Organização de Computadores. Representação da Informação Bit - Byte Caracter Palavra Registro - Arquivo

Transcrição

1 Organização de Computadores Capítulo 3 Representação da Informação Bit - Byte Caracter Palavra Registro - Arquivo Material de apoio

2 2 Esclarecimentos Esse material é de apoio para as aulas da disciplina e não substitui a leitura da bibliografia básica. Os professores da disciplina irão focar alguns dos tópicos da bibliografia assim como poderão adicionar alguns detalhes não presentes na bibliografia, com base em suas experiências profissionais. O conteúdo de slides com o título Comentário seguido de um texto, se refere a comentários adicionais ao slide cujo texto indica e tem por objetivo incluir alguma informação adicional aos conteúdo do slide correspondente Bibliografia básica: MONTEIRO, Mário A.. Introdução à organização de computadores. 5.ed. Rio de Janeiro: LTC, PATTERSON, A.D.E.; HENNESSY, L.J.. Organização e projetos de computadores: a interface hardware/software. São Paulo: Campus, STALLINGS, William. Arquitetura e organização de computadores : projeto para o desempenho. São Paulo: Pearson Education, TANENBAUM, Andrew S. Organização estruturada de computadores. 5ª ed. São Paulo: Pearson Prentice Hall, 2009.

3 Representação da informação Bit - Byte Caracter Palavra

4 4 Representação da informação % m f? 2 A C 1 6 Nos comunicamos através de $ palavras compostas por letras, números e símbolos. A grande questão para os cientistas foi:???? Como utilizar a mecânica, a eletricidade, a eletrônica para realizar as atividades (pensamento, cálculo, lógica, etc) de um ser humano?

5 5 Representação da informação O homem então criou uma forma de fazer o computador receber dados (Entrada), transformar estes dados (Processamento) e exibir resultados (Saída), chamada Base Binária Com este método, tornou-se armazenável e trafegável em um computador seu menor valor possível (que para o homem seria um número, uma letra ou um símbolo) o qual foi chamado de Binary Digit (Digito Binário) ou simplesmente Bit

6 6 Representação da informação 1 A? % R $ 4 Caracteres O homem então criou um mundo paralelo para a computador com um linguagem própria e universal baseada na forma do ser humano agir Bit Palavras Ouvindo, Cheirando, Enxergando, Sentindo, etc. ENTRADA Mouse, Teclado, Webcam, Pen Drive, Rede, etc. Byte ou Caractere Frases Atividades do cérebro, pensamento PROC. DADOS Cálculos Aritméticos e Lógicos Palavra Textos Livros Falando, Escrevendo, Manipulando, etc. SAÍDA Monitores, Impressora, Webcam, Som, Rede, etc. Registro Arquivo Ciclo de Processamentos de Dados

7 7 Representação da informação COMPARAÇÃO DE ESTRUTURAS Computadores Linguagem Humana Bit Caractere Byte e Caractere Palavra Palavra Frases Registro Textos Arquivo Livros Banco de Dados -

8 8 Representação da informação Através do Software (Programas, Aplicações, Sistemas) pôde-se traduzir a linguagem binárias dos Hardware (Elétrico-eletrônicas) para a linguagem do homem ou Peopleware e, a partir deste ponto, o computador passou a interagir e a comunicar-se, inclusive evoluiu ao ponto de atualmente realizar tarefas até então somente possíveis para nós, seres humanos. 2 f C 1 % 6? $ f C 21 % 6? $ Exemplos: Robôs de linha de montagem de uma montadora de automóveis, de uma indústria farmacêutica na embalagem de produtos, etc.

9 9 Representação da informação Processador ou CPU Cálculos, Lógica e controle. Memória Principal Apoio na velocidade do processador. Poderíamos comparar às atividades principais que o Cérebro processa instantaneamente, ou seja, no momento Dispositivos de E/S (Incluindo Memória Auxiliar) Apoio no registro de conteúdo, informações e demais dados que não ficar retidos na memória principal. Seriam as demais atividades do corpo humano, inclusive parte de cérebro que seria a memória do homem propriamente dita

10 10 Representação da informação E o que liga todos estes componentes? Qual é o elemento responsável pela ligação dos componentes? Placa Mãe Quem estabelece o caminho de comunicação entre dois ou mais dispositivos? Barramentos

11 11 Representação da informação Sistemas de numeração são formas de representação de valores. NÃO POSICIONAIS POSICIONAIS o valor do símbolo numérico não depende da sua posição no número o valor do símbolo numérico depende da posição em que está inserido numerais romanos o símbolo X vale 10 em qualquer posição em que estiver no número, seja XII, IX ou LXV numerais decimais o símbolo 4 dentro do número 425 significa o valor 400, mas no número 348 significa 40

12 12 Representação da informação Cotidianamente trabalhamos com o sistema posicional decimal, assim chamado por ter dez símbolos: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9. Uma das explicações históricas para o sucesso desse sistema reside no fato de os seres humanos terem 10 dedos, o que facilitava, nos primórdios de nossa civilização, a tarefa de contar carneiros, bois, pedras, pessoas, etc. Contar com os dedos é algo natural até os dias de hoje, sendo o primeiro exercício matemático a que nos submetemos desde o nosso nascimento. Basta perguntar a idade a uma criança de 3 anos, e ela responderá mostrando 3 dedos da mão. Como tem dez símbolos, dizemos também que esse é um sistema de base 10.

13 13 Representação da informação Apesar de utilizarmos com maior frequência o sistema posicional decimal de numeração, os computadores são máquinas que trabalham com outro sistema: O sistema posicional de base 2 ou binário, o qual é composto de apenas dois símbolos: os símbolos 0 e 1. Para entendermos a razão do emprego do sistema binário nos sistemas computacionais é necessário refletirmos acerca da constituição física do computador. Um computador nada mais é senão uma máquina constituída por uma série de dispositivos eletrônicos devidamente conectados de forma a processar entradas (dados) e gerar resultados (informações). Em termos físicos, a única coisa que realmente trafega entre esses dispositivos eletrônicos são sinais elétricos de tensão e corrente que vão simbolizar os dados a serem processados, endereços de recuperação e armazenamento e os sinais de controle de funcionamento dos diversos dispositivos.

14 14 Representação da informação Se fôssemos supor a designação de um sinal elétrico diferente para cada símbolo da linguagem humana (letras, algarismos, e sinais de pontuação) seriam necessários mais de uma centena de níveis de tensão ou corrente diferentes. Mesmo se quiséssemos representar apenas os algarismos do nosso sistema decimal, precisaríamos de 10 níveis de tensão e corrente diferentes. Em tensões e correntes relativamente baixas como aquelas com as quais os computadores trabalham, essa quantidade de níveis diferentes a serem definidos exige que a diferença entre um nível e outro seja tão pequena a ponto de comprometer a correta interpretação da informação em caso de qualquer pequeno ruído ou interferência no sinal. Uma máquina capaz de interpretar diversos níveis diferentes seria certamente de custo bastante elevado, de complexidade considerável e de baixa confiabilidade.

15 15 Representação da informação Para solucionar esse problema optou-se por construir máquinas binárias, capazes de identificar apenas duas informações: o 0 e o 1. Assim, cada componente só precisa reconhecer dois níveis de tensão distintos: um que representa o valor 0 e outro que representa o valor 1.

16 16 Representação da informação Outra grande vantagem no uso do sistema binário é facilitar o emprego da lógica booleana (Sim/Não, Verdadeiro/ Falso, Aberto/Fechado,...), criada em 1854 pelo matemático inglês George Boole, tanto na construção de componentes quanto como base para a escrita de programas (programação). Com esta lógica foi possível a criação de portas lógicas, o elemento básico para a criação de computadores. Complementando o simples sim e não, ligado e desligado, etc. que os números 1 e 0 poderiam representar, Boole criou condições especiais, a partir do verdadeiro e falso que tais números também poderiam representar, juntando à base binária a tradicional teoria dos conjuntos - como a condição E para a interseção de dois conjuntos e OU para a união de dois conjuntos. A esse conjunto de condições criado por Boole dá-se o nome de álgebra booleana.

17 17 Representação da informação Com isto foi possível a criação do circuito lógico, um circuito capaz de reagir de acordo com dados entrados, ou seja, dar uma resposta de acordo com a entrada, de uma maneira pré-definida. Além do sistema binário, outros dois sistemas de numeração são utilizados no estudo dos computadores:

18 18 Representação da informação O termo BIT nada mais é do que uma contração das palavras BInary digit, ou seja, dígito binário. Como já vimos anteriormente, um BIT só pode assumir dois valores: o valor 0 ou o valor 1. O BIT é a menor unidade de informação armazenável e trafegável num sistema computacional. Todos os dados armazenados ou processados no computador são representados na forma de bits. Como um bit é muito pouco, já que pode representar apenas dois valores, os computadores trabalham com agrupamentos de bits. Por exemplo: Processadores antigos como o 8080, podiam operar com 8 bits de cada vez. Os PCs que usavam os processadores 8088 e trabalham com 16 bits (apesar de aceitarem também instruções e dados de 8 bits). Os processadores 80386, 80486, Pentium e superiores, operam com 32 bits, apesar de também aceitarem dados de 8 e 16 bits, e de terem algumas instruções especiais para dados de 64 e 80 bits. Os processadores mais modernos já trabalham naturalmente com conjuntos de 64 bits.

19 19 Representação da informação A essa quantidade de BITS que um processador consegue manipular de uma única vez dá-se o nome de PALAVRA (ou WORD). A PALAVRA define qual o tamanho do agrupamento de bits padrão no mecanismo de transferência de informações entre a CPU e a memória principal de uma máquina. A palavra é uma característica de projeto de um microprocessador utilizada para indicar a unidade de transferência e processamento de um computador.

20 20 Representação da informação A primeira definição formal atribuída a um determinado conjunto ordenado de bits foi o BYTE, o qual representa um conjunto de 8 bits. Essa terminologia, criada pela IBM como uma referência para o armazenamento e transferência de dados entre UCP e memória e periféricos, passou a ser utilizada por todo o mercado e ainda hoje, apesar da evolução da capacidade de manipulação dos atuais sistemas, se mantém como uma unidade de referência. Embora os computadores trabalhem no sistema binário, a comunicação entre o homem e a máquina é feita utilizando-se símbolos da nossa linguagem cotidiana aos quais denominamos caracteres (as letras, os algarismos, os sinais de pontuação, etc.), os quais constituem a menor informação inteligível aos seres humanos. Portanto, para o adequado processamento dessas informações, é necessário que cada caracter seja representado por um conjunto de bits.

21 21 Representação da informação Assim, resumidamente temos: BIT - Menor unidade de informação processável num computador. Pode representar apenas dois valores: 0 e 1. BYTE - Grupo de 8 bits. Pode representar valores numéricos entre 0 e 255. Pode também ser usado para representar caracteres. Em geral cada caracter ocupa um byte. CARACTER - Menor informação inteligível aos seres humanos. Por exemplo, a letra a ou o algarismo 7. WORD (PALAVRA) - Quantidade de BITS que um processador consegue manipular de uma única vez. Por exemplo, 32 bits.

22 22 Representação da informação Para referenciar a capacidade de armazenamento e transferência de informações no formato binário são utilizados os múltiplos do bit e do byte. Da mesma forma que usamos cotidianamente como unidade de medida de comprimento o metro (m) e seus múltiplos, como o quilômetro (km), que equivale a 1000 metros, também o fazemos com os bits e bytes. Note que para medidas de distância utilizamos o sistema decimal, e, portanto, múltiplos na base 10: Decâmetro (10 1 metros) Hectômetro (10 2 metros) Quilômetro (10 3 metros)

23 23 Representação da informação Porém, como utilizamos em computação o sistema binário, é conveniente trabalharmos com as potências da base 2, onde 2 10 não é exatamente 1000, mas Assim, temos: KB (KILOBYTE) bytes = 1024 bytes. MB (MEGABYTE) bytes = 1024 x 1024 bytes = 1024 KB = bytes. GB (GIGABYTE) bytes = 1024 x 1024 x 1024 bytes = 1024 MB = bytes. Para os bits, o raciocínio é exatamente o mesmo: Kbits (KILOBITS) bits = 1024 bits. Mbits (MEGABITS) bits = 1024 x 1024 bits = 1024 Kbits = bits. Gbits (GIGABITS) bits = 1024 x 1024 x 1024 bits = 1024 Mbits = bits. Além do Kilo (2 10 ), do Mega (2 20 ), e do Giga (2 30 ), que são os múltiplos mais comuns, temos ainda o Tera (T) = 2 40 ou 1024 G, e o Peta (P) = 2 50 ou 1024 T.

24 24 Representação da informação GRANDEZA - ARMAZENAMENTO DE DADOS Apesar de existir o conceito de palavra, a convenção de armazenamento de informação se dá através do byte e seus múltiplos. Prefixos quantitativos aplicados em abreviação de valores em computação. Prefixo Símbolo Valor em potência de 2 Valor em unidades quilo 1k mega 1M 2 10 x 2 10 = giga 1G 2 10 x 2 20 = tera 1T peta 1P exa 1Ex zeta 1Z yotta 1Y

25 25 Representação da informação Sigla Capacidade 1 bit 0 ou 1 1 byte 8 bits 1 kilobyte (KB ou Kbytes) 1024 bytes 1 megabyte (MB ou Mbytes) 1024 kilobytes 1 gigabyte (GB ou Gbytes) 1024 megabytes 1 terabyte (TB ou Tbytes) 1024 gigabytes 1 petabyte (PB ou Pbytes) 1024 terabytes 1 exabyte (EB ou Ebytes) 1024 petabytes 1 zettabyte (ZB ou Zbytes) 1024 exabytes 1 yottabyte (YB ou Ybytes) 1024 zettabytes

26 26 Representação da informação GRANDEZA - ESPAÇO E TEMPO MUITO PEQUENOS Trabalharemos também com unidades de espaço e tempo muito pequenas em computação. Unidades de medida de espaço muito pequenas: Unidade mícron Descrição 10-3 mm (1 milésimo de milímetro) nanômetro (nm) angström 10-6 mm (1 milésimo de mícron) 10nm Unidades de medida de tempo muito pequenas: Unidade milissegundo (ms) microssegundo (µs) nanossegundo (ns) picossegundo (ps) Descrição 10-3 s 10-6 s 10-9 s s

27 27 Representação da informação

28 Registros e Arquivos

29 29 Registro e Arquivo Todo processamento em uma computador consiste na manipulação de dados segundo um conjunto de instruções que, globalmente chamamos de programa. Para que seja possível individualizar grupos diferentes de informações (por exemplo, o conjunto de dados de um programa constitui um grupo diferente do conjunto de dados de outro programa), os sistemas operacionais (programas que controlam o armazenamento e a recuperação dessas informações para entrada, saída ou guarda em memória) estruturam esses grupos sob a forma denominada Arquivo. Arquivos conjunto de dados (ou informações) de um mesmo tipo para uma mesma aplicação. Arquivo de alunos da turma Arquivo contendo o código do programa (instruções)

30 30 Registro e Arquivo Cada arquivo é constituído por itens individuais chamados registros. Arquivos de 60 alunos possui 60 registros Um arquivo com informações sobre 1000 empregados de uma organização possui mil registro. Um programa é também um arquivo embora constituído de um único registro, visto que as instruções não são consideradas como registros individuais. Arquivos são armazenados em memória secundária. A estrutura de armazenamento e recuperação de informações na memória secundária de um sistema de computação é concebida segundo o conceito de arquivos e registro. Isso porque, na memória secundária, o sistema operacional pode guardar informações em grupos para obter maior eficiência na transferência de dados com a memória principal.

31 31 Medidas de Desempenho Um dos aspectos mais interessantes da evolução tecnológica dos computadores é que, embora tenha sido extraordinariamente rápida e acentuada, os princípios básicos estabelecidos nos primórdios da computação permanecem essencialmente os mesmos. Na busca de aumento de desempenho, verifica-se que a medida geral depende fundamentalmente da capacidade e da velocidade de seus diferentes componentes, da velocidade com que estes se comunicam entre si e o grau de compatibilidade que possa existir entre eles. Há muito tempo se saber que uma corrente, constituída de vários elos interligados, é tão forte quanto o mais fraco deles, assim como um sistema é tão produtivo quanto o menos produtivo e eficaz de seus componentes. Assim também acontece com os computadores, constituído de diversos componentes e para aumentar o seu desempenho é necessário que todos os componentes tenham qualidade adequada para que um deles não comprometa o esforço dos demais.

32 32 Medidas de Desempenho Desempenho de processador é medido em velocidade de trabalho Milhões de instruções por segundo MIPS Milhões de operações de ponto flutuante por segundo (MFLOPS) supercomputadores Desempenho da memória é medido em tempo de acesso É o tempo para recuperação ou escrita de dados na memória Desempenho global do sistema é medido em tempo de resposta Não se refere a um ou outro componente É o período gasto entre o instante em que o usuário iniciou uma solicitação/requisição e o instante em que o sistema apresentou ao usuário a sua respostas ou atendeu à sua solicitação. Desempenho da comunicação/transferência é a vazão Vazão throughput bps (bit por segundo) é a quantidade de ações ou transações que podem ser realizadas por um sistema na unidade de tempo determinada.