UNIDADE 1:Fundamentos Básicos de Informática A HISTÓRIA DO COMPUTADOR A origem da computação está diretamente relacionada a matemática. Por volta de 5500 anos A.C, povos antigos que constituíam a Mesopotâmia inventaram um instrumento para auxiliá-los em cálculos matemáticos, instrumento que foi chamado de Ábaco. Usado nas áreas de comercio de mercadorias e desenvolvimento de construções civis, é considerado como a primeira máquina desenvolvida para cálculo, pois utilizava um sistema bastante simples para a resolução de problemas matemáticos. Depois em 1642, o matemático francês Bleise Pascal desenvolveu o que pode ser chamado da primeira calculadora mecânica da história, a máquina de Pascal. O objetivo de Pascal era simplificar o ofício do pai, que era contador. Seu funcionamento era baseado no uso de rodas interligadas, que giravam na realização dos cálculos. Apesar de todo esforço de Pascal a máquina era capaz apenas de somar e subtrair. Gottfried Wilhelm Von Leibnitz, matemático alemão, aperfeiçoou a máquina Pascalina em torno de 1670, introduzindo um mecanismo capaz de multiplicar, dividir e a raiz quadrada. O Ábaco e a Máquina de Pascal mostrados, as operações já estavam previamente programadas, não sendo possível inserir novas funções. Porém, no ano de 1822 foi publicado um artigo científico que prometia revolucionar tudo o que existia até o exato momento, sobre cálculo eletrônico. O autor, Charles Babbage afirmou que sua máquina era capaz de calcular funções de diversas naturezas (trigonometria, logaritmos), de forma muito simples. Esta possuía o nome de Máquina de Diferenças. Com isso Charles Babbage, se tornou o precursor do computador do ponto de vista da arquitetura de hardware. A Teoria de Boole O matemático George Boole é considerado o pai da lógica moderna. Ele desenvolveu, em 1847, um sistema lógico que reduzia a representação de valores através de dois algarismos: 0 ou 1. Prof. Esp. Salomão Soares Página 1
Em sua teoria, o número 1 tem significados como: ativo, ligado, existente, verdadeiro. Por outro lado, o 0 representava o inverso: não ativo, desligado, não existente, falso. Para representar valores intermediários, como mais ou menos ativo, é possível usar dois ou mais algarismos(bits) para a representação. Por exemplo: 00 desligado 01 carga baixa 10 carga moderada 11 carga alta Todo o sistema lógico dos computadores atuais, inclusive o qual utilizamos, usa a teoria de Boole de forma prática. Em 1801 antes da Máquina das Diferenças, Joseph Marie Jacquard, construiu de fato a primeira máquina realmente programável, com o objetivo de recortar tecidos de forma automática. A máquina foi chamada de Tear Programável, pois aceitava cartões perfuráveis com entrada do sistema. Desta maneira, Jaquard perfurava o cartão com o desenho desejado, e a máquina o reproduzia no tecido. O conceito de cartões desenvolvidos na máquina de Tear Programável foi muito útil para a realização do censo de 1890, nos estados unidos. Com isso, Hermann Hollerith desenvolveu uma máquina que acelerava todo o processo de computação dos dados computados. Ao invés da clássica caneta para marcar X em sim e não para perguntas como sexo, idade, os agentes do censo perfuravam estas opções nos cartões. Uma vez os dados coletados, o processo de computação da informação passou a demorar aproximadamente 1/3 do processo comum. Foi praticamente uma revolução na maneira de se coletar dados. Com isso, Hollerith fundou sua própria empresa, a Tabulation Machine Company no ano de 1896. Após anos no comando e algumas fusões com outras empresas, Hoolerith veio a falecer. Quando um substituto assumiu o seu lugar, em 1916, o nome da empresa foi alterado para Internacional Business Machine, a mundialmente famosa IBM. Prof. Esp. Salomão Soares Página 2
Computadores Pré-modernos Na primeira metade do século XX, várias computadores mecânicos foram desenvolvidos, sendo que com o passar do tempo, componentes eletrônicos foram sendo adicionados aos projetos. Em 1931, Vannevar Bush implementou um computador com uma arquitetura binária propriamente dita, usando os bits 0 e 1. A base decimal exigia que a eletricidade assumisse 10 voltagens diferentes, o que era muito difícil de ser controlado. Por isso, Bush fez uso da lógica de Boole, onde somente dois níveis de voltagem já eram suficientes. A segunda guerra mundial foi um grande incentivo no desenvolvimento de computadores, elas estavam se tornando mais úteis em tarefas de desencriptação de mensagens inimigas e criação de novas armas mais inteligentes. Entre os projetos desenvolvidos neste período, o que mais se destacou foi o Mark I no ano de 1944, criado pela Universidade de Harvard (EUA), e o Colossus em 1946 criado por Allan Turing. Computador MARK I Allan Turing focou sua pesquisa na descoberta de problemas formais e práticos que poderiam ser resolvidos através de computadores. Para aqueles que apresentavam solução, foi criada a famosa teoria da Máquina de Turing, que através de um número finito de operações, resolvia problemas computacionais de diversas ordens diferentes. Allan Turing se tornou uma das figuras mais importantes da computação. Computador COLOSSUS Prof. Esp. Salomão Soares Página 3
Computação Moderna A computação moderna pode ser definida pelo uso de computadores digitais, que não utilizam componentes analógicos como base de seu funcionamento. Ela pode ser dividida em várias gerações: Primeira Geração (1946-1959) A primeira geração de computadores modernos tinha como principal característica o uso de válvulas eletrônicas, possuindo dimensões enormes. Utilizavam quilômetros de fios, chegando a atingir altas temperaturas, o que causava problemas de funcionamento com frequência. O computador mais famoso da primeira geração foi o ENIAC (Electrical Numerical Integrator and Calculator). Lançado em 1946, revolucionou o mundo da computação, e foi desenvolvido pelos cientistas norte-americanos John Eckert e John Mauchly. Esta máquina era em torno de 1000 vezes mais rápida que qualquer outra que existia na época. As dimensões desta máquina são grandes, com aproximadamente 25 metros de comprimento por 5,50 m de altura. O seu peso total era de 30 toneladas. Esse valor representa algo torno de um andar inteiro de um prédio. Segunda Geração (1959-1964) Na segunda geração, houve a substituição das válvulas eletrônicas por transístores, o que diminui em muito o tamanho do hardware. A tecnologia de circuitos impressos também foi criada, assim evitando que os fios e cabos elétricos ficassem espalhados por todo lugar. É possível dividir os computadores desta geração em duas grandes categorias: supercomputadores e minicomputadores. Desenvolvido pela IBM, o IBM 7030 foi o primeiro supercomputador lançado na segunda geração, seu tamanho era bem reduzido comparado com máquinas como o ENIAC, podendo ocupar somente uma sala comum. Ele era utilizado por grandes companhias, custando em torno de 13 milhões de dólares na época. Prof. Esp. Salomão Soares Página 4
IBM 7030 Esta máquina executava cálculos na casa dos microssegundos, o que permitia até um milhão de operações por segundo. Desta maneira, um novo patamar de velocidade foi atingido. PDP-8 foi um dos minicomputadores mais conhecidos da segunda geração. Era uma versão mais básica do IBM 7030, sendo mais atrativo do ponto de vista financeiro (centenas de milhões de dólares). Eram menores do que os supercomputadores, mas mesmo assim ainda ocupavam um bom espaço no cômodo. Terceira Geração (1964-1970) Os computadores desta geração foram conhecidos pelo uso de circuitos integrados, ou seja, permitiram que uma mesma placa armazenasse vários circuitos que se comunicavam com hardwares distintos ao mesmo tempo. Desta maneira, as máquinas se tornaram mais velozes, com um número maior de funcionalidades. O preço também diminuiu consideravelmente. Um dos principais exemplos da Terceira geração é o IBM 360/91, lançado em 1967, sendo um grande sucesso em vendas na época. Esta máquina já trabalhava com dispositivos de entrada e saída modernos para a época, como discos e fitas de armazenamento, além da possibilidade de imprimir todos os resultados em papel. No final da terceira geração, houve um preocupação com a falta de qualidade nos desenvolvimento de softwares, visto que grande parte das empresas estavam só focadas no hardware. Quarta Geração (1970 - Até hoje) A quarta geração é conhecida pelo advento dos microprocessadores e computadores pessoais, com a redução drástica do tamanho e preço das máquinas. Prof. Esp. Salomão Soares Página 5
As CPUs atingiram bilhões de operações por segundo, permitindo que muitas tarefas fossem implementadas agora. Os circuitos acabaram se tornado ainda mais integrados e menores, o que permitiu o desenvolvimento dos microprocessadores. Quanto mais o tempo foi passando, mais fácil se tornou comprar um computador pessoal. Nesta era, os softwares e sistemas se tornaram tão importantes quanto o hardware. Altair 8800 O Altair 8800 lançado em 1975, revolucionou tudo o que era conhecido como computador até aquela época. Com um tamanho que cabia facilmente em uma mesa e um formato retangular, também era muito mais rápido que os computadores anteriores. O computador usava o processador 8080 da Intel, fato que propiciou todo esse desempenho. Com o lançamento do Altair, um jovem programador chamado Bill Gates se interessou pela máquina, e criou a sua linguagem de programação Altair Basic. O Altair funcionava através de cartões de entradas e saída, sem uma interface gráfica propriamente dita. Apple, Lisa e Macintosh Com o sucesso do Altair, Steve Jobs (fundador da Apple) viu que ainda faltava algo no projeto, apesar de suas funcionalidades, este computador não era fácil de ser utilizado por usuários comuns. Steve Jobs sempre foi conhecido por ter um lado artístico apurado, portanto, em sua opinião, um computador deveria representar de maneira gráfica o seu funcionamento. Apple I Por isso, em 1976, foi lançado o Apple I que pode ser considerado como o primeiro computador pessoal, pois acompanhava um pequeno monitor gráfico que exibia o que estava acontecendo no PC. Prof. Esp. Salomão Soares Página 6
Apple II Como o sucesso do Apple I foi muito grande, em 1979 foi lançado o Apple II, que seguia a mesma ideia. LISA Seguindo na mesma linha, com os computadores Lisa (1983) e Macintosh (1984), foram os primeiros a usarem o mouse e possuírem a interface gráfica como nós conhecemos hoje em dia, com pastas, menus e área de trabalho. Microsoft e Intel Paralelamente a Apple, Bill Gates fundou a Microsoft, que também desenvolvia computadores. No começo de sua existência, no final dos anos 70 e até meados dos anos 80, Bill Gates usou as ideias contidas nas outras máquinas para construir a suas próprias. Utilizando processadores 8086 da Intel, o primeiro sistema operacional da Microsoft, o MS-DOS estava bem avançado em relação ao de Steve Jobs. Por esse motivo, Bill Gates acabou criando uma parceria com Jobs, e após algum tempo, copiou toda a tecnologia gráfica do Macintosh para o seu novo sistema operacional, o Windows. Com isso, o Macintosh e o Windows se tornaram fortes concorrentes. E com a demissão de Steve Jobs da Apple, a empresa acabou muito enfraquecida. Assim, a Microsoft acabou se tornando a líder do mercado de computadores pessoais. Desde então, vários processadores da Intel foram lançados, acompanhados de várias versões de Windows. Entre os modelos da Intel, podemos citar: 8086, 286, 386, 486, Pentium, Pentium 2, Pentium 3, Pentium 4, Core 2 Duo, Quaid Core, Core i3, Core i5 e Core i7. Em 1993 a AMD entrou no ramo de processadores, com o AMD k5, lançando posteriormente AMD k6, AMD k7, Athlon, Athlon XP, Duron, Sempron entre outros. Todos os computadores pessoais novos que são lançados atualmente, são bastante derivados das ideias criadas pela Apple e pela Microsoft. Processadores Multi-core Prof. Esp. Salomão Soares Página 7
Uma das principais tendências dos últimos anos do mercado de desktops é o chamado Multi-core, que consiste em vários processadores trabalhando paralelamente. Assim, as tarefas podem ser divididas e executadas de maneira mais eficiente. No início da década de 2000, os transístores usados no processador já estavam muito pequenos, causando um aquecimento maior que o normal. Desta maneira, foi necessário dividir a CPU em vários núcleos. ORGANIZAÇÃO DE COMPUTADORES Componentes básicos de um computador Apesar de existir uma grande diversidade em termos de arquitetura de computador, todas possuem componentes padrões como todo e qualquer computador possui, independente de marca ou modelo que são: Processador Memória Placa Mãe Periféricos Processador O microprocessador, ou simplesmente processador, é um circuito integrado (chip), que é considerado como o cérebro do computador. É ele que executa os programas, faz os cálculos e toma decisões, de acordo com as instruções armazenadas na memória. O microprocessador é chamado também de CPU (Central Processing Unit). A CPU (Processador) realiza as seguintes tarefas: 1. Busca e executa as instruções existentes na memória. Os programas e os dados que ficam gravados no disco (hard disk - hd), são transferidos para a memória. Uma vez estando na memória, a CPU pode executar os programas e processar os dados. 2. Comanda todos os outros chips do computador. Prof. Esp. Salomão Soares Página 8
O que é o Clock da CPU? Arquitetura do Processador (RISC vs. CISC) De acordo com o número de instruções que o processador consegue suportar, pode-se classificá-lo como RISC (Reduced Instruction Set Computing) ou CISC (Complex Instruction Set Computing). As CPUs em sua maioria são CISC, pois um processador CISC suporta um nível maior de instruções sendo cada instrução mais especializada, e com isso, ele pode executar de modo direto, a maioria das operações programadas e solicitadas pelos programas. Com isso, o processador CISC consegue executar uma quantidade maior de instrução que o RISK, porém quanto mais instruções, mais lenta é a execução de cada uma delas. Um processador RISC reconhece um número limitado de instrução, que no entanto são otimizadas para que sejam executadas com mais rapidez. Portanto, a arquitetura RISC reduz o conjunto de instrução ao mínimo, e as instruções não implementadas diretamente são realizadas por uma combinação de instruções existentes. A Apple desenvolveu a arquitetura do seus processadores, sob a arquitetura RISC, em parceria com a Motorola e a IBM, criou a chip PowerPc, com mais poder de processamento que o chip da Intel e AMD. Ele equipa a linha de microprocessadores dos Macintosh, PowerBook, Mac Pro (nos modelos e600, G5 Dual-core, G5 Quaid-core). Estão presentes também, nos consoles Xbox 360, Playstation 3 e Wii. Memória O computador é dotado de uma quantidade de memória (que pode variar de máquina para máquina) a qual se constitui de um conjunto de circuitos capazes de armazenar os dados e os programas a serem executados pela máquina. E possui diferentes categorias: Memória principal: memória de trabalho, onde normalmente devem estar armazenados os programas e dados a erem manipulados pelo processador. Memória secundária: permitem armazenar uma maior quantidade de dados por um período de tempo mais longo, o disco rígido (hd) é o exemplo mais evidente de memória secundária de um computador. Memória cache: é uma pequena quantidade de memória com curto tempo de resposta, integrada aos processadores e que permite incrementar o desempenho durante a execução de um programa. Prof. Esp. Salomão Soares Página 9
Memória Principal: A memória principal, ou memória de trabalho, é onde estão armazenados os programas e dados a serem manipulados pelo processador. É esta memória que se referencia na especificação de um computador. E hoje, as quantidades de memória mais usuais disponíveis nos computadores são 1, 2, 4 e 8 Gigabytes de memória, ou mesmo até mais para aplicações específicas. Tipos de Memória: As memórias podem ser divididas em duas grandes categorias: 1. Memória RAM (memória de leitura e escrita): são memórias que podem ser lidos e gravados pela CPU a qualquer instante. A CPU usa a RAM para armazenar e executar programas vindos do disco, para ler e gravar os dados que estão sendo processados. Uma outra característica da RAM, é que se trata de uma memória VOLÁTIL. Isso significa que quando o computador é desligado, todos os seus dados são apagados. Tipos de Memória RAM Memória DDR SDRAM e SODIMM Memória DDR2 SDRAM e SODIMM Memória DDR3 SDRAM e SODIMM 2. Memórias Não Voláteis: são memórias cujas informações mantidas não são perdidas caso o computador seja desligado. Nos computadores, existe um programa muito importante chamado de BIOS (Basic Input-Output System - Sistema Básico de Entrada e Saída). A BIOS tem várias funções, entre as quais, a de realizar a "partida" do computador. Quando o computador é ligado, a BIOS realiza a contagem de memória, faz uma rápida checagem do funcionamento do computador e realiza a carga do Sistema Operacional que deve estar armazenado no disco. A BIOS está gravada em uma memória permanente localizada na placa mãe e é mantida por uma bateria. Existem diversos tipos de memória permanente: 1.ROM: São memórias que podem ser lidas pela, mas não podem ser gravadas. Sua gravação é feita apenas pelo fabricante do computador, ou pelo fabricante de memórias. Seu conteúdo nunca é perdido. Este tipo de memória é usado para armazenar a BIOS. 2.PROM: É uma memória ROM programável, ou seja ela vem de fábrica apagada para que os fabricantes de computadores possam gravar seu programa. Essa gravação pode ser realizada somente uma vez. 3.EPROM: É uma memória ROM programável e apagável. Funciona da mesma forma que a memória ROM, porém ela pode ser apagada somente com raios ultravioletas de alta potência. 4.EEPROM: Esta memória é a mais flexível, pois pode ser apagada sob o controle de software. Esta memória que é utilizada hoje para armazenar as BIOS Prof. Esp. Salomão Soares Página 10
atuais. Assim o usuário, pode ele mesmo atualizar a BIOS do seu computador, quando o fabricante fornece a atualização. Memória Secundária Além da memória principal, que é diretamente acessada pela CPU, existe também a memória secundária. Este tipo de memória não é acessada diretamente pela CPU. Seu acesso é feito através da Placa-mãe. A memória secundária é uma memória do tipo permanente (não se apaga quando o computador está desligado), e que tem uma alta capacidade de armazenamento. Tipos de memória secundária: Memória Cache Memória cache é uma área reservada de memória que possui duas funções: aumentar o desempenho do computador e aumentar o tempo de vida das unidades de disco. 1.1 Cache Primária Layer 1 : A cache nível 1 (L1) é a memória mais rápida de um PC. Ela é de fato construída diretamente no processador. Esta cache é pequena, geralmente de 32KB a 64KB, mas é extremamente rápida. Ela roda na mesma velocidade do processador. Se o processador solicita uma informação e pode encontrá-la na cache L1, este é o melhor caso, pois a informação é imediatamente disponível e o processador não tem que esperar. 1.2 Cache Primária Layer 2: A cache nível 2 (L2) é uma cache secundária, e é maior e um pouco mais lenta que a L1. Ela é usada para armazenar endereços recentes que não são mantidos pelo nível 1. Este nível tem um tamanho variando de 64KB a 256KB, ela também é localizada no processador. 1.3 Cache Primária Layer 3: A cache nível 3 (L3) é uma memória tipo a Cache L2, só que é mais lenta e possui um tamanho maior que varia entre 2MB a 16MB, ela também é localizada no processador. Placa-Mãe A Placa-mãe é responsável pelo controle total do computador, ela é considerada como o coração dos computadores. Na Placa-mãe ficam a maior parte dos componentes cruciais do sistema e conectores para periféricos. Todos os componentes como, processador, memória, hd e outros hardware, são conectados a Placa-mãe para o seu devido funcionamento. Prof. Esp. Salomão Soares Página 11