Arquitetura Genérica Antes de tudo, vamos revisar o Modelo Simplificado do Funcionamento de um Computador. Modelo Simplificado do Funcionamento de um Computador O funcionamento de um computador pode ser entendido, de forma bastante simplificada, como o funcionamento de um pequeno escritório de prestação de serviços composto por: Escritório Figura 1 - Analogia do funcionamento de um computador com um escritório 1. Operador executa as instruções referentes aos pedidos de serviços colocados na caixa de entrada. Ele não toma decisões de forma independente (na figura acima, o boneco); 2. Pasta de serviço conjunto ordenado de fichas contendo as instruções necessárias para execução de um determinado serviço (estas pastas estão guardadas dentro do Arquivo Metálico); 3. Arquivo metálico local onde são armazenadas diversas pastas de serviço (item 2) ou pastas com algum tipo de dado; 4. Caixa de entrada local onde são deixadas as solicitações de serviço ou algum dado para execução dos mesmos; 5. Calculadora executa operações aritméticas simples; 6. Caixa de saída local para onde são enviados os resultados dos serviços solicitados; 7. Escaninhos local onde são colocadas as fichas de uma determinada pasta de serviço com as instruções do serviço que estiver sendo executado (serviço solicitado), bem como os dados necessários. Quando as fichas não forem mais necessárias elas são retiradas dos escaninhos;
A título de ilustração, suponha que foi deixada na caixa de entrada uma solicitação para execução do serviço denominado fatorial. A pasta correspondente a esse serviço é então retirada do arquivo metálico e suas fichas são colocadas nos escaninhos para que as instruções nelas contidas possam ser executadas. Suponha, sem perda de generalidade, que as fichas foram dispostas da seguinte forma nos escaninhos: Número Conteúdo 1 Coloque o valor 1 no escaninho número 2 3 Solicite um número a ser deixado na caixa de entrada e o coloque no escaninho número. (Suponha que esse número fornecido tenha sido 3). Multiplique (utilizando a calculadora) o conteúdo do escaninho pelo conteúdo do escaninho e guarde o resultado no escaninho. 4 Subtraia (utilizando a calculadora) 1 do conteúdo do escaninho 5 Se o conteúdo do escaninho for maior que zero então volte para o escaninho 3 caso contrário continue no escaninho 6 6 Coloque o conteúdo do escaninho na caixa de saída 7 Pare 8 9 O serviço fatorial começa a ser executado no escaninho 1, e após a execução de cada instrução os escaninhos ficarão com o seguinte aspecto : Página 2
Instrução do escaninho Nº 1 2 3 4 5 3 4 5 3 4 5 6 7 Nº do Escaninho Conteúdo 1? 1 3 3 3 3 2 3 2 6 2 6 1 6 1 6 1 6 0 6 0 6 0 6 0 Para Caixa de Saída Fim da execução Observação: Em breve identificaremos cada um dos componentes do Escritório (operador, pasta de serviço, arquivo metálico, caixa de entrada, calculadora, caixa de saída e escaninhos) com os componentes correspondentes em um computador. Página 3
Arquitetura Genérica dos Computadores Todos os computadores, desde os menores micro-sistemas até os grandes sistemas complexos, consistem em quatro componentes básicos. São eles: DISPOSITIVOS DE ENTRADA E SAÍDA DISPOSITIVOS DE ARMAZENAMENTO ou MEMÓRIA UNIDADE DE CONTROLE UNIDADE DE ARITMÉTICA E LÓGICA Juntas, a Unidade de Controle e a Unidade de Aritmética e Lógica formam a Unidade Central de Processamento (CPU). Abaixo apresentamos um diagrama conhecido como Máquina de Von Neumann (grande nome da informática). Ele representa a Arquitetura Genérica de um Computador: Figura 2 - Arquitetura Genérica de um computador A figura acima indica as funções da CPU: efetuar o processamento (realizar operações lógicas e aritméticas) e gerenciar todo o tráfego de informações entre os componentes básicos do computador (memória, dispositivos de entrada e saída; unidade aritmética e lógica). Unidade de Aritmética e Lógica (UAL ou ALU): Todos os cálculos são realizados nesta unidade. Estes cálculos podem envolver operações aritméticas como adição, subtração, multiplicação e divisão ou operações lógicas como comparação de dois valores para verificar qual é o maior. Página 4
Unidade de Controle: A unidade de controle coordena todo o trabalho do computador. É ela quem controla o fluxo de dados entre as demais unidades. A unidade de controle faz com que o dispositivo de entrada leia os dados; transfere valores para a unidade aritmética e lógica, onde os cálculos são executados; armazena e recupera dados A Unidade de Controle opera sob controle do Sistema Operacional (o Windows, por exemplo, será visto posteriormente) e das instruções contidas no programa que está sendo executado. Exercícios 1) Quais os componentes básicos de um computador? 2) A CPU é formada pela e pela ; 3) Quais são as funções da CPU? 4) Dê exemplos de cálculos que são efetuados pela Unidade de Aritmética e Lógica: 5) Dê exemplos de operações lógicas que são efetuadas pela Unidade de Aritmética e Lógica: 6) Qual a importância da Unidade de Controle? Página 5
Vamos considerar cada um dos componentes da arquitetura genérica dos computadores com maiores detalhes: Dispositivos de Entrada e Saída Caixa de Entrada e Caixa de Saída na analogia com o escritório (Figura 1). Qualquer sistema de computação não teria utilidade se não pudesse comunicar-se com o mundo exterior, isto é feito através de dispositivos de entrada e saída. Os dispositivos de entrada fornecem o meio pelo qual os dados (e as instruções, como veremos) são transmitidos ao computador. Já os dispositivos de saída são necessários à apresentação dos resultados. Tendo em conta a interação homem/máquina são ditos dispositivos de entrada os seguintes equipamentos: leitora de cartões, mouse, teclado, tela sensível a toque, microfone, canetas ópticas, digitalizadores etc. No caso de interação máquina/máquina teríamos placas de redes, modem etc. Estes dispositivos seriam tanto de entrada como de saída. Os dispositivos de saída podem ser os seguintes equipamentos: impressora, perfuradora de cartões, monitores de vídeo, alto-falantes, plotadores, etc. Exercícios 7) O que são dispositivos de entrada? Exemplifique: 8) O que são dispositivos de saída? Exemplifique: Página 6
Dispositivos de Armazenamento ou Memória Escaninhos e Arquivo Metálico na analogia com o escritório (Figura 1). Estes dispositivos são divididos em dois tipos: Memória Principal ou Interna e Memória Secundária ou Auxiliar ou Externa. Os programas, e os dados necessários à sua execução têm que estar carregados na memória denominada de principal para que possam ser executados pela UCP. Todo computador vem com uma certa quantidade de memória principal (interna) na forma de semicondutores ou CHIPS, juntamente com memória secundária (auxiliar ou externa) esta na forma de, por exemplo, disco ou fitas magnéticas. Estas duas formas de memória diferem tanto em características quanto em finalidades. Memória Principal Escaninhos na analogia com o escritório (Figura 1). Chamamos de memória do computador qualquer meio que a máquina utilize para armazenar ou recuperar informações. Quase todo tipo de processamento implica no armazenamento de informações, seja em caráter temporário ou permanente. Essa necessidade depende do programa e do usuário. Por exemplo, alguém pode usar um processador de texto para escrever um bilhete e imprimi-lo sem gravar o documento para uso posterior. Nesse caso, o texto ficou armazenado apenas na memória principal, pelo tempo que o usuário levou para digitá-lo e imprimi-lo. Na maioria das vezes, o usuário grava o texto na forma de um documento, em um hard disk (HD) ou disquete, para ser usado em outra ocasião. Classificamos as memórias em dois tipos distintos: memória principal e memória auxiliar. A memória principal está localizada dentro do gabinete, diretamente ligada à UCP. É fabrica em forma de chip e caracteriza-se pela alta velocidade com que pode ser acessada e pelo tamanho reduzido. A memória principal pode ser dividida em três grupos: a memória RAM, a memória ROM e a memória CACHE. Memória RAM Os programas que estão sendo executados devem residir (estar carregados), juntamente com os dados necessários a sua execução, na memória principal RAM que é aquela que é acessada diretamente pelo microprocessador. Por ser cara, devido ao material e a tecnologia utilizada na sua fabricação, a memória RAM é um recurso escasso na maioria dos sistemas. Trata-se de uma memória que permite acesso direto a qualquer uma de suas partes. Daí o nome RAM (Memória de Acesso Randômico). A memória RAM possui como características principais a alta velocidade de acesso, a possibilidade de ser lida e gravada durante o processamento e o fato de não reter a informação caso seja interrompido o fornecimento de energia, por isso dizemos que a memória RAM é volátil. Página 7
Memória ROM (Read Only Memory Memória Apenas para Leitura) A ROM também pode ser acessada\lida diretamente pelo microprocessador, mas seu conteúdo não é perdido quando o computador é desligado (ela não é volátil) sendo, entretanto, mais lenta do que a RAM. A ROM quando surgiu era um tipo de memória apenas de leitura (seus dados não poderiam ser alterados), destinada a armazenar informações referentes ao hardware do computador. Atualmente existem os seguintes tipos de ROM: ROM propriamente dita não pode ser programada nem alterada. Utilizada em dispositivos tais como: calculadoras, telefones celulares etc.; PROM (Programmable ROM) essa ROM pode ser programada por um equipamento especial usado em laboratórios, mas não pode ser modificada. Útil, por questões de segurança, para quem desenvolve algum tipo de hardware específico; EPROM (Erasable PROM) é uma ROM que pode ser apagada e reprogramada com um software especial. Estes procedimentos têm que ser feitos com aparelhos em laboratórios eletrônicos, como emissores de luz ultra-violeta; EEPROM (Eletrical Erasable PROM) Essa PROM pode ser apagada e reprogramada com um software especial. Normalmente as placas-mãe têm EEPROMS para armazenar o BIOS, permitindo sua atualização. Página 8
O que é BIOS? Nos microcomputadores existe um CHIP muito importante chamado BIOS (Basic Input- Output System Sistema Básico de Entrada e Saída). O BIOS tem várias funções, entre as quais, a de realizar a partida do computador. Quando ligamos o computador, o BIOS realiza a contagem de memória, faz uma rápida checagem do funcionamento dos computador e realiza a carga do Sistema Operacional (será visto posteriormente) que está armazenado no disco. O BIOS é um CHIP de memória ROM, constitui um circuito eletrônico com um programa gravado. Cada fabricante tem o seu CHIP BIOS específico, de acordo com os componentes do computador que produz. Entretanto, quando alguma parte do hardware é modificada, uma troca de um disco rígido (winchester), por exemplo, o BIOS precisa ser atualizado com as características deste novo componente para realizar seu trabalho. Para atender a esta necessidade, atualmente, o CHIP BIOS é gravado num tipo de ROM chamado EEPROM (Eletrical Erasable Programmable ROM) que permite a atualização do BIOS. Página 9
Memória CACHE Quando o computador efetua uma leitura ou uma gravação em um meio de armazenamento externo (memória secundária) qualquer, como um winchester ou um drive, este acesso atrasa muito o processamento, pois estes equipamentos dependem de movimentar peças mecânicas. Por isso alguns equipamentos são dotados de uma memória que tem características de funcionamento muito peculiares e que pode acelerar o processamento da seguinte forma: O sistema operacional monitora os acessos ao winchester (memória secundária), verificando quais os dados estão sendo lidos com maior freqüência e quando for solicitada a leitura de um determinado dado que já vinha sendo monitorado, o sistema operacional armazena na CACHE uma quantidade de informação maior do que aquela que foi solicitada no momento. Quando se faz uma nova solicitação de leitura desse dado, a CPU verifica primeiro se esta informação esta armazenada na memória cache. Como a memória CACHE é muito mais rápida que a memória RAM e mais ainda que um Winchester, economiza-se muito do tempo necessário para levar a informação ao processador. Página
Memória Secundária ou Auxiliar Arquivo Metálico na analogia com o escritório (Figura 1). Conforme foi visto, a memória principal é escassa, por isso, toda a informação desnecessária (naquele momento) para a execução de uma determinada tarefa/programa pelo computador, deve ser relegada ao armazenamento na memória externa/secundária/auxiliar, cuja capacidade pode ser quase ilimitada, mas que apresentam tempos maiores de recuperação das informações (são dispositivos mais lentos). A memória auxiliar é constituída por todos os equipamentos ligados ao computador (periféricos) que se prestam ao armazenamento de informações, tais como os discos magnéticos (rígidos (winchester) ou flexíveis (disquetes)), as unidades de fitas magnéticas e os discos óticos (CD-ROM). Não são voláteis e tendo uma capacidade de armazenamento muito superior à da memória principal, proporcionalmente à quantidade de dados que grava, tem um custo muito mais baixo. Custo alto Velocidade alta Baixa capacidade Registradores (vide figura 6) Memória cache Memória principal Custo baixo Velocidade baixa Elevada capacidade Discos CD Rom Figura 3 - Hierarquia de memória Memória secundária Página
Exercícios 9) Quais são os dois tipos de dispositivos de armazenamento? ) Diferencie as memórias: a. RAM: b. ROM: c. CACHE: ) Especifique cada um dos tipos de memória ROM: a. ROM: b. PROM: c. EPROM: d. EEPROM: 12) O que é BIOS? 13) Qual a função do BIOS? 14) O que é memória secundária? Exemplifique: Página 12
A CPU (Central Processing Unit ou Unidade Central de Processamento UCP) Calculadora e Boneco na analogia com o escritório (Figura 1) Composta pela Unidade de Aritmética e Lógica e pela Unidade de Controle, a CPU é responsável pelo processamento e controle dos programas e dados armazenados na memória principal. Seu principal elemento é o chip processador. As funções da CPU são efetuar o processamento (realizar operações lógicas e aritméticas) e gerenciar todo o tráfego de informações entre os componentes básicos do computador (memória, dispositivos de entrada e saída; unidade aritmética e lógica) veja a Figura 2. A CPU é auxiliada por vários circuitos que desempenham diversas funções. Por exemplo, quando você pressiona uma tecla, faz com que o teclado transmita o código da tecla pressionada. Este código é recebido por um circuito chamado de interface de teclado. Ao receber o código de uma tecla, a interface de teclado avisa a CPU que existe um caráter recebido. Por outro lado, quando a CPU precisa enviar uma mensagem para o usuário, precisa que a mensagem seja colocada na tela. Isto é feito com auxílio de um circuito chamado de interface de vídeo. A CPU envia para a interface de vídeo, a mensagem, seja ela em forma de texto ou figura. A interface de vídeo coloca então a mensagem na tela. A interface é um circuito eletrônico que controla a interligação entre dois dispositivos do computador. Página 13
O Barramento Barramento ou BUS é o nome dado ao meio de transporte dos bits entre o processador e os demais componentes do computador, ou seja, é o local físico na placa principal do computador (também chamada de placa mãe) por onde trafegam os bits que saem da memória para o processador, do processador para as outras placas instaladas no computador, etc. A largura do barramento é a quantidade de dados (bits) que a CPU pode transmitir em um determinado momento para a memória principal e os periféricos. Um barramento de 32 bits transporta 32 bits de dados por vez. Figura 4 - Esquema do Barramento Página 14
Velocidade do Processador O tráfego das informações, envio de dados do processador para um outro elemento (a memória principal, por exemplo), é feito eletronicamente e gasta um certo tempo T, medido em segundos (na verdade em frações de segundo). O inverso do tempo gasto nesta emissão, 1/T, é a sua freqüência, que medida em hertz (Hz). Dizer que um processador tem uma alta velocidade de emissão de dados é o mesmo que dizer que ele gasta pouco tempo na emissão de um conjunto de bits ou que possui uma alta freqüência de emissão. Podemos então afirmar que uma alta freqüência implica alta velocidade de emissão de dados. O fato de o processador de um determinado computador emitir dados com uma alta freqüência (também chamada de clock) não implica necessariamente que tal computador tenha uma alta velocidade de processamento. Vários são os fatores que influenciam a velocidade do processamento no computador além do clock do seu processador. O primeiro deles é a palavra 1 interna do processador, ou seja, quantos bits ele processa a cada vez. Se o computador tem um único processador ou mais. Se cada elemento do computador opera com a mesma freqüência e com o mesmo número simultâneo de bits (palavra) que o processador. O tamanho do barramento, etc. O conjunto de todos esses aspectos determina a velocidade de processamento de um computador. 1 Unidade de endereçamento da memória será detalhada oportunamente Página 15
Exercícios 15) O que é barramento? 16) Conceitue clock: 17) Que fatores influenciam na velocidade do computador? Página 16
Unidade de Aritmética e Lógica (UAL ou ALU) Calculadora na analogia com o escritório (Figura 1) Todos os cálculos são realizados nesta unidade. Estes cálculos podem envolver operações aritméticas como adição, subtração, multiplicação e divisão ou operações lógicas como comparação de dois valores para verificar qual é o maior. Quando um cálculo é realizado, torna-se necessário freqüentemente levar e trazer informações da memória principal à medida que os cálculos ocorrem. Unidade de Controle Boneco na analogia com o escritório (Figura 1). A unidade de controle coordena todo o trabalho do computador. É ela quem controla o fluxo de dados entre as demais unidades. A Unidade de Controle opera sob controle do Sistema Operacional (que será visto posteriormente) e das instruções contidas no programa (escrito pelo programador) que está na memória principal, ou seja, sendo executado. A unidade de controle faz com que o dispositivo de entrada leia os dados, transfira valores adequados da memória para a unidade de aritmética e lógica, onde os cálculos são executados, armazena e recupera dados e resultados intermediários guardados na memória principal e passa os resultados para o dispositivo de saída. Além disso, ela determina à unidade de aritmética e lógica quais as operações a serem realizadas e em que ordem. A Unidade de controle é a parte do processador que controla o ciclo da máquina. A simples adição de dois números requer vários ciclos. Como o computador só pode realizar uma tarefa por vez, cada operação deve ser subdividida em operações simples. Um ciclo de máquina é composto por quatro etapas: - Fetch: obtém uma instrução da Memória Principal; - Decode: traduz a instrução em comandos do computador; - Execute: processa o comando; - Store: grava o resultado do comando na memória principal; Figura 5 - Ciclo da máquina Página 17
Para somar dois números, o computador precisaria executar as seguintes tarefas: Figura 6 - Raio X de um processador 1. Fetch: Obtenha o número no endereço de memória xxxxxx (vamos supor que seja o 2); 2. Decode; 3. Execute: A ALU recebe o número; 4. Store: o número 2 é armazenado em um local temporário da memória principal; 5-8. Repete as etapas anteriores para o número 3; 9. Fetch: Adicione os dois números ;. Decode;. Execute: A ALU soma os números; 12. Store: A resposta é armazenada em um local temporário; 13. Fetch: Exiba a resposta na tela ; 14. Decode 15. Execute: o resultado é exibido; Página 18
Exercícios 18) Qual a função da Unidade Aritmética e Lógica? 19) Qual a função da Unidade de Controle? 20) O que é ciclo de máquina? 21) Explique cada uma das 4 etapas de um ciclo de máquina: Página 19