a linguagem de programação que o computador realmente entende Cada processador possui o seu próprio conjunto de instruções definido pelo fabricante Programa em linguagem de máquina é executado diretamente pelo processador Arquitetura RISC Aplicativos Utiltários Sistema Operacional Linguagem de Máquina Microprogramação Circuitos Eletrônicos 37

34 3.1 Arquiteturas RISC (Reduced Instruction Set Computer) Processador com arquitetura RISC possui poucas instruções de máquina (simples e executadas diretamente pelo hardware) Instruções executadas rapidamente Exemplo de processadores SPARC(Sun) RS-6000 (IBM) PA-RISC(HP) Alpha AXP (Compaq) Rx000(MIPS) 38

35 3.2 Arquiteturas CISC (Complex Instruction Set Computers ) Instruções complexas interpretadas por microprogramas Número pequeno de registradores Qualquer instrução pode referenciar a memória principal Implementação do pipelining é mais difícil Exemplos de processadores VAX (DEC) Pentium (Intel) 68xxx (Motorola) 39

36 Curiosidade Processadores com mais de um núcleo Contam com dois ou mais núcleos distintos no mesmo circuito integrado, como se houvesse dois (ou mais) processadores dentro de um chip dispositivo pode lidar com dois processos por vez (ou mais), um para cada núcleo, melhorando o desempenho do computador como um todo Vantagem: podem realizar duas ou mais tarefas ao mesmo; um núcleo pode trabalhar com uma velocidade menor que o outro, reduzindo a emissão de calor; ambos podem compartilhar memória cache; entre outros. 40

37 Exercícios 1. Observe atentamente o anúncio abaixo e indique qual é o processador envolvido e qual a velocidade de relógio do ciclo busca-decodificação -execução a) Vende-se computador: Intel Celeron Processor 500 MHz, 128K Cache, 66 MHz FSB (velocidade do barramento que liga CPU e memória) Processador: Velocidade do Ciclo: a) Vende-se computador: Intel Celeron D Processor 2.26 GHz (256K Cache, 533 MHz FSB) Processador: Velocidade do Ciclo: 41

38 Exercícios 2. Indique qual é a capacidade do disco rígido, da memória RAM e a velocidade de processamento dos computadores abaixo: I. Notebook Sony Vaio Fit SVF15213CBW com Intel Core i5-3337u, 1.8 GHz, 4GB, 750GB, Gravador de DVD, Bluetooth, LED 15.5" e Windows 8 + Headphone Sony ZX300 HD: RAM: Velocidade de processamento: 1) Notebook Touch Sony Vaio Fit com Intel Core i5, 2.7GHz, 6GB, 1TB, Gravador de DVD, Bluetooth, LED 14" e Windows 8 + Pasta para Notebook até 13 HD: RAM: Velocidade de processamento: 42

39 Exercícios 3. Escolha, a partir dos anúncios abaixo, o notebook que possui o melhor desempenho global: a) Notebook Positivo Unique S1991 3D com Intel Dual Core, 1.1GHz, 2GB, 250GB, Gravador de DVD, Leitor de Cartões, Webcam, LED 14" b) Notebook Positivo Unique TV S2065i/2560 com Intel Dual Core, 1.1GHz, 4GB, 500GB, Gravador de DVD, Leitor de Cartões, HDMI, TV Digital, LED 14" 43

40 Bibliografia SILBERSCHATZ, Abraham, GALVIN, Peter, GAGNE, Greg. Fundamentos de Sistemas Operacionais. 8ª. Ed. Rio de Janeiro : LTC, MACHADO, Francis B.; MAIA, Luiz Paulo. Arquitetura de Sistemas Operacionais. 3ª ed. Rio de Janeiro : LTC,

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