Introdução à Ciência da Computação

Transcrição

1 1 Universidade Federal Fluminense Campus de Rio das Ostras Curso de Ciência da Computação Introdução à Ciência da Computação Professor: Leandro Soares de Sousa site: Aula 3: Hardware

2 2 Revisando Dispositivos de Entrada e/ou Saída (E/S) Unidade Central de Processamento (UCP ou CPU)

4 Revisando - Hardware 4 O que é um computador? É uma máquina constituída por uma série de componentes e circuitos eletrônicos, capaz de receber, armazenar, processar e transmitir informações. Máquina programável, capaz de realizar uma grande variedade de tarefas, seguindo uma sequência de comandos, de acordo com o que for especificado. O Computador não faz absolutamente nada sem que lhe seja ordenado fazer.

5 Revisando - Hardware 5 O que é Computação? Dados Processamento Resultados

6 Revisando - Hardware 6 O que é Computação? (exemplo) Nota 1 = 8 Nota 2 = 6 Nota 1 + Nota Média = 7 Isso é feito através de um sistema computacional!

7 Revisando - Hardware 7 Componentes de um Sistema Computacional Hardware Software Peopleware

9 E/S - Hardware 9 O que é um computador? É uma máquina constituída por uma série de componentes e circuitos eletrônicos, capaz de receber, armazenar, processar e transmitir informações. Máquina programável, capaz de realizar uma grande variedade de tarefas, seguindo uma sequência de comandos, de acordo com o que for especificado. O Computador não faz absolutamente nada sem que lhe seja ordenado fazer.

10 E/S - Hardware 10 Dispositivos fazem a entrada e/ou a saída dos dados (E/S)! Dados Processamento Resultados

11 E/S - Hardware 11 Dispositivos fazem a entrada e/ou a saída dos dados! Dados de Entrada Processamento Dados de Saída

12 E/S - Hardware 12 Dispositivos fazem a entrada e/ou a saída dos dados! Dispositivos de Entrada Processamento Dispositivos de Saída Dispositivos de Armazenamento (E/S)

13 13 E/S - Hardware Dispositivos de Entrada (receber) Esta unidade traduz informação de uma grande variedade de dispositivos em um código que a CPU é capaz de entender. Em outras palavras, ela é capaz de traduzir números, letras e imagens em pulsos elétricos que são compreensíveis ao computador.

14 14 E/S - Hardware Dispositivos de Saída (transmitir) Os dados processados são convertidos, por esta unidade, de impulsos elétricos em palavras ou números que podem ser disponibilizados ao usuário final. Assim como as unidades de entrada, as unidades de saída também são conhecidas como periféricos.

15 E/S - Hardware 15 Dispositivos de Entrada e Saída (armazenar) (armazenamento secundário memória não volátil) Armazenam e recuperam os dados no formato necessário.

17 17 Vamos ao Processamento! Dispositivos de Entrada Processamento Dispositivos de Saída Dispositivos de Armazenamento (E/S)

18 18 Processamento olhando um pouco mais de perto! Unidade Central de Processamento (UCP) Memória principal Barramento

19 19 Processamento olhando um pouco mais de perto! Unidade Central de Processamento (UCP) Memória principal Barramento Conjunto de fios que conecta a UCP com a memória principal.

20 20 Processamento olhando um pouco mais de perto! Unidade Central de Processamento (UCP) Memória principal Barramento Conjunto de fios que conecta a UCP com a memória principal.

21 21 Processamento olhando um pouco mais de perto! Unidade Central de Processamento (UCP) Barramentos do Sistema Memória principal Dados Endereço Controle Conjunto de fios que conecta a UCP com a memória principal.

22 22 Processamento olhando um pouco mais de perto! Unidade Central de Processamento (UCP) Barramento do Sistema Memória principal Dados Endereço Controle O Barramento de Dados (Data Bus) transmite dados entre as unidades. Portanto, um microprocessador de 8 bits requer um barramento de dados de 8 linhas para transmitir dados de 8 bits em paralelo.

23 23 Processamento olhando um pouco mais de perto! Unidade Central de Processamento (UCP) Barramento do Sistema Memória principal Dados Endereço Controle O Barramento de Endereço (Address Bus) é usado para selecionar a origem ou destino de sinais transmitidos num dos outros barramentos ou numa de suas linhas. Ele conduz endereços.

24 24 Processamento olhando um pouco mais de perto! Unidade Central de Processamento (UCP) Barramento do Sistema Memória principal Dados Endereço Controle O Barramento de Controle (Control Bus) sincroniza as atividades do sistema. Ele conduz o status e a informação de controle de/para o Microprocessador. Para um Barramento de Controle ser formado, ao menos 10 (geralmente são mais) linhas de controle são necessárias.

25 25 Processamento olhando um pouco mais de perto! Unidade Central de Processamento (UCP) Memória principal Barramento Como ficam os dispositivos de entrada e saída? Eles entram nesse contexto por mágica?

26 26 Processamento olhando um pouco mais de perto! Unidade Central de Processamento (UCP) Memória principal Barramento Simples assim?!?! E/S

27 27 Processamento olhando um pouco mais de perto! Unidade Central de Processamento (UCP) Memória principal Barramento Mais ou menos... E/S

28 28 Processamento olhando um pouco mais de perto! UCP Os controladores são componentes eletrônicos que: controlam as operações dos dispositivos fazem a interface com o computador. Exemplos: Controlador IDE Controlador USB Controlador VGA Memória principal Controlador Controlador Monitor Unidade de disco

29 29 Processamento olhando um pouco mais de perto! UCP Outra possibilidade? Memória principal Controlador Controlador Monitor Unidade de disco

30 30 Processamento olhando um pouco mais de perto! UCP Representação conceitual da entrada/saída mapeada Na memória (memory mapped I/O) Memória principal DMA (direct memory access) acesso direto à memória Capacidade do controlador de ter acesso à memória principal. Controlador Dispositivo Periférico

31 31 Memória RAM (Random Access Memory) Memória volátil! Desligou... Apagou! Unidade Central de Processamento (UCP) Memória principal Barramento E/S

32 32 Outras memórias! Sigla Nome Tecnologia ROM PROM EPROM Read Only Memory (memória somente de leitura) Programable Read Only Memory (memória programável somente de leitura) Erasable Programable Read Only Memory (memória programável e apagável somente de leitura) Gravada na fábrica uma única vez Gravada pelo usuário uma única vez Pode ser gravada ou regravada por meio de um equipamento que fornece as voltagens adequadas em cada pino. Para apagar os dados nela contidos, basta iluminar o chip com raios ultravioleta. Isto pode ser feito através de uma pequena janela de cristal presente no circuito integrado. EEPROM Electrically Erasable Programable Read Only Memory (memória programável e apagável eletronicamente somente de leitura) Pode ser gravada, apagada ou regravada utilizando um equipamento que fornece as voltagens adequadas em cada pino.

33 33 UCP olhando um pouco mais de perto! Unidade Central de Processamento (UCP) Memória principal Contém duas unidades: 1) a unidade de aritmética e lógica - contém os circuítos que manipulam os dados. 2) a unidade de controle - contém os circuitos que coordenam as atividades da máquina. Barramento

34 34 UCP olhando um pouco mais de perto! Unidade Central de Processamento (UCP) Memória principal Unidade de Lógica e Aritmética (ULA) Unidade de Controle (UC) Barramento Registradores

35 35 UCP contém células ou registradores para armazenamento temporário de informação, que são semelhantes às posições da memória principal. Porém, são muito mais rápidas que a memória principal, portanto mais custosas. Unidade Central de Processamento (UCP) Memória principal Unidade de Lógica e Aritmética (ULA) Unidade de Controle (UC) Barramento Registradores

36 36 UCP Nos registradores são mantidos: o contador de programa, variáveis, resultados... Unidade Central de Processamento (UCP) Memória principal Unidade de Lógica e Aritmética (ULA) Unidade de Controle (UC) Barramento Registradores

37 37 UCP Nos registradores são mantidos: o contador de programa, variáveis, resultados... Unidade Central de Processamento (UCP) Memória principal Unidade de Lógica e Aritmética (ULA) Unidade de Controle (UC) 1 Contador de 2 programa Registradores de instruções Barramento F Registradores

38 38 UCP - Hardware UCP Nos registradores são mantidos: o contador de programa, variáveis, resultados... (Exemplo) Passo 1. Obter da memória um dos valores a somar e guardá-lo em um registrador. Passo 2. Obter da memória a outra parcela e armazená-la em outro registrador. Passo 3. Acionar o circuito da adição, tendo os registradores utilizados nos passos 1 e 2 como entradas, e escolher outro registrador para armazenar o resultado. Passo 4. Armazenar o resultado na memória Passo 5. Finalizar. Nova instrução obtida da memória e apontada pelo registrador que armazena o contador de programa

39 39 Linguagem de máquina coleção de instruções (padrão de bits), juntamente com o sistema de codificação. Instrução de máquina uma instrução expressa nessa linguagem (instrução em nível de máquina).

40 40 Ciclo de máquina 1. (Busca) Busca a próxima instrução da memória (conforme indicado pelo contador de instruções) e, em seguida, incrementa o contator de instruções. 2. (Decodificação) Decodifica o padrão de bits no registrador de instruções. 3. (Execução) Executa a ação solicitada pela instrução contida no registrador de instruções.

41 41 E a velocidade? Clock (ou Relógio) é a referência de tempo necessária a CPU. Circuito eletrônico oscilador que gera uma forma de onda quadrada, essencial para o sequenciamento das operações eletrônicas realizadas pela CPU. Está relacionado com a frequência (taxa) de operação do processador. Unidade de Controle (UC)

42 42 Memórias voltando um pouco! Registradores Cache Memória Principal Memória Flash Disco Rígido Fitas e Discos Óticos

44 44 Memórias cache! É a tendência de o processador ao longo de uma execução referenciar instruções e dados da memória principal localizados em endereços próximos (conceito conhecido como localidade e referência ). Tal tendência é justificada devido as estruturas de repetição e as estruturas de dados, vetores e tabelas utilizarem a memória de forma subsequente (um dado após o outro). Assim a aplicabilidade do cache internamente ao processador fazendo o intermédio entre a memória principal e o processador de forma a adiantar as informações da memória principal para o processador. Funcionam numa hierarquia... vista mais adiante em Arquitetura de Computadores!

46 46 Memórias Flash! Memória flash é do tipo não volátil, o que significa que não precisa de energia para manter as informações armazenadas no chip. Além disso, a memória flash oferece um tempo de acesso rápido,embora não tão rápido como a memória volátil (DRAM utilizadas para a memória principal em PCs) e melhor resistência do que discos rígidos. Estas características explicam a popularidade de memória flash em dispositivos portáteis. Outra característica da memória flash é que quando embalado em um "cartão de memória" são extremamente duráveis, sendo capaz de resistir a uma pressão intensa, variações extremas de temperatura, e até mesmo imersão em água. Usada nos pendrives, ipods, ultrabooks,.

48 48 Memórias Disco Rígido (HD Hard Disk)! O disco rígido é uma memória não-volátil, ou seja, as informações não são perdidas quando o computador é desligado, sendo considerado o principal meio de armazenamento de dados em massa. Por ser uma memória não-volátil, é necessário para se ter um meio de executar novamente programas e carregar arquivos contendo os dados inseridos anteriormente quando ligamos o computador.

49 49 Memórias Disco Rígido (HD Hard Disk)!

51 51 Memórias Discos Óticos!

53 53 Memórias Fitas! (Acesso Sequencial)

54 Aula 3 54 Hardware FIM