Roteiro Unidade 1 Historia da computação Arquitetura de computadores - um resumo A Informática e o Computador Evolução do Computador O Computador Arquitetura Modulos Tipos de hardware 1 2 Introdução Informática engloba Computadores: desenvolvimento e uso Uma definição de Informática Ciência do tratamento automático da informação Para tal, usa-se Número, texto, gráfico, imagem, som, etc. Equipamentos necessários Aplicações da Informática Praticamente todas as áreas Engenharias(todas) Medicina Geologia Educação Direito Filosofia Etc. 3 4
Conceitos O computador Conceitos e histórico Computador Qual a sua definição? Histórico Como chegamos até o PC moderno?? 5 6 Arquitetura Von Neumann Barramento Modelo inicial proposto por Von Neumann 7 8
Ábaco (! 3500 a.c.) As primeiras Maquinas de computar Computar = Contar 9 10 Bastões de Napier (1610-1614) Pascaline John Napier (1550-1617) Escocês, inventor dos logarítmos, também inventou os ossos de Napier Tabelas de multiplicação gravadas em bastão, o que evitava a memorização da tabuada. Origen das réguas de Cálculo (1621) Calculadora de Pascal (1642) Até 9 discos Primeira máquina calculadora, que fazia apenas somas e subtrações. 11 12
Calculadora de Leibniz O projeto de Pascal foi bastante aprimorado por um matemático alemão Que também inventou o cálculo, chamado Gottfried Wilhelm Leibniz (1646-1726) Calculadora de Leibnitz 1671 Adições Subtrações Multiplicações Divisões Calculadoras x Computadores Todas essas máquinas, porém, estavam longe de ser um computador de uso geral, pois não eram programáveis. Isto quer dizer que a entrada era feita apenas de números, mas não de instruções a respeito do que fazer com os números. 13 14 Maquinas Programaveis??? Calculadora Programável A origem da idéia de programar uma máquina vem da necessidade de que as máquinas de tecer produzissem padrões de cores diferentes. No século XVIII foi criada uma forma de representar os padrões em cartões de papel perfurado, que eram tratados manualmente. Em 1801, Joseph Marie Jacquard (1752-1834) inventa um tear mecânico, com uma leitora automática de cartões. Placa Perfurada (1801) Arithmometer (1820) 15 16
Calculador diferencial Calculador Analítico Máquina Diferencial de Babbage (1823) Máquina capaz de calcular polinômios por meio de diferenças Máquina Analítica Babbage, Ada Lovelace 17 18 Calculador Analítico Calculador Analítico Esta máquina era extremamente semelhante ao computador atual. Sua parte principal seria um conjunto de rodas dentadas, o moinho, formando uma máquina de somar com precisão de 50 dígitos. As instruções seriam lidas de cartões perfurados. Os cartões seriam lidos em um dispositivo de entrada e armazenados, para futuras referências, em um banco de 1000 registradores. Cada um dos registradores seria capaz de armazenar um número de 50 dígitos, que poderiam ser colocados lá por meio de cartões a partir do resultado de um dos cálculos do moinho. Além disso tudo, Babbage imaginou a primeira máquina de impressão, que imprimiria os resultados dos cálculos, contidos nos registradores. 19 20
A Maquina de Tabular Máquina de Hollerith (1886) A Maquina de Tabular máquina capaz de processar dados baseada no processamento de cartões perfurados. A máquina de Hollerith foi utilizada para auxiliar no censo de 1890. Reduziu o tempo de processamento de dados de 7 anos, do censo anterior, para apenas 2 anos e meio. A máquina de Hollerith foi também pioneira ao utilizar a eletricidade na separação, contagem e tabulação dos cartões. A empresa fundada por Hollerith é hoje conhecida como International Bussiness Machines, ou IBM. 21 22 Cartão Perfurado Era Eletro Mecânica - Histórico Primeira geração (1930-1958) Relé e válvula 23 24
Harvard Mark I Harvard Mark I MARK I Foi na II Guerra Mundial que realmente nasceram os computadores como conhecemos. A Marinha americana, em conjunto com a Universidade de Harvard, desenvolveu o computador Harvard Mark I. Projetado pelo professor Howard Aiken, com base no calculador analítico de Babbage. O Mark I ocupava 120 m3 aproximadamente, conseguindo multiplicar dois números de 10 dígitos em 3 segundos. 25 26 ENIAC Simultaneamente a construção do Mark I, e em segredo, o Exército Americano desenvolvia um projeto semelhante Chefiado pelos engenheiros J. Presper Eckert e John Mauchy, cujo resultado foi o primeiro computador a válvulas: o Eletronic Numeric Integrator And Calculator: ENIAC. Ele era capaz de fazer 500 multiplicações por segundo! Foi projetado para calcular trajetórias balísticas O ENIAC foi mantido em segredo pelo governo americano até o final da guerra, e só foi anunciado para o mundo após o fim da guerra. Continuou em operação por mais de 10 anos ENIAC ENIAC Electronic Numeric Integrator and Calculator 27 28
ENIAC No ENIAC, o programa era feito rearranjando a fiação em um painel. Nesse ponto John von Neumann propôs a idéia que transformou os calculadores eletrônicos em cérebros eletrônicos : modelar a arquitetura do computador segundo o sistema nervoso central. ENIAC Para isso, eles teriam que ter 3 características: 1. Codificar as instruções de uma forma possível de ser armazenada na memória do computador. Von Neumann sugeriu que fossem usados uns e zeros. 2. Armazenar as instruções na memória, bem como toda e qualquer informação necessária a execução da tarefa. 3. Quando processar o programa, buscar as instruções diretamente na memória, ao invés de lerem um novo cartão perfurado a cada passo. 29 30 ENIAC Este é o conceito de Programa Armazenado, cujas principais vantagens são: Rapidez Versatilidade Automodificação. Assim, o computador programável que conhecemos hoje, onde o programa e os dados estão armazenados na memória ficou conhecido como computador de von Neumann. Computador: segunda geração (1955-1965) Componente eletrônico que começou a se popularizar na década de 1950 tendo sido o principal responsável pela revolução da eletrônica na década de 1960, e cujas funções principais são amplificar e chaveamento de sinais elétricos. Substituiu as válvulas e reles por transístores Melhorando o consumo e a velocidade das maquinas. O transistor 31 32
Circuitos Integrados Computador: terceira geração (1965-1980) Transistor + circuito integrado Um circuito integrado é um dispositivo microeletrônico que consiste de muitos transístores e outros componentes interligados capazes de desempenhar muitas funções. Suas dimensões são extremamente reduzidas, os componentes são formados em pastilhas de material semicondutor. Circuitos Integrados Computador: terceira geração (1965-1980) A importância da integração está no baixo custo e alto desempenho, além do tamanho reduzido dos circuitos aliado à alta confiabilidade e estabilidade de funcionamento. Uma vez que os componentes são formados ao invés de montados, a resistência mecânica destes permitiu montagens cada vez mais robustas a choques e impactos mecânicos, permitindo a concepção de portabilidade dos dispositivos eletrônicos. 33 34 Circuitos Integrados Computador: terceira geração (1965-1980) LSI x VLSI.. Computador: quarta geração (1980 -...) LSI - Large Scale of Integration Very Large Scale of Integration Fotomicrografia em cor falsa de um chip equivalente ao pentium IV aumentada 2400 vezes 35 36
Arquitetura de Computadores Arquitetura e funcionamento dos PC s Modernos Mesmo que a tecnologia utilizada nos computadores digitais tenha mudado dramaticamente desde os primeiros computadores da década de 1940, quase todos os computadores atuais ainda utilizam a arquitetura de von Neumann proposta no final da década de 1940 por John von Neumann. 37 38 Componentes de Computador Computador Moderno Quatro componentes básicos Computador como um sistema Conjunto de componentes interrelacionados. 39 40
Arquitetura Von Neumann Visão simplificada da arquitetura de Von Neumann Componentes de Computador Processador Trata informações armazenadas em memória (programas e dados) Memória Armazenagem de programas e dados Periféricos Responsáveis por entradas e saídas de dados 41 42 Componentes de Computador Moderno LEGENDA: 01- Monitor 02- Placa-Mãe 03- Processador 04- Memória RAM 05- Placas de Rede, Som, Vídeo, Fax... 06- Fonte de Energia 07- Leitor de CDs e/ou DVDs 08- Disco Rígido (HD) 09- Mouse 10- Teclado 43 Processador Chamada CPU (Central Unit Processing) 44
Unidade de Controle Controla ações do computador Comanda demais componentes Gerência interrupções A cada requisição, uma interrupção é tratada Circuito oscilador Sincroniza e dita velocidade de transferência de dados Por Clock exemplo, entre processador e memória principal Freqüência medida em ciclos por segundo, ou Hertz. 75 Mhz(primeiro Intel Pentium ) 3-4 Ghz ( Processadores Atuais..) 45 46 Memória Conjunto de circuitos: armazena dados e programas Classificações de memórias Primaria, secundaria, terceira Tipos de Memória Primária Existem basicamente dois tipos de memórias primárias em um computador: Memória RAM; Memória ROM; 47 Memória RAM RAM (Random Access Memory) Memoria principal, permite que os dados sejam lidos e gravados pela CPU a qualquer instante e com alta velocidade.(principal responsavel pelo bom desempenho das maquinas) CPU usa RAM para Armazenar e executar programas vindos do disco Ler e gravar os dados que estão sendo processados Memória RAM é VOLÁTIL Quando o computador é desligado, dados são apagados Memória cache(tipo de RAM integrada) Pequena porção de memória, curto tempo de resposta Em geral integrada aos processadores Incrementa desempenho na execução de um programa 48
Tipos de ROM A memória ROM (Read-Only Memory) é uma memória que só pode ser lida e os dados não são perdidos com o desligamento do computador. Um software gravado na ROM recebe o nome de firmware São basicamente três existentes nessa memória para um computador da linha IBM-PC, que são acessados toda vez que ligamos o computador: BIOS (Basic Input-Output System) Sistema Básico de Entrada e Saída Realizar a "partida" do computador Ao ligar-se um computador entra a BIOS: Realiza a contagem de memória Rápida checagem do funcionamento do computador Memória Memória Primaria Armazena-se programas e dados Referenciada na especificação de um microcomputador Quantidades usuais disponíveis 32, 64, 128, 256, 512, 1024,... (Mbytes) Conjunto de chips inseridas na placa mãe 49 50 Memória Memória Secundária A Memória secundária ou Memória de Massa é usada para gravar grande quantidade de dados, que não são perdidos com o desligamento do computador, por um período longo de tempo. Exemplos de memória de Massa: CD-ROM; DVD; Disco rígido; Disquete Pen Drive 51 52
Memória Secundária Normalmente a memória secundária não é acessada diretamente pela ULA, mas sim por meio dos dispositivos de Entrada e Saída. Isso faz com que o acesso a essa memória seja muito mais lento do que o acesso a memória primária. Como os dispositivos são eletromecanicos no geral o tempo de acesso é bem maior o que faz com que sejam dispositivos mais lentos quando comparados as memórias primarias Memória Terciária Sistemas mais complexos de computação podem incluir um terceiro nível de memória, com acesso ainda mais lento que o da memória secundária. Um exemplo seria um sistema automatizado de fitas contendo a informação necessária. A memória terciária não é nada mais que um dispositivo de memória secundária ou memória de massa colocado para servir um dispositivo de Backup. 53 54 Barramentos barramento é um conjunto de linhas de comunicação que permitem a interligação entre dispositivos, como o CPU, a memória e outros periféricos. O desempenho do barramento é medido pela sua largura de banda (quantidade de bits que podem ser transmitidos ao mesmo tempo), geralmente potências de 2: 8 bits, 16 bits, 32 bits, 64 bits, etc. Também pela velocidade da transmissão medida em bps (bits por segundo) por exemplo: Barramentos Função Via de comunicação entre componentes de computador Tipos principais De processador De cache De memória De I/O(intput / Ouput x Entrada/Saída) 55 56
Barramento do Processador Via de comunicação entre a CPU e o chipset Transferir dados entre CPU e barramento principal Chipset Um dos principais fatores para bom desempenho de PC Ficando atrás do processador e das memórias Diferenças entre fabricantes Qualidade e tecnologia empregada no chip. 57 58 Chipset Maioria dos Chipsets formada por dois chips North Bridge (Ponte Norte) South Bridge (Ponte Sul) Chipset: pra que serve? Controle do barramento PCI Controle do barramento AGP Controle do barramento ISA (pc's mais antigos) Controle e acesso a memória, incluindo a cache L2 ( RAM Integrada a CPU) Controle dos sinais de interrupção Controle da Interface IDE( interface do Disco Rigido) Controle da Interface USB etc.. 59 60
Barramento de E/S Desenvolvimento de barramento de I/O não para Padronizado para prover menor custo ao usuário Limitação do desenvolvimento Barramento de E/S ISA, MCA, EISA, VESA, PCI Local Bus,USB,Firewire Barramento ISA PC original em 1981 8 bits Expandido: 16 bits (PC/AT 1984), padrão da indústria Padrão ISA ainda é utilizado até hoje Substituído em alguns casos pelo PCI Padrão ISA ainda é rápido (periféricos atuais) Placa fax/modem, placa de som 61 62 Barramento ISA Slot ISA (8 bits) Slot ISA (16 bits) Barramento PCI Peripheral Component Interconnect Padrão de barramento local desenvolvido pela Intel PCI não ligado a família de microprocessadores Parte dos PCs incluem um barramento PCI Além de barramento de expansão ISA Tendência é que ISA seja totalmente substituído pelo PCI 63 64
Barramentos 65 Barramento PC-Card (PCMCIA) Para computadores portáteis Notebooks e laptops Desenvolvido pela PCMCIA com mais de 300 fabricantes Padrões: adaptador, expansão (notebook e laptop) Cartão PCMCIA 68 conectores, mais caro que o ISA Apesar dos padrões, cartões não são tão compatíveis, pode funcionar bem com um e não funcionar com outro Notebook. Possuem o recurso de ser Plug and Play 66 Barramento PC-Card (PCMCIA) 67 Comunicação serial 12 Mbps (conexão de 4 fios) Único porto USB Até 127 perifíericos (mouse, teclados, scanners, câmeras) Plug and Play Conectar dispositivos com máquina ligada (precisar reiniciá-la) USB detecta e aloca recursos para funcionamento Suporte a USB: com o Windows 95 e mais ainda pelo BIOS USB Outra característica importante Dispositivos USB têm o fornecimento de energia pelo USB USB verifica energia requerida e avisa se excederem os limites 68
USB Com o sucesso do USB, rapidamente se procurou expandir as suas possibilidades, principalmente na velocidade. USB 1.0 Primeira versão, lançada em Novembro de 1995, no mesmo ano em que a Apple começou a utilizar portas FireWire. USB 1.1 Lançada em Janeiro de 1996, primeira versão de sucesso do USB. Transmite dados a 1,5MB/s ou 12Mb/s. USB 2.0 Lançada em 2002, cuja maior novidade é o aumento da capacidade de velocidade de transferência de dados, e correção de alguns dados técnicos. Transmite dados até 480Mb/s. 69 Dispositivos USB Entre os mais conhecidos dispositivos que utilizam-se da interface USB estão: Webcam Teclado Mouse Unidades de armazenamento (HD, Pendrive, CD- ROM) PDA Câmera digital Impressora 70 Firewire (IEEE 1394) Barramento serial padrão externamente rápido Taxas de transferências de dados de até 400 MBps Conectar até 63 dispositivos externos Ideal para altas taxas em tempo-real, tal como vídeo Plug-and-Play Fornece potências aos periféricos Principal diferença entre do 1394 e USB 1394 suporta taxas de transferências altas e é mais caro 1394 para câmeras de vídeo, e USB para os demais periféricos Firewire Utilidade O FireWire é uma tecnologia de Input/Output (I/O) de alta velocidade para conexão de dispositivos digitais, tais como camcorders e câmeras digitais, a computadores portáteis e desktops. Amplamente adoptada por fabricantes de periféricos digitais como a Sony, Canon, JVC e Kodak, o FireWire tornou-se um padrão estabelecido na indústria tanto por consumidores como por profissionais. Desde 1995 que um grande número de camcorders digitais modernas incluem esta ligação, assim como os computadores Macintosh e PCs da Sony, para uso profissional ou pessoal de áudio/vídeo. 71 72
Firewire Utilidade O FireWire também foi usado no ipod da Apple durante algum tempo, o que permitia que as novas músicas pudessem ser carregadas em apenas alguns segundos, recarregando simultaneamente a bateria com a utilização de um único cabo. Os modelos mais recentes, porém, como o ipod Nano e o novo ipod de 5ª geração, já não utilizam uma conexão FireWire (apenas USB 2.0). I/O usuais: entrada Teclado Lê os caracteres digitados pelo usuário Mouse Lê os movimentos e toque de botões Drive de CD-ROM Lê dados de discos CD-ROM Microfone Transmite sons para o computador Scanner Usado para o computador "ler" figuras ou fotos 73 74 I/O usuais: saída Caixas de Som Realiza comunicação com o usuário através de som Vídeo Mostra ao usuário, na tela caracteres e gráficos Impressora Imprime caracteres e gráficos I/O usuais: entrada e saída Disco rígido Grava e lê dados Drive de disquete Grava e lê dado em disquete Unidade de fita magnética Grava e lê dados em fitas magnéticas MODEM Transmite e recebe dados 75 76
Comunicação com Dispositivo Comunicação paralela Cada bit conduzido por um fio dedicado Grande quantidade de fios (ou vias) Impressoras Comunicação serial Bits transmitidos um a um (seqüencial), uma única via Pequena quantidade de fios Mouse, modem, Pen Drive, Web Cam 77