Sumário. CAPÍTULO 1 Introdução 35. CAPÍTULO 2 Representação de Dados em Sistemas de Computação 73

Transcrição

1 Sumário CAPÍTULO 1 Introdução Visão geral Os principais componentes de um computador Um sistema-exemplo: entrando no jargão Organizações de padronização Desenvolvimento histórico Geração zero: Máquinas de cálculo mecânicas ( ) A primeira geração: Computadores com válvulas ( ) A segunda geração: Computadores transistorizados ( ) A terceira geração: Computadores com circuitos integrados ( ) A quarta geração: Computadores VLSI (1980????) Lei de Moore A hierarquia de níveis do computador O modelo de von Neumann Modelos diferentes do modelo de von Neumann 66 Resumo do capítulo 68 Leitura complementar 68 Referências 69 Revisão de termos e conceitos essenciais 70 Exercícios 71 CAPÍTULO 2 Representação de Dados em Sistemas de Computação Introdução Sistemas de numeração posicionais Conversões de decimal para binário Converter números inteiros sem sinal Converter frações Converter entre bases que são potências de dois 79

2 26 Sumário 2.4 Representação de inteiro com sinal Magnitude com sinal Sistemas de complemento Números sem sinal versus números com sinal Computadores, aritmética e algoritmo de Booth Carry versus overflow Representação em ponto-flutuante Um modelo simples Aritmética de ponto-flutuante Erros em ponto-flutuante A norma IEEE-754 de ponto-flutuante Intervalo, precisão e exatidão Problemas adicionais com números em ponto-flutuante Códigos de caracteres Decimal codificado em binário EBCDIC ASCII Unicode Detecção e correção de erros Verificação por redundância cíclica Códigos de Hamming Reed-Solomon 122 Resumo do capítulo 123 Leitura complementar 123 Referências 124 Revisão de termos e conceitos essenciais 125 Exercícios 126 Em foco: códigos para gravação e transmissão de dados 132 2A.1 Código sem-retorno-a-zero 132 2A.2 Código sem-retorno-a-zero-invertido 133 2A.3 Modulação de fase (código Manchester) 134 2A.4 Modulação de frequência 135 2A.5 Código limitado pelo tamanho 135 2A.6 Codificação de probabilidade máxima de resposta parcial 138 2A.7 Resumo 139 Exercícios 139 CAPÍTULO 3 Álgebra Booleana e Lógica Digital Introdução Álgebra booleana Expressões booleanas Identidades booleanas Simplificação de expressões booleanas Complementos Representar funções booleanas 148

3 Sumário Portas lógicas Símbolos para portas lógicas Portas universais Portas com múltiplas entradas Componentes digitais Circuitos digitais e seu relacionamento com a álgebra booleana Circuitos integrados Circuitos combinacionais Conceitos básicos Exemplos de circuitos combinacionais típicos Circuitos sequenciais Conceitos básicos Relógios Flip-flops Máquinas de estados finitos Exemplos de circuitos sequenciais Uma aplicação de lógica sequencial: codificação convolucional e detecção Viterbi Projetando circuitos 181 Resumo do capítulo 182 Leitura complementar 183 Referências 184 Revisão de termos e conceitos essenciais 185 Exercícios 186 Em foco: mapas de Karnaugh 194 3A.1 Introdução 194 3A.2 Descrição de Kmaps e terminologia 194 3A.3 Simplificação de Kmap para duas variáveis 196 3A.4 Simplificação de Kmap para três variáveis 198 3A.5 Simplificação de Kmap para quatro variáveis 200 3A.6 Condições que não importam 204 3A.7 Resumo 205 Exercícios 205 CAPÍTULO 4 MARIE: Uma Introdução a um Computador Simples Introdução Organização e componentes básicos da UCP Os registradores A UAL A unidade de controle O barramento Relógios O subsistema de entrada/saída Organização e endereçamento da memória Interrupções 220

4 28 Sumário 4.8 MARIE A arquitetura Registradores e barramentos Arquitetura do conjunto de instruções Notação de transferência entre registradores Processamento de instrução O ciclo busca-decodifica-executa Interrupções e o ciclo de instrução E/S de MARIE Um programa simples Uma discussão sobre montadores O que faz um montador? Por que usar linguagem simbólica? Estendendo nosso conjunto de instruções Uma discussão sobre decodificação: controle implementado em hardware versus microprogramado Controle de máquina Controle implementado em hardware Controle microprogramado Exemplos reais de arquiteturas de computador Arquiteturas Intel Arquiteturas MIPS 261 Resumo do capítulo 264 Leitura complementar 265 Referências 266 Revisão de termos e conceitos essenciais 267 Exercícios 268 Verdadeiro ou falso 272 CAPÍTULO 5 Um Exame Mais Detalhado das Arquiteturas de Conjuntos de Instruções Introdução Formatos de instruções Decisões de projeto sobre os conjuntos de instruções Little endian versus Big endian Armazenamento interno na UCP: pilhas versus registradores Número de operandos e tamanho da instrução Opcodes expandidos Tipos de instrução Movimentação de dados Operações aritméticas Instruções de lógica booleana Instruções de manipulação de bits Instruções de entrada e saída 286

5 Sumário Instruções para transferência de controle Instruções de propósito especial Ortogonalidade do conjunto de instruções Endereçamento Tipos de dados Modos de endereçamento Usando pipeline em nível de instrução Exemplos de ISAs do mundo real Intel MIPS Máquina virtual Java 297 Resumo do capítulo 301 Leitura complementar 302 Referências 303 Revisão de termos e conceitos essenciais 304 Exercícios 305 Verdadeiro ou falso 309 CAPÍTULO 6 Memória Introdução Tipos de memória A hierarquia de memória Localidade de referência Memória cache Esquemas de mapeamento de cache Políticas de substituição Tempo efetivo de acesso e quociente de acertos Quando a cache não funciona? Políticas de escrita na cache Caches de instrução e dados Níveis da cache Memória virtual Paginação Tempo efetivo de acesso usando paginação Reunindo tudo: usando cache, TLBs e paginação Vantagens e desvantagens de paginação e memória virtual Segmentação Paginação combinada com segmentação Um exemplo real de gerenciamento de memória 345 Resumo do capítulo 346 Leitura complementar 347 Referências 347 Revisão de termos e conceitos essenciais 348 Exercícios 349

6 30 Sumário CAPÍTULO 7 Sistemas de Entrada/Saída e Armazenamento Introdução E/S e performance Lei de Amdahl Arquiteturas de E/S Métodos de controle E/S E/S de caracteres versus E/S de blocos Operação do barramento de E/S Modos de transmissão de dados Transmissão de dados paralela Transmissão de dados serial Tecnologia de disco magnético Unidades de disco rígido Discos flexíveis (floppy) Discos óticos CD-ROM DVD Discos laser azul-violeta Métodos de gravação em disco ótico Fita magnética RAID RAID Nível RAID Nível RAID Nível RAID Nível RAID Nível RAID Nível RAID Nível Raid DP Sistemas RAID híbridos O futuro do armazenamento de dados 400 Resumo do capítulo 405 Leitura complementar 406 Referências 407 Revisão de termos e conceitos essenciais 408 Exercícios 409 Em foco: compressão de dados 413 7A.1 Introdução 413 7A.2 Codificação estatística 415 7A.2.1 Codificação Huffman 415 7A.2.2 Codificação aritmética 420 7A.3 Sistemas de dicionário Ziv-Lempel (lz) 422 7A.4 Compressão GIF e PNG 426

7 Sumário 31 7A.5 Compressão jpeg 427 7A.6 Resumo 432 Exercícios 432 CAPÍTULO 8 Software de Sistema Introdução Sistemas operacionais História de sistemas operacionais Projeto de sistemas operacionais Serviços do sistema operacional Ambientes protegidos Máquinas virtuais Subsistemas e partições Ambientes protegidos e a evolução de arquiteturas de sistemas Ferramentas de programação Montadores e linguagem simbólica Editores de ligação Bibliotecas de ligação dinâmica Compiladores Interpretadores JAVA: Todos os acima Software de banco de dados Gerenciadores de transações 479 Resumo do capítulo 481 Leitura complementar 482 Referências 483 Revisão de termos e conceitos essenciais 483 Exercícios 485 CAPÍTULO 9 Arquiteturas Alternativas Introdução Máquinas RISC Taxonomia de Flynn Arquiteturas paralelas e multiprocessadas Superescalar e VLIW Processadores vetoriais Redes de interconexão Multiprocessadores com memória compartilhada Computação distribuída Abordagens alternativas para processamento paralelo Computação de fluxo de dados Redes neurais Arrays sistólicos 519

8 32 Sumário 9.6 Computação quântica 520 Resumo do capítulo 522 Leitura complementar 523 Referências 524 Revisão de termos e conceitos essenciais 525 Exercícios 526 CAPÍTULO 10 Tópicos em Sistemas Embarcados Introdução Uma visão geral de hardware embarcado Sistemas padronizados de hardware embarcado Hardware configurável Hardware embarcado projetado sob encomenda Uma visão geral de software embarcado Organização de memória de sistemas embarcados Sistemas operacionais embarcados Desenvolvimento de software para sistemas embarcados 556 Resumo do capítulo 559 Leitura complementar 560 Referências 562 Revisão de termos e conceitos essenciais 563 Exercícios 563 CAPÍTULO 11 Medida e Análise de Desempenho Introdução Equações de performance de computador Preliminares matemáticas O que significa média As estatísticas e semânticas Benchmarking Ciclo de relógio, MIPS e FLOPS Benchmarks sintéticos: Whetstone, Linpack e Dhrystone Benchmarks padrão de avaliação de performance Benchmarks do conselho de performance de processamento de transações Simulação de sistemas Otimização de performance de UCP Otimização de desvios Uso de bons algoritmos e código simples Performance de disco Entendendo o problema Considerações físicas Considerações lógicas 602

9 Sumário 33 Resumo do capítulo 607 Leitura complementar 608 Referências 609 Revisão de termos e conceitos essenciais 610 Exercícios 611 CAPÍTULO 12 Organização e Arquitetura de Redes Introdução As primeiras redes de computadores comerciais Primeiras redes acadêmicas e científicas: as raízes e a arquitetura da Internet Protocolos de rede I: unificação de protocolos ISO/OSI Uma parábola O modelo de referência OSI Protocolos de rede II: arquitetura de rede TCP/IP A Camada IP para a versão O problema com IP versão Protocolo de controle de transmissão (TCP) O funcionamento do protocolo TCP IP versão Organização da rede Meio físico de transmissão Placas de interface Repetidores Hubs Comutadores Pontes e gateways Roteadores e roteamento Ligação de dados de alta capacidade A hierarquia digital ISDN Modo de transferência assíncrono Examinando a Internet O crescimento na Internet O crescimento da Internet 684 Resumo do capítulo 685 Leitura complementar 686 Referências 687 Revisão de termos e conceitos essenciais 688 Exercícios 689

10 34 Sumário CAPÍTULO 13 Sistemas de Armazenamento e Interfaces Selecionados Introdução Arquitetura SCSI SCSI paralela clássica Modelo 3 da arquitetura SCSI Internet SCSI Redes de armazenamento Outras conexões de E/S Barramentos paralelos: XT a ATA ATA serial e ligação serial SCSI Interconexão de componentes periféricos Uma interface serial: USB Interface de periféricos de alta performance: HiPPI 713 Resumo do capítulo 714 Leitura complementar 715 Referências 715 Revisão de termos e conceitos essenciais 715 Exercícios 716 APÊNDICE A Estruturas de Dados e o Computador 718 A.1 Introdução 718 A.2 Estruturas fundamentais 718 A.2.1 Arrays 718 A.2.2 Filas e listas encadeadas 720 A.2.3 Pilhas 722 A.3 Árvores 724 A.4 Grafos de redes 731 Resumo 734 Leitura complementar 734 Referências 734 Exercícios 734 Glossário 738 Respostas e Dicas para Exercícios Selecionados 779 Índice 795