Capítulo 1 Os Computadores e a Sua Arquitetura Neste capítulo nós trataremos de alguns conceitos básicos sobre o modelo de arquitetura dos computadores modernos, seus componentes e suas principais funções. 1.1 Entendendo o computador Quando você pensa na palavra computador, provavelmente você imagina a máquina que está em cima da sua mesa e que é usada para criar documentos, enviar e-mails ou explorar a WEB. Podemos nos referir a este tipo de computador como um PC (personal computer) já que este foi desenvolvido para o uso pessoal ou, ainda como Desktop (computador de mesa) já que também é pequeno o suficiente para caber sobre sua mesa. Alguns computadores, são conhecidos como Supercomputadores, estes são grandes o suficiente para ocupar salas inteiras e tem um poder computacional de trilhões de cálculos por segundo. Existem ainda computadores menores, como os notebooks e laptops ou ainda, os que cabem na palma de sua mão, como os Palmtops. Milhares de pequenos computadores embarcados (embutidos) em equipamentos portáteis são produzidos e vendidos diariamente em automóveis, ar condicionados, microondas, mp3 players, celulares etc. Figura 1: Supercomputador: "Papa-léguas" (Foto divulgação IBM) Figura 2: Personal Computer ou Desktop Figura 3: Notebook Figura 4: Celular + Palmtop (Foto divulgação (Foto divulgação Compaq) (Foto divulgação Mercado Livre) Motorola)
O que todas estas máquinas têm em comum e, o que os caracterizam como computadores, é que eles recebem, armazenam, processam dados e transmitem informações. 1.2 A arquitetura dos computadores modernos 1.2.1 Entendendo a Estrutura Um dos primeiros passos para entender o que é o computador e como eles trabalham é distinguir entre software e hardware. O termo hardware refere-se a todos os componentes da parte física do sistema computacional, tais como: teclados, monitores, mouses, unidades de disco etc. Tudo que podemos tocar em um computador é o hardware! Já o termo software refere-se aos programas que são executados no computador, tais como: os processadores de textos ou os navegadores WEB etc. O software é a parte intangível do computador! Ninguém consegue pegar no e-mail, MSN ou Orkut. O sistema computacional é composto pelo hardware em conjunto com o software. Lembre-se: um não funciona sem o outro! A revelia da diversidade de formas dos componentes de hardware de um sistema computacional, todos os computadores modernos compartilham a mesma estrutura arquitetural. Esta estrutura, denominada de arquitetura de von Neumann e que foi proposta em meados da década de 40, é composta por três partes essenciais que trabalham juntas para o processamento de dados e a geração de informação. São elas: A unidade central de processamento UCP (do inglês, central unit process CPU), responsável por todo processamento dos dados. A unidade de memória, responsável pelo armazenamento dos dados e dos programas. E os dispositivos de entrada e saída de dados;
Figura 5: Arquitetura de von Neumann Nesta proposta, a CPU está dividida em duas partes: a unidade lógica e aritmética ULA e a unidade de controle UC. 1.2.2 O funcionamento da estrutura Por mais complexas que pareçam as ações executadas por um computador, elas nada mais são que combinações de quatro funções básicas: mover, processar, armazenar dados e/ou controlar estas atividades. Computador é qualquer máquina capaz de processar dados automaticamente. Figura 6: Fluxo de Dados Para processar um dado o computador precisa adquiri-lo através de algum dispositivo de entrada, movê-lo até a CPU, armazenar resultados intermediários e finais dos cálculos, em locais da memória onde possam ser posteriormente encontrados e, controlar as funções de transporte, armazenamento e processamento, para que depois, através de algum dispositivo de saída possamos recuperar a informação gerada através deste processamento. O transporte de dados é executado através do fluxo de dados propagado ao longo de uma estrutura que liga os pontos de origem e destino dos dados, o barramento de dados. Da mesma forma, as funções de controle dos dispositivos são executadas através da propagação de sinais em um barramento especial chamado de barramento de controle. Os sinais de controle são interpretados pelos componentes do sistema computacional responsáveis pela manipulação dos dados, fazendo-os atuar ou não dependendo da presença ou ausência destes sinais.
A função de processar dados consiste basicamente em tomar decisões do tipo se isso... faça aquilo... relacionando os dados e gerando informações. Todo e qualquer processamento de dados, por mais complexo que possa parecer nada mais é do que uma combinação de ações que são baseadas em decisões simples. Em uma lista telefônica, os números, os nomes e os endereços dos seus respectivos proprietários são dados, mas quando alguém pesquisa e encontra o telefone do médico que vai fazer uma consulta, estes dados se tornam informação útil. O processamento consiste em extrair informações dos dados. A função de armazenar dados consiste em manter um dado em certo local da memória enquanto ele for necessário, de tal forma que ele possa ser recuperado quando o sistema precisar dele. Uma célula de memória típica é capaz de armazenar um dado e mantê-lo armazenado até que alguma ação externa venha a alterá-lo.
1.3 Entendendo a Arquitetura dos Computadores 1.3.1 Unidade Central de Processamento UCP ou CPU A unidade central de processamento é composta por um conjunto de registradores, uma unidade lógica e aritmética, uma unidade de controle e um relógio. Os Registradores são estruturas de memória, dentro da CPU, de altíssima velocidade utilizadas para armazenar dados e instruções durante o processamento. A Unidade Lógica e Aritmética é a estrutura responsável por realizar todas as operações matemáticas sobre os dados. A Unidade de Controle é a estrutura dentro da unidade central de processamento que responsável pela ativação ou desativação dos dispositivos de movimentação de dados (entrada e saída), busca de instruções e controle da unidade lógica e aritmética. O Relógio (ou Clock) é a estrutura responsável pela geração de ciclos de tempo (ou pulsos) para a sincronização dos dispositivos da CPU. Figura 7: Esquema lógico do fluxo de dados em um computador 1.3.2 Dispositivos de Entrada & Saída Os dispositivos de entrada são equipamentos que permitem a aquisição de dados através da interação com o mundo exterior. Temos como exemplos desta classe de dispositivos: teclados, mouses, scanners, webcams, microfones, telas sensíveis a toques, joysticks, leitores de código de barras etc.
Figura 8: Exemplos de periféricos de entrada Os dispositivos de saída são equipamentos que permitem a saída de informações, possibilitando sua visualização, armazenamento, ou utilização por outros equipamentos. São exemplos desta classe de equipamentos: monitores, impressoras, caixas acústicas, vídeo projetores etc. Figura 9: Periféricos de Saída Existe ainda uma classe de dispositivos que permitem tanto a entrada de dados quanto a saída de informações, são os dispositivos de entrada e saída. São exemplos desta classe: disquetes, cd-rw, dvd-rw, pendrivers, cartões de memória, modems, interfaces de rede, discos rígidos etc. Figura 10: Periféricos de Entrada & Saída 1.3.3 Memória A memória é o dispositivo onde os computadores armazenam seus dados e seus programas. Podemos entender a memória como seu espaço para trabalhar. Imagine que você está montando um carrinho de brinquedo, o espaço necessário para este trabalho é pequeno! Entretanto, quando pensamos no espaço necessário para montar um avião jumbo, logo percebemos que este deve ser muitas vezes maior do que o do exemplo anterior. Da mesma forma, acontece com a memória nos computadores. Esta é proporcional ao tamanho do trabalho. Quanto mais programas trabalhando ao mesmo tempo, mais memória será necessária. Existem dois tipos básicos de memória: a memória principal cuja função é prover um espaço de trabalho para os programas manterem seus dados durante a sua execução e, a memória secundária (ou de
armazenamento) cuja função é prover um espaço de armazenamento persistente para os dados do computador. 1.3.3.1 Memória Principal A memória principal (RAM1), também chamada de memória de trabalho, serve tanto para leitura de dados quanto para escrita. Este tipo de memória necessita de energia elétrica para manter os seus dados o que a caracteriza como uma memória volátil. Como é feita apenas por circuitos elétricos seu acesso é extremamente rápido. Existem vários tipos de memória e comercialmente são conhecidas como: DIMM, SIM, DDR, DDRII etc. Figura 11: Pentes de memória RAM Todos os programas que você executa no computador, inclusive o sistema operacional, são armazenados na RAM durante sua execução. Ainda na memória principal dos computadores encontramos a memória ROM2. Esta memória é definida como apenas para leitura de dados. Estes dados foram previamente gravados pelo fabricante do hardware e, sua função é guardar as informações necessárias para ativação do computador quando este for ligado. A memória ROM não é volátil, em outras palavras, não necessita de energia elétrica para manter seus dados. Figura 12: CHIP de memória ROM Geralmente, depois de gravada, a ROM, não pode ser mais alterada. Entretanto, existem alguns tipos de memória ROM que são reprogramáveis. PROM ROM programável, que através de circuitos especiais podem ser gravadas apenas uma vez. 1 Memória de acesso randômico (acrônimo do inglês, Random Access Memory). 2 Memória apenas para leitura (acrônimo do inglês, Read Only Memory).
Figura 13: CHIP de memória PROM EPROM reprogramável, podendo ser apagada mediante o uso de ultravioleta em uma pequena janela do chip. Figura 14: CHIP de memória EPROM EEPROM reprogramável, podendo ser apagada mediante o uso de energia elétrica em circuitos especiais do chip. Figura 15: CHIP de memória EEPROM 1.3.3.2 MEMÓRIA SECUNDÁRIA A memória secundária ou memória de armazenamento é uma memória não-volátil, cuja a função é de armazenar dados persistentemente. Ela não trabalha diretamente com o processador, por isso, as informações contidas nesta memória precisam ser armazenadas na memória principal (RAM) para serem processadas. Podemos citar nesta categoria: discos rígidos (ou HD, acrônimo do inglês Hardware Disk), pendrivers, CD-RW, DVD-RW etc. A memória secundária é muito usada por sua enorme capacidade de armazenamento. Figura 16: Disco rígido moderno aberto (fonte wikipédia)
1.3.3.3 A Memória CACHE A memória cache surgiu quando se percebeu que a velocidade das memórias não eram mais capazes de acompanhar a velocidade do processador, fazendo com que muitas vezes este tivesse que ficar esperando os dados serem liberados pela memória RAM para poder concluir suas tarefas, perdendo muito em desempenho. Para solucionar este problema, começou a ser usada a memória cache, um tipo ultra-rápido de memória, embutida no processador, que serve para armazenar os dados mais frequentemente usados por ele, evitando na maioria das vezes que este tenha que recorrer à memória RAM, comparativamente mais lenta. Sem a memória cache, o desempenho do sistema ficará limitado à velocidade da memória, podendo cair em até 95%! Sempre que um novo processador é desenvolvido, é preciso desenvolver também um tipo mais rápido de memória cache para acompanhá-lo. Como este tipo de memória é extremamente caro (chega a ser algumas centenas de vezes mais cara que a memória RAM convencional) a usamos em pequena quantidade.