FACULDADE DE ENGENHARIA DE SOROCABA ENGENHARIA ELÉTRICA SISTEMAS DE COMPUTAÇÃO MÓDULO HARDWARE. PROFº FERREIRA

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1 FACULDADE DE ENGENHARIA DE SOROCABA ENGENHARIA ELÉTRICA SISTEMAS DE COMPUTAÇÃO MÓDULO HARDWARE PROFº FERREIRA

2 ÍNDICE 1 EVOLUÇÃO DO COMPUTADOR INTRODUÇÃO ÁBACO (APROX A.C.) GERAÇÃO ZERO (SÉCULO XVII) CALCULADORA DE PASCAL (1642) MÁQUINA DIFERENCIAL DE BABBAGE (1823) MÁQUINA ANALÍTICA DE BABBAGE (1823) MÁQUINA DE HOLLERITH (1886) ª GERAÇÃO - VÁLVULA ( ) ENIAC MÁQUINA DE VON NEUMANN ª GERAÇÃO TRANSISTOR E MEMÓRIA MAGNÉTICA ( ) ª GERAÇÃO CIRCUITO INTEGRADO E MICROPROCESSADOR ( ) ª GERAÇÃO VLSI E COMPUTADOR PESSOAL ( ) ª GERAÇÃO ULSI (ULTRA LARGE SCALE OF INTEGRATION) CIRCUITO INTEGRADO 3-D ORGANIZAÇÃO DE UM COMPUTADOR A UNIDADE CENTRAL DE PROCESSAMENTO INTRODUÇÃO E UNIDADES OS REGISTRADORES DA CPU FUNÇÕES DO MICROPROCESSADOR HARDWARE DE UM SISTEMA DE COMPUTAÇÃO PLACA MÃE - MOTHERBOARD INTERFACES PARA CONTROLAR PERIFÉRICOS IDE (INTEGRATED DRIVER ELECTRONICS) SCSI (SMALL COMPUTER SYSTEMS INTERFACE) ADB (APPLE DESKTOP BUS) USB ( UNIVERSAL SERIAL BUS ) ( BARRAMENTO SERIAL UNIVERSAL ) FIREWIRE ATAPI (ATA PACKET INTERFACE)

3 3.3 CHIP SET DE PLACAS MÃE (MOTHERBOARD) SOQUETES DAS PLACAS MÃE PARA MICROPROCESSADOR BIOS (BASIC INPUT/OUTPUT SYSTEM) MEMÓRIA MEMÓRIA PRINCIPAL MEMÓRIA CACHE MEMÓRIA SECUNDÁRIA DISCOS RÍGIDOS BARRAMENTOS INTRODUÇÃO BARRAMENTO ISA (INDUSTRY STANDARD ARCHITECTURE) Figura BARRAMENTO ISA DESENHOS ILUSTRATIVOS BARRAMENTO PCI (PERIPHERAL COMPONENT INTERCONNECT) VERSÃO VERSÃO CLOCK EXTERNO E INTERNO DO MICROPROCESSADOR BARRAMENTO VESA LOCAL BUS BARRAMENTO EISA BARRAMENTO MCA

4 1 EVOLUÇÃO DO COMPUTADOR 1.1 Introdução O primeiro elemento com que o homem contou para fazer seus cálculos foi o conjunto de dedos de suas mãos, daí veio a palavra digital, vindo de dígito, que significa dedo. Com a evolução da humanidade fez-se necessárias novas invenções para auxiliar os cálculos: 1.2 Ábaco (aprox a.c.). A palavra CÁLCULO tem sua origem no termo latino CALCULUS. Que a milhares de anos servia para denominar pequenas pedras que eram usadas para contar deslizando-se por sulcos cavados no chão. Essa espécie de Ábaco foi descoberta em recentes escavações arqueológicas. A partir desse elemento de cálculo, outros similares apareceram em diversos forma final de Suan-Pan, de modo semelhante apareceu no Japão, o Soroban. lugares do mundo, sendo chamados de ábaco. O mais antigo data de aproximadamente 3500 a.c., no Vale entre os rios Tigre e Eufrates. Por volta do ano 2600a.C. apareceu o ábaco chinês que evoluiu rapidamente e foi chamado em sua Ábaco 1.3 Geração zero (século XVII) Os primeiros computadores, ou de geração zero, apareceram no século XVII e eram compostos exclusivamente por elementos mecânicos. Além disso, caracterizavam-se por uma grande rigidez no que diz respeito aos programas a executar, a grande parte delas sendo o que se chama hoje de máquinas dedicadas Calculadora de Pascal (1642) Dos trabalhos conhecidos deste período, destaca-se o trabalho de Blaise Pascal, que em 1642 desenvolveu uma máquina de calcular totalmente mecânica. A máquina, também chamada de Pascaline, era baseada na existência de um disco para cada potência de 10, cada disco sendo dotado de 10 dígitos (de 0 a 9). Embora fosse capaz de realizar operações, como multiplicações e divisões apenas adições e subtrações, outras 4

5 podiam ser realizadas através da combinação da primeira operação. Pascal esperava comercializar sua máquina, mas foi um fracasso comercial, apesar de ser uma importante invenção Máquina Diferencial de Babbage (1823) Entre 1802 e 1822, Charles Babbage ( ), um matemático e engenheiro britânico, construíram uma máquina - a máquina de diferenças que se baseava no princípio de discos giratórios e era operada por uma simples manivela. Babbage é considerado o precursor dos modernos computadores eletrônicos digitais. Esta máquina de diferenças surgiu devido à preocupação de Babbage com os erros contidos nas tabelas matemáticas de sua época. (Esta máquina permite calcular tabelas de funções logaritmos,funções trigonométricas, etc.) sem a intervenção de um operador humano. Ao operador cabia somente iniciar a cadeia de operações, e a seguir a máquina tomava seu curso de cálculos, preparando totalmente a tabela prevista. Em 1823, o governo britânico financiou a construção de uma nova versão, mas não obtiveram resultado satisfatório, devido os limites do ferramental industrial da época. Babbage se viu obrigado a desenhar peças e ferramentas, retardando o desenvolvimento do projeto. 5

6 Após 10 anos de trabalho, tudo que Babbage havia conseguido era uma pequena máquina de 3 registros e 6 caracteres, sendo que deveria ser, de acordo com o projeto, uma máquina de 7 registros e 20 caracteres cada, além de apresentar seus resultados impressos! Máquina Analítica de Babbage (1823) Em 1833, Babbage projetou uma máquina bastante aperfeiçoada (com o auxílio de Ada Lovelace), que chamou de Máquina Analítica. Ada é uma das poucas mulheres a figurar na história do computador. Matemática talentosa compreendeu o funcionamento da Máquina Analítica e escreveu os melhores relatos sobre o processo. Ela criou programas para a máquina, tornando-se a primeira programadora de computador do mundo.a Máquina Analítica poderia ser programada para calcular várias funções diferentes, era constituída de unidade de controle de memória aritmética e de entrada e saída. Sua operação era governada por conjunto de cartões perfurados, de modo que, de acordo com os resultados dos cálculos intermediários, a máquina poderia saltar os cartões, modificando dessa forma o curso dos cálculos. Foto da Máquina Analítica Babbage investiu toda sua fortuna pessoal e de seu filho, que com ele trabalhou durante anos, na construção de sua máquina Analítica, vindo a falecer em 1871, sem findar a construção Máquina de Hollerith (1886) Aproximadamente em 1885, Herman Hellerith, funcionário do Departamento de recenseamento dos E.U.A. e percebeu que a realização do censo anual demorava cerca de 10 anos para ser concluído e que a maioria das perguntas tinha como resposta sim ou não. Em 1886 idealizaram um cartão perfurado que guardaria as informações coletadas no censo e uma máquina 6

7 capaz de tabular essas informações. Construiu então a Máquina de Recenseamento ou Máquina tabuladora, perfurando-se cerca de 56 milhões de cartões. A máquina Tabuladora era composta das seguintes unidades (Veja a figura): Unidade de controle, que dirigiria a seqüência das operações de toda a máquina através de furos em cartões perfurados. Entrada de dados, que utilizava também cartões perfurados. Saída, que perfuraria os resultados em cartões para uso posterior como entrada, aumentando assim a memória interna com armazenamento externo, indefinidamente grande. Saída impressa utilizada na apresentação dos resultados finais, tais como tabelas matemáticas, a qual de uma linotipo automática acoplada ao sistema. Foi Herman Hollerith, que concebeu a idéia de processar dados a partir de cartões perfurados (o problema a resolver era a computação de dados do censo dos Estados Unidos). Com esta solução, Hollerith conseguiu que o tempo de processamento dos dados do censo baixasse de 8 para 3 anos. A tecnologia de cartões perfurados foi adotada rapidamente por diversos países da Europa, difundindo a utilização das máquinas Hollerith a nível mundial e por bastante tempo. Dez anos mais tarde, Hollerith fundou uma companhia, a Tabulating Machine Company. Máquina Tabuladora Em 1924, esta firma mudou de nome, tornando-se a International Business Machines Corporation, hoje mais conhecida como IBM. No início, as vendas da IBM eram baseadas na linha de equipamentos de escritório e, em particular, máquinas tabulares.com isso a empresa orientou suas atividades para o mercado externo, abrindo sua 7

8 Primeira filial fora dos Estados Unidos, no Canadá em ª Geração - Válvula ( ) ENIAC Em 1943, no auge da Segunda Guerra Mundial, um coronel do exército dos Estados Unidos sugeriu que se fizesse uma máquina de calcular para fins de artilharia. 0 desafio foi aceito pela Universidade da Pensilvânia, que, em 1946, apresentou seu invento, tendo empregado horas-homem para concluí-lo. 0 relé e a válvula elementos básicos no ENIAC 0 equipamento recebeu o nome de ENIAC (Electrical Numerical Integrator and Calculator) a foi o primeiro computador a válvulas. Possuía válvulas, relés a emitiam o equivalente a 200 quilowatts de calor e executava cerca de 5000 adições por minuto. Essa enorme máquina foi alojada em uma sala de 9 m por 30m. Capacidade de memória e confiabilidade foram os primeiros problemas. 0 ENIAC tinha condições de armazenar apenas vinte números de dez dígitos a toda programação precisava ser feita reordenando-se a rede elétrica. Em 1952, mais de válvulas tinham sido substituídas: elas começavam a queimar dois minutos depois de ligar-se o equipamento. 0 ENIAC teve vida ativa curta a foi aposentado em

9 Foto do ENIAC MÁQUINA DE VON NEUMANN MEMÓRIA UNIDADE DE CONTROLE ULA ENTRADA SAÍDA DIAGRAMA EM BLOCOS DA MÁQUINA DE VON NEUMANN Outra contribuição importante desta época foi o conceito de programa armazenado, introduzida por John Von Neuman. Von Neuman tinha sido consultor no projeto ENIAC e conhecia os problemas da programação destas máquinas. Os programas para os computadores da época eram feitos através de modificações nos circuitos, o que correspondia a um trabalho de dias para um programa relativamente simples. A proposta de Von Neuman foi inspirada na tecnologia de entrada de dados utilizada na época, fazendo com que os programas fossem introduzidos através de cartões perfurados como se fazia com os dados. John Von Neuman assim desenvolveu a lógica dos circuitos, os conceitos de programa e operações com números binários. Este conceito, adotado nos computadores atual, revolucionou o conceito de programação de computadores da época, tornando muito mais flexíveis e versáteis. O novo conceito de programação introduzido por Von Neuman deu origem a muitos outros projetos nos quais ele próprio esteve envolvido, como por exemplo, o EDVAC (Electronic Discret Variable Automatic Computer), o IBM 650 (o primeiro computador da IBM), e o UNIVAC (Universal Automatic Computer), que foi o primeiro computador a ser fabricado em linha. Juntamente com o ENIAC, ocorreu também o desenvolvimento na área de periféricos de computador com o aparecimento de equipamentos tais como as unidades de fita magnética, impressoras, etc... Em 1961 chegou o primeiro computador no Brasil: um UNIVAC 1105, ainda com válvulas, para o IBGE. 9

10 ª GERAÇÃO TRANSISTOR E MEMÓRIA MAGNÉTICA ( ) Com a invenção do transistor em por John Bardeen, Walter Brattain e William Shockley o mundo dos computadores é tomado de assalto por uma onda de novos projetos que dá origem, na década de 60 a empresas hoje mundialmente conhecidas no que diz respeito à fabricação destas máquinas DEC e IBM. Os Transistores aumentaram a velocidade e a confiabilidade do sistema. Depois dos transistores nunca mais os computadores foram os mesmos, hoje um microprocessador INTEL Pentium 4 chega a possuir (quarenta e dois milhões) de transistores. Transistor Com a segunda geração apareceram as memórias com anéis ferromagnéticos. As fitas magnéticas foram à forma dominante de armazenamento secundário: permitiam capacidade muito maior de armazenamento e o ingresso mais rápido de dados que as fitas perfuradas. Também nesse período houve avanços no que se refere às unidades de memória principal, como por exemplo, a substituição do sistema de tubos de raios catódicos pelo de núcleos magnéticos, utilizado até hoje nos chips de memória RAM. Os dispositivos de memória auxiliar introduzidos na primeira geração continuam a ser utilizados. Esses computadores, além de menores, eram mais rápidos e eliminavam quase que por completo o problema do desprendimento de calor, característico da geração anterior. Exemplos de computadores dessa geração é. O IBM 1401 apareceu na década de 60 e com ele a IBM assumiu uma posição dominante na indústria de computadores. Surgiram também nessa época as primeiras linguagens de programação (Assembly e Fortran). Vemos também nessa época o surgimento dos primeiros sistemas operacionais. Um dos computadores mais comercializados nesta época foi o IBM 7090, que eram comercializados a um custo de três milhões de dólares. Já no início dos anos 60, a IBM passou a produzir os computadores da linha IBM 7040, que eram menos poderosos que seus predecessores, mas de custo bastante inferior. 10

11 ª GERAÇÃO CIRCUITO INTEGRADO E MICROPROCESSADOR ( ) Essa geração é marcada pela substituição dos transistores pela tecnologia dos circuitos integrados (transistores e outros componentes eletrônicos miniaturizados e montados numa única pastilha de silício - o chip). Entrou no mercado em 1961 pela Fairchild Semiconductor e pela Texas Instruments, localizadas no Vale do Silício na região de Palo Alto e Stanford, na Califórnia. A tecnologia dos circuitos integrados, que permitiu a substituição de dezenas de transistores numa única peça de silício, permitiu o surgimento de computadores de menores dimensões, mais rápidos e menos caros. Com esses circuitos integrados o tempo passou a ser medido em nanossegundos (bilionésimos de segundos). Figura comparativa entre os tamanhos dos transistores, integrados e válvulas, respectivamente A tecnologia utilizada na época era a de pequena escala de integração (SSI Small Scale of Integration) com a qual ao redor de mil transistores pode-se integrar no circuito de uma pastilha. O exemplo típico dessa geração foi o IBM 360, série que introduziu o conceito de família de computadores compatíveis, facilitando a migração dos sistemas quando é necessário mudar para um computador mais potente. Esta estratégia permitiu que a IBM se posicionasse, já neste período, como líder do mercado de computadores. IBM 360 Um exemplo típico da 3ª geração de computadores Essa família era composta por seis modelos básicos e várias opções de expansão que realizava mais de 2 milhões de adições por segundo e cerca de 500 mil multiplicações. 11

12 Outra novidade introduzida por esta classe de computadores foi o conceito de multiprogramação, na qual diversos programas poderiam estar residentes na memória da máquina. No caso em que um programa entrasse em espera para uma operação de entrada/saída de dados, a unidade central passava a executar a parte de um outro programa. Podemos também destacar a introdução nos terminais de vídeo e teclado para permitir a interação rápida entre o usuário e o computador. A substituição das fitas magnéticas por discos, também foi uma evolução que permitiu a alteração na ordem de execução de tarefas, até então puramente seqüencial. Os sistemas operacionais surgidos na época podemos destacar: o UNIX (1969) e o CP/M (Control Program Monitor) no final desta fase ª GERAÇÃO VLSI e Computador Pessoal ( ) Durante a década de 70, com a tecnologia da alta escala de integração (LSI Large Scale of Integration) pôde-se combinar até 65 mil componentes em uma só pastilha de silício (chip). Os anos 80, com o grande desenvolvimento da tecnologia de circuitos integrados, o número de transistores podendo ser integrados numa pastilha de silício atingiu a faixa dos milhares e, logo em seguida, dos milhões. Foi assim que surgiram os novos computadores, ainda menores, mais velozes e mais poderosos que aqueles da geração anterior. Na segunda metade da década de 90, houve a passagem da LSI para a VLSI (Very Large Scale of Integration - muito alta escala de integração). As máquinas de todas as gerações têm como característica comum à existência de uma única CPU para executar o processamento. Porém, mais recentemente, já existem computadores funcionando com mais de uma CPU. No início dessa geração nasceu a Intel, que começou a desenvolver o primeiro microprocessador, o Intel 4004 de 4 bits, um circuito integrado com 2250 transistores, equivalente ao ENIAC. Nessa época também surgiram: Os microcomputadores PC (Personal Computer) O sistema operacional DOS (Disk Operation System) As estações de trabalho (workstations) o Apesar de monousuárias, permitem que se executem diversas tarefas concorrentemente, criando o conceito de multitarefa As redes distribuídas (WANs Wide Área Network) se difudiram por todo o mundo As primeiras redes locais (LANs Local Area Network) 12

13 ª GERAÇÃO ULSI (Ultra large scale of Integration) Circuito Integrado 3-D Podemos destacar a evolução desta geração como sendo: Aumento da capacidade de processamento e armazenamento de dados Evolução das aplicações Sistemas especialistas Sistemas multimídia Banco de dados distribuídos Inteligência artificial Redes neurais Componentes: Os principais componentes dos neurônios são: Os dentritos, que tem por função, receber os estímulos transmitidos pelos outros neurônios; O corpo de neurônio, também chamado de somma, que é responsável por coletar e combinar informações vindas de outros neurônios; E finalmente o axônio, que é constituído de uma fibra tubular que pode alcançar até alguns metros, e é responsável por transmitir os estímulos para outras células. 13

14 Célula Neura Esquema de um Neurônio Artificial neurofisiologista McCulloch e matemático Walter Pitts (1943), cujo trabalho fazia uma analogia entre células vivas e o processo eletrônico, simulando o comportamento do neurônio natural, onde o neurônio possuia apenas uma saída, que era uma função de entrada (threshold) da soma do valor de suas diversas entradas. Arquiteturas paralelas, baseadas em organizações de multiprocessadores A arquitetura cliente-servidor aplicada basicamente a redes locais passa a ser oferecida em redes distribuídas, permitindo que qualquer pessoa tenha acesso a todo tipo de informação, independentemente de onde esteja armazenada. 14

15 2 ORGANIZAÇÃO DE UM COMPUTADOR Um microprocessador é usado, junto a outros componentes SVLSI(Very-Large Scale Integration = Integração em Altíssima Escala), para implementar um computador. O microprocessador implementa as funções da unidade de processamento, enquanto os outros componentes fornecem a memória, entrada/saída e outras funções necessárias. A organização lógica de um sistema "computador" é descrita nesta seção e cada uma das funções é explicada. Figura 1 - Organização Lógica de um Microcomputador Todos os computadores de Uso Geral têm a mesma organização lógica básica com as cinco unidades fundamentais, como mostrado na Figura 1. Cada unidade será agora descrita. 2.1 A UNIDADE CENTRAL DE PROCESSAMENTO A Unidade Central de Processamento ou Processador (CPU), é mostrada à esquerda na Figura 2 e inclui duas unidades: a Unidade de Controle (UC) e a Unidade de Lógica e Aritmética (ULA). 15

16 Figura 2 - Chip up Pentium da Intel A Unidade de Lógica e Aritmética processa operações lógicas e aritméticas sobre dados que passam por ela. Os exemplos típicos de funções aritméticas são adição e subtração. Exemplos típicos de operações lógicas são as operações AND (E), OR (OU), NOT (NÃO) e de deslocamento (shift). A principal função da Unidade de Controle é acessar, decodificar e executar as instruções sucessivas de um programa armazenado na memória. A Unidade de Controle sequencia a operação de todo o sistema. Em particular, ela gera e gerencia os sinais de controle necessários para sincronizar operações, bem como o fluxo de instruções de um programa e dados dentro e fora da ULA. A UC controla o fluxo de informações nos barramentos de enderêços e de dados, interpreta e gerencia os sinais presentes no barramento de controle. Um barramento é um meio de transmissão de sinais; barramentos são descritos na próxima seção. Os três barramentos padrões usados para conectar um microprocessador a outros dispositivos são o Barramento de Dados (Data Bus), o Barramento de Enderêço (Address Bus) e o Barramento de Controle (Control Bus). A Unidade de Controle está geralmente conectada à ULA, a quem controla. Lembre-se de que esta combinação (UC e ULA) é conhecida como Unidade Central de Processamento (UCP, ou CPU por tradição). Portanto, um microprocessador é basicamente uma CPU num Chip INTRODUÇÃO E UNIDADES Nos sistemas digitais e sistemas microprocessados trabalhar com o sistema decimal não é conveniente. Utilizando o sistema binário de numeração, podemos representar uma informação com apenas dois valores. Os valores 0 e 1 são utilizados para representar situações lógicas. O estado lógico 0 e o estado lógico 1 são utilizados no estudo de sistemas físicos que assumem dois estados de funcionamento, representando situações como: ABERTO DESLIGADO FECHADO LIGADO 16

17 SEM TENSÃO COM TENSÃO Se 0 representa uma determinada situação, então 1 representa a situação complementar, porém estamos mais acostumados a trabalhar com lógica positiva,como por exemplo: Nível lógico 0 Nível lógico 1 aberto fechado sem tensão com tensão desligado ligado apagado aceso Em eletrônica digital a representação dos níveis discretos de tensão se faz utilizando os algarismos do sistema binário de numeração. No sistema binário somente dois algarismos são utilizados: O e 1 Binário Decimal Quando os símbolos 0 e 1 são usados para representar números binários, cada símbolo é chamado de dígito binário, ou simplesmente de bit. O número binário é chamado de número binário de três dígitos ou de número binário de três bits. As regras de formação de um número em binário são as mesmas que foram utilizadas para o sistema decimal, com exceção de que no sistema binário a base é igual a 2. O resultado da soma é igual ao equivalente no sistema decimal 101 = (1 x 2 2 ) + (0 x 2 1 ) + (1 x 2 0 ) 101 = (1 x 4) + (0 x 2) + (1 x 1) 101 = = basta usar o método do exemplo abaixo: = (0 x 2-1 ) + (1 x 2-2 ) + (1 x 2-3 ) 17

18 ou = (0 x.5) + (1 x 0.25) + (1 x.125) ou = = Em resumo a posição dos dígitos em um número binário têm os seguintes pesos: A menor unidade lógica em um sistema digital é o bit, dizemos ainda que oito bits forma um byte, veja abaixo: 04 bits = 01 nibble 08 bits = 01 byte 16 bits = Word 32 bits = DWord 64 bits = DDWord Ainda temos 2 10 que é igual 1024 bits ou ainda 1Kb, veja abaixo: 1024 bits = 1Kb 1024 byte = 1KB 1MB = 1024 X 1024 B 1GB = 1024 x 1024 x 1024 B 2.2 OS REGISTRADORES DA CPU A CPU contém diversos registradores que são circuitos capazes de receber informações, guardá-las e transferi-las na direção de algum dispositivo de controle. Na verdade, os registradores são algumas posições de memória com as mesmas características das palavras da memória principal. Alguns registradores mais comuns são: (a) - ACUMULADOR - armazena os resultados de um cálculo. (b) - REGISTRADOR DE ENDEREÇO - guarda o endereço de uma locação de memória ou de um dispositivo. (c) - REGISTRADOR DE INSTRUÇÃO - guarda a instrução que deve ser interpretada e executada. (d) - APONTADOR DE INSTRUÇÕES - IP ou PC (Program Counter) - aponta para a instrução a ser executada. (e) - REGISTRADORES DE USO GERAL - guardam diversos tipos de dados. As informações guardadas nos registradores (sequência de bits) podem ser deslocadas para a direita ou para a esquerda dentro do registrador ou, em alguns casos, podem ser transferidas entre dois registradores. O registrador pode guardar informações temporariamente, enquanto outra parte 18

19 da CPU analisa os dados. Operações lógicas (como "and" ou "or") e operações aritméticas (como multiplicação ou divisão) podem ser efetuadas sobre informações contidas nos registradores. O valor de um único dígito, um bit (binary digit), ou a combinação de bits pode ser lida ou gravada (escrita) nos registradores. 2.3 FUNÇÕES DO MICROPROCESSADOR O microprocessador é o circuito mais importante existente em um microcomputador. Tratase de um chip que realiza todo o controle do computador. Comanda a leitura e gravação de dados nos discos, lê e grava dados na memória, executa os programas, recebe dados de dispositivos como o vídeo e a impressora. Para realizar este trabalho, o microprocessador conta com a ajuda de diversos circuitos chamados de INTERFACES (controladoras de periféricos). Todo microprocessador é capaz de realizar operações básicas como: Leitura de dados da memória Escrita de dados na memória Leitura de dados de periféricos de E/S Escrita de dados em periféricos de E/S Operações matemáticas Operações lógicas Comparações e decisões simples Operações com caracteres Desvios na execução de instruções A memória é vista como um grande armazém de dados que pode ser acessado pelo microprocessador em altíssima velocidade. Já a E/S (Entrada e Saída) representa todos os dispositivos pelos quais o microprocessador pode receber e/ou transmitir dados: teclado, vídeo, discos, mouse, impressora, etc. Entre as operações matemáticas executadas pelo microprocessador podemos citar adições, subtrações, multiplicações, divisões, e diversas outras menos usadas na vida cotidiana, mas muito comuns entre as instruções que formam os programas. As principais operações lógicas são: OR, AND e NOT. Com base nesses três operadores é possível formar sentenças lógicas mais complexas. O microprocessador também realiza comparações entre números, descobrindo qual dos dois é o maior, o menor, ou se são iguais. Pode também executar decisões em função dessas comparações: Se A for maior que B, executa um comando; caso contrário executará um comando diferente. Esse tipo de construção é muito freqüente entre as instruções que formam os programas. 19

20 Também podem ser realizadas operações com caracteres. Por exemplo, procurar uma palavra em um texto, trocar todas as ocorrências de um caracter por outro, e diversas operações muito comuns nos programas que realizam processamento de texto. Os desvios também são muito úteis e comuns nos programas. Os programas são seqüências de instruções, mas dependendo dos resultados das operações, o programa pode efetuar uma quebra nesta seqüência, passando a executar uma seqüência diferente. Do ponto de vista microscópico, essas são as principais operações executadas pelos microprocessadores. Deve ficar claro que o usuário não comanda diretamente o microprocessador, e sim os programas. Os programas, por sua vez, é que contêm as instruções para o microprocessador. Portanto, podemos dizer que o usuário comanda o microprocessador apenas de forma indireta. 3 HARDWARE DE UM SISTEMA DE COMPUTAÇÃO PLACA MÃE - MOTHERBOARD A função da placa mãe é interligar o processador a todos os periféricos de um microcomputador. Abaixo podemos ver a estrutura de uma placa mãe, podemos visualizar todos os barramentos, como também as saídas para os periféricos. 20

21 componentes Figura de uma placa mãe para Microcomputador com todos os seus 3.2 INTERFACES PARA CONTROLAR PERIFÉRICOS IDE (Integrated Driver Electronics) IDE (Integrated Drive Electronics) é uma interface que foi criada para conectar dispositivos ao computador. Foi desenvolvida pela Western Digital e pela Compaq em 1986, inicialmente foi muito usada em discos rígidos, a ponto de hoje em dia a pessoa acharem que IDE é uma característica do disco rígido. Dentre outras características, uma bastante interessante é que seu padrão não exige que um controlador externo esteja atuando, por exemplo, o disco rígido. Uma parte do próprio disco rígido é usado no seu controle e dessa forma é poupado desenvolvimento eletrônico. 21

22 Um controlador ou adaptador de disco rígido IDE basicamente conecta diretamente o barramento ISA ao cabo de 40 pinos padrão IDE. Uma máxima de dois discos rígida (um master e outro slave) pode ser conectada a um mesmo controlador. As taxas de transferência de dados variavam de 1 a 160 Mbyte/s quando foram desenvolvidos e eram normalmente limitadas pelo barramento ISA. O comprimento máximo do seu cabo é de 1 m. Possíveis Taxas de Transferência Teóricas do Barramento IDE ATA o single word DMA MByte/s o PIO mode Mbyte/s o single word DMA 1, multi word DMA MByte/s o PIO mode MByte/s o PIO mode 2, single word DMA MByte/s Possíveis Taxas de Transferência do Barramento Ultra-ATA (33 e 133) o 33MByte/s e 133Mbyte/s respectivamente SCSI (Small Computer Systems Interface) controla até 16 periféricos (disco rígido, fita DAT, CD-ROM, scanner, impressora) os quais podem ser interligados ao microcomputador através de uma única controladora. necessita de um adaptador para se conectar no barramento do microcomputador. dados podem ser transferidos de forma síncrona ou assíncrona todas mensagens e comandos são sempre transferidos no modo assíncrono. é multitarefa mais cara. Possíveis Taxas de Transferência do Barramento SCSI 16-bit 8-bit SCSI bus clock (68 wire data (50 wire data cable) cable, Wide SCSI) 5 MHz (SCSI 1) 5 MBytes/s NA 22

23 10 MHz (Fast SCSI, SCSI II) 10 MByte/s 20 MBytes/s 20 MHz (Fast-20, Ultra SCSI) 20 MByte/s 40 MBytes/s 40 MHz (Fast-40, Ultra-2 SCSI) 40 MByte/s 80 MBytes/s Ultra-160 SCSI 160 MByte/s Ultra-320 SCSI 320 Mbyte/s ADB (Apple Desktop Bus) interface serial usado para conectar dispositivos lentos, tais como teclado e mouse uma única porta ADB permite suportar até 16 dispositivos simultaneamente usado no Macintosh normalmente usa um conector DIN de 8 pinos Vista traseira de Macintosh (Podemos notar o conector ADB) USB ( Universal Serial Bus ) ( Barramento Serial Universal ) O barramento físico é composto de um cabo com quatro fios: VBus, D+, D- e GND. O fio VBus é o meio de fornecimento de alimentação para os dispositivos que necessitarem dela. Em um sistema USB, existem hubs e funções que possuem alimentação própria e hubs e funções que são alimentados pelo barramento através de VBus. VBus é nominalmente +5 V. Para aplicações de alta velocidade, os fios D+ e D- são entrelaçados. Os dados são transmitidos através de D+ e D- por meio de diferenças de tensão entre eles. O USB usa uma codificação NRZI. Um benefício do USB associado a jogos é a possibilidade de sentir-se a massa de objetos virtuais e ter-se noção de aceleração em veículos. No fundo, é também um grande passo para simulações realísticas em robótica, devido à grande capacidade de fluxo de dados nos dois sentidos do cabo USB, que mantém um computador apto a receber as últimas novidades tecnológicas em termos de periféricos. 23

24 Características o Número máximo de conexões: 127 o Velocidade: 1,5 ou 12 Mbps o Cabos: compostos por quatro fios, sendo dois para dados, um para energia e um terra. o Comprimento máximo: cinco metros o Maior comodidade para o usuário, que não necessita de configurar o dispositivo, pois o próprio sistema se encarrega desta tarefa; o USB incorpora a filosofia plug-and-play Plug USB FIREWIRE Também conhecido que IEEE 1394, a Sony, Panasonic, Sharp, Canon e JVC foram as primeiras companhias a lançarem produtos com o FireWire (cerca de 7 milhões de codificadores de vídeo digital - MPEG). O mercado de computadores também já está abastecido com modelos da Apple, Compaq, Sony e NEC. Aguardam-se também a oferta de outros modelos de outras companhias líderes. Atualmente, a Castlewood Systems desenvolve um drive de disco que recebe diretamente a massa de dados de uma câmera digital, que promete eliminar o uso de fitas num estúdio de vídeo de alta qualidade. o o Características Conexões simultâneas: 63 periféricos Velocidade: 400 Mbps 24

25 3.2.6 ATAPI (ATA Packet Interface) desenvolvida pela Western Digital em é uma interface mais rápida que a paralela e mais lenta que a SCSI controla CD-ROM, fita magnética, discos ópticos é um padrão desenvolvido para dispositivos como CD-ROM e fita magnética poderem ser conectados numa simples placa IDE/ATA a principal vantagem dos hardwares ATAPI é que eles são baratos e podem ser ligados ao PC através de um adaptador IDE ou EIDE foi desenvolvida para corrigir o problema da ATA que controlava somente hard disks extensão da IDE 4 periféricos 3.3 CHIP SET de Placas Mãe (MotherBoard) De uma forma simples, o chipset é o conjunto de componentes que estabelecem a interface entre a CPU (mais propriamente o seu barramento local) e os restantes barramentos/componentes, desde as memórias aos controladores de periféricos. Como se pode concluir, a função do chipset é bastante importante no desempenho do sistema, pelo que é aconselhável conhecer alguns dos detalhes associados à definição da respectiva arquitetura. De uma forma simples, se os grandes componentes como a CPU, a memória e os controladores de I/O forem representados por edifícios, o chipset representará toda a infra-estrutura rodoviária necessária para interligar aqueles edifícios! Abaixo podemos identificar o chip M1541 como ChipSet Norte faz a interface com as memórias a barramento AGP. O chip M1543 é responsável pela interface com IDE Primária, USB, IDE Secundária, teclado, mouse, barramento ISA, etc. 25

26 Diagrama em blocos de um ChipSet Exemplos de Chip Set: i430tx Via Apollo MVP3 Aladdin V SiS5591 i440lx i440bx 3.4 SOQUETES DAS PLACAS MÃE PARA MICROPROCESSADOR Microprocessadores que usam o Socket 7: Pentium Pentium MMX K6 Cyrix 26

27 Microprocessadores que usam o Slot 1: Pentium II Pentium III Celeron Microprocessadores que usam o Slot A: Athlon Microprocessadores que usam o Slot FCPGA: Pentium III 3.5 BIOS (BASIC INPUT/OUTPUT SYSTEM) Num PC existe um circuito integrado intrínseco à placa mãe, e que contém software para o computador (o BIOS), imprescindível para o funcionamento do sistema, mas que, dada a sua natureza imutável, pode implicar algumas limitações. Como exemplo, quando surgiram discos rígidos de elevada capacidade, as dificuldades no seu suporte deveram-se a limitações da BIOS. A BIOS como uma memória só de leitura (ROM - Read Only Memory), mas que pode ser reprogramada, sob condições especiais. Por ser constituído por rotinas de software diretamente programadas no hardware, o BIOS é freqüentemente classificado como firmware. Flash BIOS - designação dada a um BIOS incorporado num tipo de memória que permite a sua reprogramação no próprio local. Desta forma, é possível obter um arquivo (por exemplo, via Internet) com um upgrade do BIOS e, utilizando um utilitário dedicado que deve ser fornecido com a placa mãe, fazer a atualização, muito prático, mas muito perigoso. Para além das rotinas de suporte aos diversos controladores de portas de entrada/saída, o BIOS inclui ainda os programas de SETUP, POST e BOOT: SETUP: permite programar alguns registros dos componentes físicos e modificar os parâmetros das rotinas do BIOS, de forma a adequá-los às memórias e periféricos específicos utilizados num dado sistema. Naturalmente, a utilização consciente deste programa e de forma a explorar a total capacidade do sistema exige, por parte do programador, um conhecimento efetivo dos diversos componentes. POST: é o acrônimo de Power-On Self Test, que designa um conjunto de rotinas desenvolvidas para testar e diagnosticar o funcionamento da placa mãe. O POST é 27

28 executado imediatamente após ligar o sistema e, caso detecte um erro, abortará o processo de arranque devido ao mau funcionamento detectado num dos componentes físicos. A comunicação do POST com o utilizador é feita, tipicamente, pelo alto-falante da placa mãe, que emitirá uns bips" se não forem detectados erros, ou uma determinada seqüência de "bips" de duração variável, conforme o erro detectado. O código de bips consta em documentação técnica, normalmente disponível nos sites do fabricante da BIOS. Nota: Para além dos "bips", o POST envia também para o barramento códigos binários que permitem mais facilmente observar a sua evolução. Existem comercialmente disponíveis placas que permitem capturar esses valores binários e que constituem uma excelente ferramenta de diagnóstico. BOOT: é o programa que, após a conclusão do POST, procura numa determinada posição de um HD um bloco de "informação" com um determinado formato, que se pressupõe conter o programa de arranque de um Sistema Operacional. Após a execução desse programa o controle passa para o Sistema OPeracional, as rotinas do BIOS apenas serão utilizadas pelo Sistema Operacional para acessar aos dispositivos físicos. 3.6 MEMÓRIA RAM: é uma memória volátil, que permite leitura e gravação. Existe RAM Estática e RAM Dinâmica. RAM Estática: a informação é armazenada em transistores e consome bastante energia. RAM Dinâmica: a informação é armazenada em capacitores e necessita de refrescamento periódico para regenerar a informação MEMÓRIA PRINCIPAL A Memória Principal é composta por memórias RAM Dinâmica MEMÓRIA CACHE É uma memória de altíssima velocidade de acesso. 28

29 Normalmente são usados para se executar grandes programas a velocidades altas. Para se conseguir isso é feito uma combinação do conceito de Memória Virtual com o conceito de hierarquia de níveis de memória (com base nas suas velocidades de acesso). O funcionamento da combinação de Memória Virtual e dos níveis de memória permite dividir o programa em pequenos blocos de tal forma que a Cache armazena os blocos usados com maior freqüência, a RAM os com alta e média freqüência de uso e os demais blocos ficam na Memória Auxiliar. O resultado efetivo é um aumento na velocidade de processamento (melhor desempenho) MEMÓRIA SECUNDÁRIA É a memória que fica armazenada em fita magnética, disco magnético, disco óptico, etc Normalmente é de 4 a 6 vezes mais lenta que a Memória Principal. A figura abaixo representa a Hierarquia das Memórias em um Microcomputador Quanto mais subimos em direção ao topo da memória mais alta é a velocidade. Quanto mais subimos em direção ao topo da memória mais caro essas memórias ficam (preço por byte aumenta). Quanto mais subimos em direção ao topo da memória menor são os tamanhos dessas memórias DISCOS RÍGIDOS Introdução 29

30 Composto por um conjunto de pratos cobertos por uma camada magnética, arranjados de uma forma que seus centros estejam alinhados. Cada prato é logicamente subdividido em círculos concêntricos, denominados trilhas, cada trilha é subdividida em setores. Veja a figura abaixo. Os conjuntos formados pelas trilhas, dos diversos pratos, de mesmos raios dão se o nome de cilindro. Veja a figura abaixo. O transdutor responsável pela leitura e gravação de dados é denominada cabeça magnética, em um disco existe duas cabeças para cada prato, um por lado.todas as se movem juntas. O disco gira em uma velocidade constante em torno de 4500 a rpm, quanto maior essa velocidade de rotação maior é a capacidade de leitura e gravação do disco rígido. Mas a performance de um disco rígido depende também do tempo de posicionamento da cabeça 30

31 chamado de tempo de seek, tempo de gasto para o posicionamento da cabeça sobre o setor desejado chamado de latência rotacional e o tempo de transferência do disco para a cabeça chamado de tempo de transferência. Veja exemplo abaixo. Exemplo de cálculo de tempo de acesso de um disco rígido Determine a taxa de transferência de um disco rígido, considerando: o tempo de latência médio com o disco girando a rpm; o tempo de busca ("seek time") igual à metade do tempo de latência médio; o tempo de 800 ms para transferência de 2 Mbytes de dados. Informações Técnicas: por segundo. Taxa de Transferência: número de bytes transferidos do disco para a Memória Principal, Taxatransferência= bytes transferidos / tacesso tacesso = tseek + tlatência + ttransferência onde: tseek é o tempo que a unidade despende para posicionar o cabeçote de leitura e gravação sobre o cilindro desejado. tlatência é o tempo despendido na espera pelo setor desejado; varia de 0 a 16,67 ms para disco girando a rpm. ttransferência é o tempo despendido na transmissão dos dados (leitura ou gravação) rpm - 16,67 ms 4800 rpm x É relação inversa. Logo, x = ( ,67) / 4800 x = 12,50 ms Para 4800 rpm varia de 0 a 12,50 ms. Na média: tlatência = 12,50 ms / 2 tlatência = 6,25 ms tseek = 1/2 tlatência médio = 1/2. 6,25 ms 31

32 tseek = 3,125 ms tacesso = tseek + tlatência + ttransferência tacesso = 3,125 ms + 6,25 ms ms tacesso = 809,375 ms Taxatransferência = 2 Mbytes/809,375 ms Taxatransferência = 2,47 Mbytes/s 3.7 BARRAMENTOS INTRODUÇÃO O termo barramento (bus) refere-se aos percursos entres os componentes de um computador. Há dois barramentos principais em um computador: o barramento de dados e o barramento de endereços. O mais conhecido é o barramento de dados, portanto, quando as pessoas falam apenas "barramento", em geral estão querendo referir-se ao barramento de dados. Barra ment os de O barramento de endereços transporta apenas endereços de memória. O seu número de linhas determina o número máximo de endereços de memória. Os primeiros PCs tinham um barramento de endereços de 20 bits, de forma que a CPU podia endereçar 2 20 bits, ou 1 MB de dados. Hoje, com barramentos de endereços de 32 bits, é possível endereçar 4 GB de memória. O MS-DOS foi idealizado para máquinas que só podiam endereçar 1 MB de memória. Com a evolução do hardware, artifícios foram criados para conseguir endereçar mais de 1 MB de memória (memória estendida e memória expandida). 32

33 Quando a IBM apresentou o PC-AT (Advanced Technology), as melhorias mais significativas foram um barramento aperfeiçoado, que atendia as potencialidades de um novo processador, o Esse barramento foi denominado ISA (Industry Standard Architecture). Para que um programa possa desenhar no monitor uma figura com resolução de 1024 x 768 pixels com 256 cores, precisa manipular uma memória de vídeo de 768 KB. Sendo uma quantidade de memória grande para vídeo, acessada através do lento barramento ISA ocorria uma degradação de desempenho em todas as operações de formação de telas. Depois da placa de vídeo, o disco rígido foi o segundo dispositivo a sofrer com a lentidão do barramento ISA. Discos cada vez mais velozes esbarravam na lenta taxa de transferência de 8 MHz com apenas 16 bits. Foram criados novos discos capazes de transferir dados em 32 bits a velocidades altíssimas, mas toda esta velocidade não adiantava muito, pois os dados precisariam passar através do lento barramento ISA. Mais tarde, a IBM laça então o barramento MCA (Microchannel Architecture), uma nova arquitetura de barramento para tirar proveito das CPUs de 32 bits. Essa nova arquitetura de barramento era significativamente mais rápida que o barramento ISA. Entretanto as placas de expansão ISA não eram compatíveis com o barramento MCA, tendo a IBM quebrado a tendência de compatibilidade ascendente. Em resposta ao MCA, um grupo de fabricantes de hardware juntou-se para desenvolver um barramento de 32 bits alternativo mas que ainda aceitasse placas de expansão ISA. Este barramento tornou-se conhecido como EISA (Extended Industry Standard Architecture). O EISA era mais rápido que o ISA, mas não tão rápido quanto o MCA - o custo de sua compatibilidade com as antigas placas de expansão de 16 bits. As arquiteturas ISA e EISA tinham muitas diferenças, mas a forma como a memória e a CPU eram acessadas era praticamente a mesma. Em sistemas que experimentam níveis muito altos de tráfego em seus barramentos, a latência envolvida em operações de E/S e processamento de dados pode se tornar muito pronunciada, podendo ocorrer "time out". Essas situações podem ocorrer com adaptadores de rede ou controladoras SCSI, podendo haver perda ou corrupção dos dados. Percebendo-se isso, alguns fabricantes apresentaram soluções bem originais para este problema, simplesmente colocando na própria placa de CPU todos os circuitos da placa de vídeo. A comunicação entre a CPU e a memória de vídeo podia ser feita de forma direta, sem encontrar pelo caminho o lento barramento ISA. Esta técnica era chamada de Local Bus, e resultava em um considerável aumento de desempenho. No final de 1992 criou-se a VESA "A" Local Bus (Video Eletronics Standards Association) para desviar o tráfego mais intenso, como vídeo, com um barramento local conectado diretamente ao barramento da CPU. Este barramento foi criado tendo em vista aumentar a velocidade de transferência de dados entre a placa de CPU e a placa SVGA, mas outras placas de expansão também poderiam utilizá-lo. Desta forma, o barramento de dados não teria problemas com um tráfego tolerável entre os dispositivos periféricos. Não necessitava de chips especiais como era o 33

34 caso do EISA, era uma arquitetura aberta ao contrário do MCA, e tratava-se de um padrão industrial, uma grande vantagem sobre os barramentos proprietários. É fisicamente representada por um conector especial de expansão. Havia um problema inerente à conexão de dispositivos diretamente ao barramento da CPU: a interface entre o barramento da CPU e o barramento VESA era dependente da CPU. Isso implicava em que, ao fazer o upgrade da CPU, havia necessidade de fazer o upgrade da placa VESA em conjunto. Com a evolução dos processadores, o padrão VESA "A" foi se tornando relativamente cada vez mais lento. Para resolver o problema de latência do barramento inerente a essa situação, foi criado um virtual local bus e conectado ao barramento da CPU via buffer. Essa solução ficou conhecida como VESA "B". Os buffers permitiam que os sinais fossem armazenados por breves períodos, enquanto o barramento estivesse ocupado. Mesmo assim, havia outros problemas: o que aconteceria quando mais de um dispositivo necessitava utilizar o barramento da CPU ao mesmo tempo? Aconteceria uma arbitragem e apenas um dispositivo utilizaria o barramento enquanto os demais aguardariam a sua liberação. Com isso, poderia ocorrer uma latência e o sistema poderia operar ineficientemente. Surge então o barramento PCI (Peripheral Component Interconnect). A arquitetura PCI é semelhante a VESA quanto à conexão ao local bus da CPU, mas é muito mais elegante e completa ao utilizar uma ponte PCI-HOST, um dispositivo de cache que provê uma única interface entre a CPU, memória e o PCI local bus. A arquitetura PCI permite que a CPU continue a buscar informação do cache enquanto o controlador de cache possibilita a um dispositivo de expansão acessar a memória do sistema, ou seja, operações concorrentes no mesmo barramento. Outra grande vantagem do barramento PCI é que até 256 dispositivos podem ser atachados a um único PCI local bus, e 256 barramentos PCI podem existir em um único sistema. O barramento AGP (Accelerated Graphics Port) é uma nova porta ou slot introduzida no chipset LX do Pentium II (na placa mãe), para prover uma conexão de grande largura de banda entre a memória do sistema e o subsistema gráfico. Com isso, removeu-se o acelerador gráfico do gargalo do barramento PCI, liberando este e consequentemente aumentando a largura de banda para operações de E/S e tráfego de rede BARRAMENTO ISA (INDUSTRY STANDARD ARCHITECTURE) o Características Foi o primeiro barramento de expansão a aparecer. 34

35 No PC XT o barramento de dados era de 8 bits, com freqüência de operação de 5,33 Mhz. Taxa de transmissão de 5 Mbytes /s (Taxa de transferência = freqüência de operação x número de bits 8) Com a introdução do micro AT da IBM, o barramento e o slot aumentaram de tamanho. Barramento de dados de 16 bits. Barramento de endereços de 24 bits. Freqüência de operação de 8 MHz. Para manter compatibilidade, o slot ISA foi divido em dois: uma parte 100% compatível com o slot ISA de 8 bits utilizado pelo XT; e uma pequena extensão, contendo as linhas de dados, endereços e controles adicionais. Para a comunicação do barramento ISA com o barramento local, há um circuito próprio para o interfaceamento, chamado controlador de barramento ISA. Está integrado ao chip-set. o Recursos Endereços de I/O: 1KB (de 000h a 3FFh). Interrupções: 15 linhas. Canais de DMA: 7 canais. O esquema de interrupções usado por placas ISA não permite o compartilhamento de interrupções e canais de DMA. O número limitado de recursos disponíveis para o barramento ISA torna a chance de conflito entre duas ou mais placas relativamente grandes. Suporta no máximo de 08 periféricos (versão de 8 e 16 bits) Não permite Plug and Play. O barramento ISA só continua existindo apenas por motivos de compatibilidade. Figura 2 35

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38 BARRAMENTO ISA desenhos ilustrativos 38

39 o Pinagens Parte 1 - Porção A/B Sinal Nome Pino E/S Descrição A0-A19 A0-A19 A31 S Barramento de endereços (sinal A0 pino A31, sinal AEN ALE Address Enable Address Latch Enable a A19 pino A12). A12 A11 S Quando ativo, este sinal indica que a operação executada no barramento é de DMA. Devemos utilizar este sinal em nossos protótipos de modo que o decodificador não capture um dado erroneamente durante uma operação de DMA do micro. A11 S Indica que há um endereço válido no barramento de endereços. Não é ativado durante operações de DMA. 7CLK Clock B20 S Clock do barramento ISA, de 8 MHz. Ele não é D0-D7 D0-D7 A9 a /DACK1 /DACK2 /DACK3 DRQ1 DRQ2 DRQ3 /I/O CH CK DMA Acknowledge 1 DMA Acknowledge 2 DMA Acknowledge 3 DMA Request 1 DMA Request 2 DMA Request 3 I/O Channel Check E/S simétrico, apresentando um ciclo de carga de 33%, ou seja, 1/3 em nível alto e 2/3 em nível baixo. Barramento de dados (D0 pino A9, D7 pino A2). A2 B17 S Indica que o pedido de DMA 1 foi aceito e que o controlador de interrupção irá iniciá-lo. B26 S Indica que o pedido de DMA 2 foi aceito e que o controlador de interrupção irá iniciá-lo. B15 S Indica que o pedido de DMA 3 foi aceito e que o controlador de interrupção irá iniciá-lo. B18 E Faz um pedido de DMA nível 1 ao controlador de DMA. B6 E Faz um pedido de DMA nível 2 ao controlador de DMA. B16 E Faz um pedido de DMA nível 3 ao controlador de DMA. A1 E Ativando este sinal, gera-se uma interrupção nãomascarável (NMI). É ativado em situações de erro, como erro de paridade (Obs: este sinal deve ser utilizado com um circuito de coletor aberto). 39

40 /I/O CH RDY I/O Channel Ready A10 E Gera wait states para operações de I/O ou de memória. Se o circuito necessitar de wait states, basta ativar esta linha após a decodificação do endereço e dos sinais /MEMR, /MEMW, /IOR ou /IOW. Devemos temporizar esta linha com muito cuidado, para não inserirmos wait states desnecessários (Obs: este sinal deve ser utilizado com um circuito de coletor aberto). /IOR I/O Read A14 S Indica que uma leitura em I/O está sendo executada. É ativado também durante ciclos de DMA. /IOW I/O Write A13 S Indica que uma escrita em I/O está sendo IRQ3 IRQ4 IRQ5 IRQ6 IRQ7 IRQ9 /MEMR /MEMW Interrupt Request 3 Interrupt Request 4 Interrupt Request 5 Interrupt Request 6 Interrupt Request 7 Interrupt Request 9 Memory Read Memory Write executada. É também ativado durante operações de DMA. B25 E Faz um pedido de interrupção nível 3 ao controlador de interrupções. B24 E Faz um pedido de interrupção nível 4 ao controlador de interrupções. B23 E Faz um pedido de interrupção nível 5 ao controlador de interrupções. B22 E Faz um pedido de interrupção nível 6 ao controlador de interrupções. B21 E Faz um pedido de interrupção nível 7 ao controlador de interrupções. B4 E Faz um pedido de interrupção nível 9 ao controlador de interrupções. B12 S Indica que está sendo executada uma operação de leitura em memória. É também ativado durante operações de DMA. B11 S Indica que está sendo executada uma operação de escrita em memória. É também ativado durante operações de DMA. OSC Oscilador B30 S Sinal com freqüência de 14, MHz, utilizado para a sincronização do vídeo CGA. Não é sincronizado com o clock do micro, portanto 40

41 cuidado. RESET DRV Reset Driver B2 S Sinal de reset do sistema. TC Terminal Count B27 S Indica que um dos canais de DMA acabou de realizar a transferência de DMA programada. +5V +5V B3, S +5V B29-12V -12V B7 S -12V -5V -5V B5 S -5V GND Terra B1, S Terra B10, B31 Sinais precedidos do símbolo "/" são ativados em nível "0". Parte 2 - Porção C/D Sinal Nome Pino E/S Descrição A17-A23 A17-A23 C8 a C2 S Barramento de endereços, parte alta. Estas linhas não são válidas durante todo o ciclo do barramento, por isto devemos utilizar um latch para armazenarmos seus valores (sinal A17 pino C8, sinal A23 pino C2). D8-D15 D8-D15 C11 a E/S Barramento de dados, parte alta (sinal D8 pino C11, sinal D15 pino C18). C18 /DACK0 DMA Acknowledge D8 S Indica que o pedido de DMA 0 foi aceito e que o controlador de interrupção irá iniciá-lo. 0 /DACK5 DMA Acknowledge D10 S Indica que o pedido de DMA 5 foi aceito e que o controlador de interrupção irá iniciá-lo. 5 /DACK6 DMA Acknowledge D12 S Indica que o pedido de DMA 6 foi aceito e que o controlador de interrupção irá iniciá-lo. 6 /DACK7 DMA Acknowledge D14 S Indica que o pedido de DMA 7 foi aceito e que o controlador de interrupção irá iniciá-lo. 7 DRQ0 DMA Request 0 D9 E Faz um pedido de DMA nível 0 ao controlador de DMA. DRQ5 DMA Request 5 D11 E Faz um pedido de DMA nível 5 ao controlador de DMA. DRQ6 DMA Request 6 D13 E Faz um pedido de DMA nível 6 ao controlador de DMA. DRQ7 DMA D15 E Faz um pedido de DMA nível 7 ao controlador de 41

42 /IOCS16 IRQ10 IRQ11 IRQ12 IRQ14 IRQ15 Request 7 I/O Chip Select 16 bits Interrupt Request 10 Interrupt Request 11 Interrupt Request 12 Interrupt Request 14 Interrupt DMA. D2 E Indica que haverá uma transferência de 16 bits no barramento de dados, utilizando endereçamento em I/O (Obs: este sinal deve ser utilizado com um circuito de coletor aberto). D3 E Faz um pedido de interrupção nível 10 ao controlador de interrupções. D4 E Faz um pedido de interrupção nível 11 ao controlador de interrupções. D5 E Faz um pedido de interrupção nível 12 ao controlador de interrupções. D7 E Faz um pedido de interrupção nível 14 ao controlador de interrupções. D6 E Faz um pedido de interrupção nível 15 ao Request 15 controlador de interrupções. /MASTER Master D17 E Este sinal é ativado quando queremos que algum /MEMCS16 /MEMR /MEMW SBHE Memory Chip Select 16 bits Memory Read Memory Write System Bus High Enable outro dispositivo assuma o controle do barramento (bus master). Deve ser acionado em conjunto com o sinal DRQ. Quando o sinal /DACK correspondente for devolvido, todos os circuitos conectados ao barramento são colocados em tri-state, permitindo que o dispositivo manipule o barramento como bem entender. O novo mestre de barramento deverá obedecer aos sinais de temporização e devolver o controle no máximo em 15 m s. D1 E Indica que haverá uma transferência de 16 bits no barramento de dados, utilizando endereçamento em memória (Obs: este sinal deve ser utilizado com um circuito de coletor aberto). C9 S É ativado quando é feita uma leitura em uma posição de memória acima de 1 MB. C10 S É ativado quando é feita uma escrita em uma posição de memória acima de 1 MB. C1 S Indica que a transferência de dados utilizará a parte alta do barramento de dados (D8-D15). Este sinal e A0 são decodificados para informar que tipo de transferência será efetuada (vide tabela). +5V +5V D16 +5 V Pino = conector de encaixe físico da placa 42

43 Sinais precedidos do símbolo "/" são ativados em nível "0". SBHE A0 Função 1 0 Transferência de 16 bits 1 1 Transferência do byte alto 0 0 Transferência do byte baixo 0 1 Inválido BARRAMENTO PCI (Peripheral Component Interconnect) O barramento PCI ( Peripheral Component Interconnect ) foi criado originalmente durante o desenvolvimento do microprocessador Pentium, pela INTEL em conjunto com outros fabricantes, porém, algumas Placas 486 também possuem o slot PCI. Este barramento possui duas versões, que estão abaixo mostradas: Versão 1.0 Baseado no projeto "VESA Local Bus",conhecido como VLB, era considerada um tipo de barramento local e não barramento principal, tais como: ISA, EISA (Este barramento foi feito especificamente de modo que placas para barramento ISA possam nele ser plugados, bem como novas placas com capacidade para 32 bits de dado) e MCA(sistemas PS/2 de topo de linha da IBM). o Característica Utilizado a 33 MHz; Possui largura de 32 bits em uma conexão de 124 pinos; Desempenho calculado = 32 (bits) x 33 (MHz) / 8 (bits) = 132 MB/s; Suporta muitos dispositivos Versão 2.0 o Características Projetado para ser independente do microprocessador; Sincronizado com o Clock do microprocessador de 20 a 33 MHz; Possui largura de 64 bits em uma conexão de 188 pinos; 43

44 Desempenho calculado = 64 (bits) x 33 (MHz) / 8 (bits) = 264 MB/s; Os slots PCI de 64 bits são um pouco maiores que os de 32, sendo que nas placas atuais o segundo tipo é mais utilizado. As placas de expansão PCI possuem um recurso muito interessante, além da sua elevada velocidade de transferência de dados. Trata-se da autoconfiguração obtida com o padrão PnP (Plug and Play). Essas placas são reconhecidas e configuradas automaticamente pelo BIOS (todas as placas de CPU equipadas com slots PCI possuem um BIOS PnP) e pelo sistema operacional sem necessitarem que o usuário precise posicionar jumpers para realizar manualmente a sua configuração, como ocorria com as placas de expansão até pouco tempo atrás. Essa autoconfiguração ocorre pois existe uma EEPROM especial que contém informações sobre o endereço e a interrupção(irq). Dispositivos PCI são projetados para permitir o compartilhamento de uma mesma IRQ pois as manipulam de forma diferente. Se for necessário usar uma interrupção normal, o chipset (ou BIOS) mapeará a interrupção para uma interrupção normal do sistema (normalmente usando alguma interrupção entre a IRQ 9 e IRQ 12) Clock externo e interno do microprocessador O clock externo é sempre igual a uma fração do clock interno. Esta fração pode ser 2/3, 1/2, 2/5, ou 1/3 dependendo do valor do clock interno. Estas divisão é feita pelo microprocessador. Clock do barramento PCI, o clock do barramento PCI é sempre igual à metade do clock externo do microprocessador que é feita por um VLSI(chip responsável pela integração dos componentes) que controla o acesso ao barramento PCI. Clock Interno Fração Clock Externo Clock PCI 75 MHz 2/3 50 MHz 25 MHz 100 MHz 2/3 66 MHz 33 MHz 133 MHz 1/2 66 MHz 33 MHz 150 MHz 2/5 60 MHz 30 MHz 166 MHz 2/5 66 MHz 33 MHz 200 MHz 1/3 66 MHz 33 MHz O barramento PCI é o barramento mais utilizado atualmente, já que ele é muito mais rápido que os barramentos ISA, tem como vantagem o fato de trabalhar independentemente do processador ( trabalhar paralelamente a ele), além de possuir uma grande compatibilidade, uma 44

45 vez que ele não funciona para computadores com processador Pentium, diferentemente dos barramentos intermediários entre ele e o ISA. Inclusive, nas placas atuais o barramento ISA é acessado através do barramento PCI. Agora serão relacionadas as características principais deste barramento : Bus mastering - O periférico pode controlar o barramento e acessar memória sem a interferência do processador, como em DMA. Plug-And-Play (previamente explicado) Modelos 32 bits a 33MHz (mais utilizados - taxa de transferência de 132 MBytes/s) 64 bits a 66MHz (264 Mbytes/s) 32 bits a 33MHz (264 Mbytes/s) 64 bits a 66MHz (528 Mbytes/s) Slots de 5V (mais comuns) e 3,3 V (66MHz utiliza sempre esta tensão). Existem placas específicas ou universais. Outra vantagem ocorre em relação ao tamanho da placa, uma vez que ela se torna menor do que uma placa ISA, desta maneira ocupando um espaço menor dentro do gabinete, o que resulta em uma melhor circulação de ar no interior dele, possibilitando que o processador tenha um menor aquecimento, não só prolongando desta maneira sua vida útil, como também possibilitando uma redução na energia consumida pelo microcomputador. Até pouco tempo, a maioria dos PCs equipados com processadores Pentium e superiores utilizavam placas de vídeo PCI. Depois da criação do barramento AGP, placas de vídeo AGP têm se tornado cada vez mais comuns, sendo que as vantagens deste tipo de barramento serão explicadas adiante. Além das placas PCI para vídeo(caso de placas VGA e SVGA), podemos utilizar esse barramento possui outros tipos de placa, como por exemplo: Placa de rede PCI Digitalizadoras de vídeo PCI Controladoras SCSI PCI Placas de som PCI Placas de modem PCI 45

46 Exemplo: Placa de video Pinagem do Pci: PCI Universal Card 32/64 bit PCI Component Side (side B) optional mandatory 32-bit pins 64-bit pins ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ b01 b11 b14 b49 b52 b62 b63 b94 PCI 5V Card 32/64 bit optional mandatory 32-bit pins 64-bit pins PCI 3.3V Card 32/64 bit optional mandatory 32-bit pins 64-bit pins Características dos pinos: PIN EDGE CONNECTOR at the computer. 46