Introdução à Informática

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1 Introdução à Informática Arquitectura dos computadores Escola Superior de Tecnologia e Gestão Instituto Politécnico de Bragança Outubro de 2006 ENIAC, 1945 História (1) 1800 válvulas 100m 2 de área 5000 adições e 500 multiplicações por segundo Substituição de uma válvula Programação do ENIAC Introdução à informática Arquitectura dos computadores 2

2 História (2) Invenção do transístor (finais dos anos 50) Invenção dos circuitos integrados (anos 60) Invenção do microprocessador (anos 70) Cada vez maior integração Cada vez maior capacidade Cada vez menor custo Introdução à informática Arquitectura dos computadores 3 Computador - Definição Máquina ou conjunto de dispositivos mecânicos, electrónicos e electromecânicos, capazes de processar dados Sistema eléctrico de manipulação de símbolos, rápido e preciso, que recebe dados de entrada (input), armazena-os, processa-os e produz resultados (output) sob direcção de um conjunto detalhado de instruções (programa) Introdução à informática Arquitectura dos computadores 4

3 Hardware e Software Hardware Dispositivos físicos (electrónicos, mecânicos e electromecânicos) Software Programas do computador (conjuntos complexos de instruções) que fazem funcionar o Hardware sob intervenção mais ou menos interactiva do utilizador Software de sistema: S. O. Primeira camada de software Conjunto de instruções que transformam o hardware num sistema com o qual o utilizador pode efectuar determinadas tarefas ou fazer funcionar os programas Software de aplicação: Engloba todo o tipo de programas de computador Permitem realizar tarefas específicas ou genéricas (p. ex.: Facturação, Processamento de Texto, etc.) Introdução à informática Arquitectura dos computadores 5 Arquitectura interna Existe uma grande diversidade de soluções e uma grande competitividade entre fabricantes A competitividade tem constituído um dos grandes motores da informática Infelizmente, a diversidade de arquitecturas resulta, por vezes, na existência de algumas incompatibilidades entre sistemas Apesar da diversidade de arquitecturas, existe uma organização base que é comum a todos os computadores modernos O hardware de qualquer computador pode ser visto como um conjunto de três blocos interactivos: Processador Memória Periféricos Estes componentes são interligados por um barramento (bus) através do qual é transmitida a informação Introdução à informática Arquitectura dos computadores 6

4 Máquina de von Neumann Modelo proposto para um computador por volta de 1940 Modelo inicial: Elemento processador segue as instruções armazenadas numa memória de programas, para ler canais de entrada, enviar comandos para canais de saída e alterar as informações contidas numa memória de dados Estrutura em barramento base dos computadores modernos memórias de dados e de programa são fundidas numa memória única, e as comunicações entre elementos são efectuadas através de uma via comum de alta velocidade Modelo inicial Entradas Estrutura em barramento Memória Processador Periféricos Memória de Programas Processador Memória de Dados Barramento Saídas Introdução à informática Arquitectura dos computadores 7 Componentes O computador é constituído a partir de placas de circuito impresso onde são ligados os circuitos integrados (processador, memória, etc.) e outros componentes As placas de circuito impresso possuem pistas muito finas de um metal condutor que permitem interligar electricamente os diversos componentes Introdução à informática Arquitectura dos computadores 8

5 Placa Principal Placa Mãe (Motherboard ou Mainboard) Placa onde são colocados ou ligados todos os outros componentes do computador Processador Memórias (RAM, ROM e Cache) Controladores Slots de expansão Tem como função permitir que o processador comunique com todos os periféricos instalados com maior velocidade Introdução à informática Arquitectura dos computadores 9 Esquema da motherboard Introdução à informática Arquitectura dos computadores 10

6 Motherboard um esquema real Introdução à informática Arquitectura dos computadores 11 Estrutura Básica de um Computador UCP UC UAL Registos Unidades de Entrada Unidades de Saída Memória Primária Secundária Introdução à informática Arquitectura dos computadores 12

7 Unidade Central de Processamento Unidade porque é só uma Central porque é o componente fundamental do computador Processamento porque é nesta unidade que a informação é processada Vulgarmente conhecida como microprocessador do computador É o verdadeiro cérebro do computador É responsável por executar as instruções do software O controlo da memória e dos periféricos é também da responsabilidade do processador Circuito integrado com muitos milhares de dispositivos electrónicos para efectuar as operações de processamento da informação Tem como função obter, descodificar e executar instruções e de transferir informações para e de outros recursos através do barramento Microprocessador (Ex: Intel Pentium IV a 3,2 GHz) Grande parte da enorme evolução tecnológica a nível das tecnologias de informação deve-se principalmente à evolução deste componente Introdução à informática Arquitectura dos computadores 13 Secções e componentes fundamentais: Secção de Aquisição e Descodificação de Instruções Secção de Execução: UCP - Secções Unidade de Controlo (UC) Unidade Aritmética e Lógica (ALU) Registos ou Registers Introdução à informática Arquitectura dos computadores 14

8 UCP Unidades constituintes Processa as instruções e dados recebidos da Secção de Aquisição e Descodificação de Instruções Constituída pelas seguintes componentes: Unidade de Controlo (UC): Selecciona as instruções segundo a ordem de execução Interpreta (descodifica) as instruções Activa as operações da máquina que executam cada instrução Controla as transferências de dados Controla a sequência das instruções Unidade Aritmética e Lógica (ALU) Precisa de operandos e código da operação para executar instruções Efectua as operações aritméticas e operações lógicas Pode ter duas unidades diferentes para tratar nº reais (co-processador) e inteiros Registos Componentes que armazenam dados temporariamente Utilizados pela ALU para efectuar operações Tempos de acesso muito baixos Baixa capacidade de armazenamento Introdução à informática Arquitectura dos computadores 15 Execução de programas Um computador executa um programa guardado na memória copiando as instruções para a unidade de controlo As instruções são extraídas para a Unidade de Controlo, uma de cada vez, de uma forma sequencial A Unidade de Controlo possui dois registos essenciais para a execução de um programa: Program Counter (contador de instruções): registo da UC que guarda o endereço da próxima instrução a ser executada; possibilita saber qual a próxima instrução em qualquer parte do programa Instruction Register (registo de instruções): guarda a instrução que está a ser executada Introdução à informática Arquitectura dos computadores 16

9 Arquitectura de um computador Introdução à informática Arquitectura dos computadores 17 O ciclo da Máquina 1. Retirar a instrução apontada pelo Program Counter 2. Descodificar a instrução 3. Executar a acção associada à instrução Introdução à informática Arquitectura dos computadores 18

10 Medidas do desempenho de um processador O desempenho do CPU pode ser medido em função de dois factores: Capacidade (ou comprimento) da palavra: ou seja o nº de bits que são utilizados para transferir dados interna e externamente em cada ciclo Frequência do relógio: determina o número de ciclos por segundo (número de palavras que pode ler por segundo) e está neste momento, expresso em GHz (10 9 ciclos por segundo) Hoje em dia os processadores que equipam os computadores pessoais correntes funcionam tipicamente com frequências de relógio de 200 MHz a 3,4 GHz O Pentium 4, o mais recente modelo de processador da Intel, atingiu já uma frequência de relógio de 3,4 GHz Introdução à informática Arquitectura dos computadores 19 UCP - Lei de Moore Durante a década de 70, Gordon Moore, era o presidente da Intel e lançou uma profecia que dizia que a partir daquele momento o poder de processamento dos processadores duplicaria a cada 18 meses. Esta profecia tornou-se tão verdadeira que acabou por se tornar na famosa lei de Moore Mas, sendo assim até quando é que os processadores podem evoluir? Até onde a lei de Moore pode continuar a ser válida? O que é que possibilitou esta evolução? VLSI (Very Large Scale Integration) Introdução à informática Arquitectura dos computadores 20

11 Evolução dos processadores Intel 8086 (1978), 16 bits, 1 MHz Intel 8088 (1979), 16 bits, 4 MHz NEC V20 e V30 (1981), clones dos anteriores, mas 30% mais rápidos Intel (1981), 16 bits, 8 MHz a 25 MHz, memória até 1 MB Intel (1982), 16 bits, 6 a 20 MHz, memória até 16 MB, suportava o protected mode (possibilitava a multitarefa) usados nos PC AT da IBM Intel 386 (1988), 32 bits, 16 a 40 MHz Intel 486 (1991), 32 bits, 33 a 100 MHz Intel Pentium (1993), 64 bits, 75 a 233 MHz, 100 MIPS Intel Pentium MMX (1997), 64 bits, 166 a 266 MHz, 10 a 60% mais rápidos que os anteriores Intel Pentium II (1997), 233 a 450 MHz Intel Celeron (1998), 266 a 700 MHz, mais económicos para fazer face à concorrência Intel Pentium III (1999), 450 MHz a 1.13 GHz Intel Pentium IV (2000), 1.4 GHz a 3,4 GHz Introdução à informática Arquitectura dos computadores 21 Memórias ou dispositivos de armazenamento É à memória que compete armazenar as sequências de instruções, os dados relevantes para essas instruções e os resultados das mesmas É o CPU, no entanto, que controla que informação é armazenada na memória e em que local da memória ela é armazenada funciona como um armazém de informação à disposição do processador Dividida em pequenos blocos sequenciais, cada um identificado por um endereço, através do qual se pode aceder a cada um dos blocos para leitura ou escrita de unidades de informação Introdução à informática Arquitectura dos computadores 22

12 Parâmetros de classificação de memórias Tempo de Acesso Tempo que a UCP demora a aceder à memória Capacidade de Endereçamento Distingue qual o menor valor endereçável na memória (medida em bits ou bytes) Tamanho Limita a quantidade de informação que é possível armazenar (medido em bits ou bytes) Tipo de Acesso Sequencial para aceder a determinada posição de memória é necessário ler ou passar por todas as posições anteriores Aleatório o acesso é feito directamente à posição que se pretende ler Capacidade de Leitura e de Escrita Todas as memórias permitem que se leia o seu conteúdo (excepto as intencionalmente protegidas), mas nem todas permitem que se escreva nelas Volatilidade Falta de capacidade da memória reter indefinidamente a informação Introdução à informática Arquitectura dos computadores 23 Tipos de memória Principal, Primária ou Central encontram-se em contacto directo com o CPU, fornecendo-lhe instruções e os dados com que este opera, e dele recebendo dados resultantes do seu processamento Auxiliar, Secundária ou Externa suportes de armazenamento de informação que interessa guardar para além do tempo em que é utilizada a memória primária Armazenamento externo de dados Cache Virtual Introdução à informática Arquitectura dos computadores 24

13 Memória primária (1) RAM (Random Access Memory) Permite leitura e escrita pelo procesador Tempos de acesso muito rápidos e de tipo aleatório Volátil Preço relativamente elevado Guarda os programas e o dados com que o computador trabalha em cada sessão Tipos: DRAM (Dynamic RAM) Transístores e Condensadores SRAM (Static RAM) Circuitos flip-flop Mais rápidas e mais caras VRAM (Video RAM) Operações de leitura e escrita simultânea NVRAM (Flash RAM) Não perde os dados quando desligada DRAM FPM DRAM EDO DRAM SDRAM - permite a leitura ou o armazenamento de dois dados de cada vez DDR SDRAM - 2 vezes mais rápida que a SDRAM RDRAM usada em substituição da VRAM nalgumas placas gráficas Introdução à informática Arquitectura dos computadores 25 Memória primária (2) ROM (Read-Only Memory) Apenas leitura, pois o processo de escrita é realizado uma única vez pelo fabricante não podendo ser alterado pelo processador Acesso rápido Não volátil Necessária ao arranque da máquina: inclui instruções de rotina para o funcionamento básico do computador (Operações de arranque ou de interacção com os dispositivos de Entrada/Saída) Tipos: PROM (Programable ROM) EPROM (Erasable and Programable ROM) - geralmente usado para armazenar a BIOS do computador EEPROM (Electronic EPROM) FlashROM permite actualização da BIOS por disquete ou até mesmo pelo sistema operativo Introdução à informática Arquitectura dos computadores 26

14 Memória Cache Memória com velocidade de funcionamento superior à RAM Constituída por memória SRAM É mais cara que a RAM e a capacidade de armazenamento reduzida Colocada entre a RAM e o processador com o objectivo de fornecer instruções e dados de uma forma mais rápida, diminuindo os tempos de espera do processador Evita ler ou escrever directamente na memória RAM Cache interna (L1) Integrada no processador muito rápida Baixa capacidade Cache externa (L2) Tempos de acesso superior à anterior Segmento de memória cache externo ao CPU Maior capacidade que a anterior Introdução à informática Arquitectura dos computadores 27 Memória Virtual Técnica usada para permitir a um computador trabalhar com mais memória RAM do que aquela que foi instalada na máquina Aumenta a memória física do computador Parte do disco é usada como se fosse memória Introdução à informática Arquitectura dos computadores 28

15 Memórias Secundárias (1) Memórias de Massa Armazena, de forma permanente, informação que não está a ser utilizada Como a memória RAM é volátil, se não existisse nenhuma forma alternativa de armazenar os programas e os dados, estes perderse-iam cada vez que desligássemos o computador Características: Grande capacidade de armazenamento Lentas: tempos de acesso bastante superiores aos das memórias do tipo primário Modo de acesso aos dados: Sequencial Utilizados para Backups Aleatório DASD - Direct Access Storage Devices Mais utilizados Introdução à informática Arquitectura dos computadores 29 Memórias Secundárias (2) Dois tipos de suportes: Magnéticos Ópticos Suportes Magnéticos Discos, disquetes e fitas Revestidos por uma substância magnética, cujas partículas codificam os dados conforme a orientação dos respectivos campos magnéticos Suportes Ópticos CD-ROM, DVD Leitura e gravação baseada em tecnologia laser Introdução à informática Arquitectura dos computadores 30

16 Memórias Secundárias - exemplos Disco rígido ou disco duro (HD Hard disk) Dispositivo principal e mais comum Grande capacidade de armazenamento (actualmente na ordem dos 40 aos 250 Gbytes) Preço por Mbyte muito inferior ao da RAM Permite leitura e escrita, com acesso praticamente aleatório por intermédio de um conjunto de cabeças de leitura/escrita Tempos de acesso elevados Não volátil Conjunto de pratos metálicos sobrepostos, em que cada prato tem uma estrutura idêntica a uma disquete Encerrado em vácuo Maior durabilidade Pistas concêntricas e sectores Falta de portabilidade Introdução à informática Arquitectura dos computadores 31 Memórias Secundárias - exemplos Disquetes - pequeno disco flexível (Floppy Disk) Dividida em pistas concêntricas e sectores Tempos de acesso elevados Portabilidade Pequena capacidade e falta de fiabilidade Custo por MB superior e mais lentas que discos rígidos Formato Capacidade Kb 360 Kb 5 ¼ 360 Kb 1,2 Mb 3 ½ DD HD 720 Kb 1,44 Mb Introdução à informática Arquitectura dos computadores 32

17 Memórias Secundárias - exemplos Zip s Desenvolvido pela Iomega Resolver o problema da falta de capacidade das disquetes tradicionais Invólucro rígido e capacidades de 100 ou 250MB Muito mais caras que as tradicionais Exigem unidades próprias para leitura/escrita - ZIP Drives Introdução à informática Arquitectura dos computadores 33 Memórias Secundárias - exemplos CD-ROM - Compact Disk - Disco compacto Discos ópticos: leitura e escrita por laser Uma Pista em espiral e sectores Velocidade de acesso - medida em relação a uma velocidade base (single speed): 8x, 10x 50x, ou mais Vantagens: Capacidade de armazenamento superior 650 MB a 700 MB (cerca de 500 disquetes) Maior durabilidade da informação Transporte fácil Desvantagens Tempo de acesso elevado (um pouco maior que o do disco rígido) Os leitores não permitem apagar e regravar Tipo de CD s CD-ROM - Apenas leitura CD-R, WORM (Write Once, Read Many) CD-RW Regraváveis DVD Maior capacidade Introdução à informática Arquitectura dos computadores 34

18 Memórias Secundárias - exemplos Fitas Magnéticas Permite armazenar muita quantidade de informação Económicos Utilização quase exclusiva para sistemas de cópias de segurança - backup Tempos de acesso elevados Acesso sequencial Introdução à informática Arquitectura dos computadores 35 Memórias Secundárias - exemplos Pen-drives Utilizam-se como um disco, mas são compostos por circuitos integrados Rápidos e muito pequenos Portáteis Porta-chaves, caneta, e relógio Capacidade considerável (32 MB, 64 MB, 128 MB, 256 MB, 512 MB, 1 GB) Ligam-se à porta USB do computador Introdução à informática Arquitectura dos computadores 36

19 Hierarquia da memória À medida que descemos na hierarquia da memória temos: custo por bit decrescente capacidade crescente tempo de acesso crescente frequência de acesso à memória pelo CPU decrescente Introdução à informática Arquitectura dos computadores 37 Barramento ou bus Conjunto de fios na motherboard por onde circulam os dados entre a UCP, a memória RAM e as placas de expansão de periféricos. Engloba 3 tipos de canais: Bus de dados Bus de endereços Bus de controlo Introdução à informática Arquitectura dos computadores 38

20 Barramento Canais de fios condutores que fazem a ligação entre os componentes internos de um computador Velocidade inferior à da UCP A sua estrutura e a dos conectores de expansão, e a disposição das peças internas definem a arquitectura do barramento Barramento local ou de sistema Interliga a UCP à memória Barramento de Entrada e Saída Interliga todos os outros dispositivos ao barramento local Menor velocidade que o anterior Interno Liga dispositivos existentes em praticamente todos os PC s: teclado, portas série/paralela, drives. Externo Ligação aos slots de expansão onde se ligam as placas de expansão Introdução à informática Arquitectura dos computadores 39 Esquema do barramento Introdução à informática Arquitectura dos computadores 40

21 Motherboard - Características A arquitectura do bus e dos slots de expansão definem a forma como estão interligados todos os componentes e periféricos desse computador e a velocidade a que a informação é transmitida: Ao longo do tempo, foram sendo desenvolvidos vários tipos de barramentos: 3 arquitecturas principais: ISA (Industry Standard Architecture) VLB (Vesa Local Bus) PCI (Peripherical Component Interconnect) Introdução à informática Arquitectura dos computadores 41 Arquitecturas do barramento ISA (Industry Standard Architecture) ISA XT - 8 bits, usada para o 1º PC da IBM ISA AT 16 bits, Intel MCA (Micro Channel Architecture) 32 bits, lançada pela IBM nos anos 80 para o PS/2 (proposta fechada) EISA (Enhanced ISA) 32 bit, melhoramento da ISA (proposta aberta) VLB (Vesa Local Bus) 32 bits, melhorou a velocidade de tráfego entre o processador, a memória e a parte gráfica do computador Intel PCI (Peripherical Component Interconnect) pode ser combinada com outras arquitecturas, adicionando-lhe vantagens ao nível da versatilidade Existência de um controlador AGP (Advanced Graphics Port) É usada apenas para placas gráficas Introdução à informática Arquitectura dos computadores 42

22 Sistemas periféricos Dispositivos E/S (ou I/O) Dispositivos (internos ou externos) necessários por captar dados do exterior (dispositivos de entrada) e disponibilizar a informação (dispositivos de saída) produzida novamente para o exterior Podem ser classificados quanto ao sentido do fluxo de informação em três tipos: Só de Entrada (Input) Só de Saída (Output) De Entrada e Saída (Input/Output) Introdução à informática Arquitectura dos computadores 43 Periféricos de Entrada Convertem a informação introduzida pelo utilizador em sequências próprias de bits, capazes de serem interpretados pelo processador Teclado QWERTY ou AZERTY N.º de teclas (101 ou 105) Disposição das teclas consoante o país Mouse (Rato) Ligação através de uma porta série (standard RS232), PS/2, USB Infravermelhos, trackball ou tela (utilizado nos portáteis) Caneta Óptica Scanner (Digitalizador de Imagens) Microfone Joystick/Gamepad Câmara de vídeo Leitor de código de barras Máquina fotográfica digital Introdução à informática Arquitectura dos computadores 44

23 Periféricos de Saída É através destes que os dados processados pelo processador são transmitidos para o exterior Placa gráfica Monitor Ligação à placa gráfica Impressora Ligação à porta paralela, ou USB Tipo: Matricial, Jacto de Tinta e Laser Caracterizam-se por: Velocidade, Qualidade, Cor Plotter Traçadores gráficos ou Impressoras de Grande Formato Desenho arquitectónico Data Show Colunas de som Introdução à informática Arquitectura dos computadores 45 Periféricos (monitor) O monitor do computador, ou ecrã, é o periférico de saída mais utilizado A sua função é a de permitir a visualização de informação A qualidade de imagem de um monitor depende essencialmente de três factores: A medida da diagonal do ecrã expressa em polegadas, com valores típicos de 15, 17, 19 e 21 A resolução gráfica expressa em pixels (picture elements - pontos de imagem) na horizontal e na vertical, com valores típicos 800x600, 1024x768, 1152x864, 1280x1024, 1600x1200 A frequência de varrimento (frequência com que cada ponto do ecrã é iluminado), com valores típicos entre 60 e 100Hz Introdução à informática Arquitectura dos computadores 46

24 Periféricos (placa gráfica) A resolução gráfica não depende exclusivamente do monitor mas também do controlador gráfico do computador O controlador gráfico ou placa gráfica é um periférico interno responsável por gerar o sinal enviado para o monitor É este dispositivo que permite que o mesmo monitor possa ser utilizado com várias resoluções gráficas e frequências de varrimento Introdução à informática Arquitectura dos computadores 47 Periféricos (impressoras) Periférico de saída que permite registar informação em papel Principais características: Resolução Débito (número de páginas por minuto) Cor Custo por folha Formatos de papel suportados Tipos de impressoras (diferem na tecnologia de impressão): Matriciais ou de agulhas Térmicas Jacto de tinta Menor resolução, menor débito e maior custo por folha do que as impressoras laser, mas consideravelmente mais baratas Indicadas para utilização por uma única pessoa ou por um grupo muito restrito de pessoas Laser ideais para utilização por grupos de utilizadores A disponibilização de cor não representa normalmente qualquer acréscimo do preço de uma impressoras de jacto de tinta, mas representa um acréscimo substancial do preço de uma impressora laser Introdução à informática Arquitectura dos computadores 48

25 Periféricos de Entrada e Saída Tanto permitem efectuar a entrada como a saída de dados. São dispositivos capazes de canalizar informação do interior para o exterior do computador e vice-versa. Drives Permitem a troca de informação entre suportes de armazenamento e o CPU I/O porque permitem a leitura e a gravação Modems/Fax Permitem ligar um computador a outro(s) através da linha telefónica, convertendo os sinais digitais em analógicos e vice-versa Internos (Slot de Expansão) ou Externos (Porta Série) Placas de Rede Dispositivo interno que permite ligar um computador a uma rede de computadores Placas de Som Placa responsável por processar o som na forma analógica TouchScreen (Monitor táctil) Introdução à informática Arquitectura dos computadores 49 Portas de Comunicação Os computadores têm habitualmente dois tipos de dispositivos para entrada/saída de dados: portas paralelas, designadas por LPT1, LPT2, etc... portas série, designadas por COM1, COM2, etc... Os computadores possuem, em geral dois modos de transmissão de dados: Paralela: os bits são transmitidos em simultâneo, (por exemplo, 8 bits de cada vez); este tipo de transmissão só é possível se o canal de transmissão for constituído por vários fios que permitam o fluxo simultâneo de determinado número de bits; transmissão indicada apenas para pequenas distâncias Ex: impressora Série: os dados transmitidos circulam bit a bit, uns a seguir aos outros; as comunicações de dados deste tipo não necessitam de tantos fios como numa transmissão em paralelo; para um só sentido de transmissão, pode bastar apenas um fio por onde circulam sequencialmente os bits; caso se pretenda envio e recepção em simultâneo, serão necessários pelo menos dois fios, um para cada sentido da transmissão; mais lentas; permitem distâncias até 15 metros Ex: modem Introdução à informática Arquitectura dos computadores 50

26 Comunicação computadorperiférico Controlada por um dispositivo controlador Cada controlador estabelece as comunicações para cada tipo de periférico em particular Os controladores são ligados ao mesmo bus que liga o CPU à memória principal DMA (Direct Memory Access) capacidade do controlador aceder à memória Introdução à informática Arquitectura dos computadores 51