QUEM SOMOS

Acadêmicos: Mateus Almeida - Meiryele Rodrigues & Nayane Botelho.

Alunos do 3º Período de Engenharia Biomédica das Faculdades Integradas do Norte de Minas.

Disciplina: Arquitetura de Computadores I.

O objetivo do blog é apresentar os princípios que regem a organização de computadores.

Para tanto, apresenta-se inicialmente alguns aspectos relativos à evolução de sistemas computacionais que tiveram impacto na organização atual de computadores.

I)       Geração Zero: Computadores Mecânicos (1642-1945)

Caracterizada pelos computadores analógicos construídos com engrenagens mecânicas para solucionar problemas e possuíam baixa velocidade. Exemplo: Maquina de Pascal e máquina de Babbage

II)         Primeira Geração: válvulas (1945-1955)

Surgiram na época da segunda guerra mundial e possuíam relés, capacitores e válvulas capazes de realizar milhares de cálculos. Consumiam baixa velocidade de processamento e alto consumo de energia. Exemplo: ENIAC

·         Modelo de Von Neumann

Matemático húngaro que contribuiu para a evolução dos computadores, ele construiu o primeiro computador binário de programa armazenado.

A arquitetura de computador proposta por esse modelo é composta basicamente por:

a)     Memória Física (armazenamento de programas e dados)

b)      Unidade Aritmética e Lógica (ULA), execução de operações indicadas pelas instruções de um programa.

c)      Unidade de Controle (UC), que busca um programa na memória, instrução por instrução, e executa sobre os dados de entrada.

d)     Equipamento de entrada e saída.

III)      Segunda geração: Transistores (1955-1965)

A válvula foi substituída pelo transistor, construído principalmente pelo sílício, gálio e germânio. Esse dispositivo reduziu o tamanho dos computadores; aumentou a capacidade de armazenamento dos computadores; possuía baixo consumo de energia e maior confiabilidade em relação ás válvulas que queimavam com facilidade.

IV)    Terceira geração: Circuitos Integrados (1965-1980)

Surgem os primeiros Circuitos Integrados (CI), dispositivos que incorporam milhares de transistores e outros dispositivos eletrônicos em formatos miniaturizados em um único encapsulamento. Maior confiabilidade por serem mais rígidos, menor consumo de energia e menor custo de fabricação.

A entrada de dados nesta geração passou a ser realizada pelos teclados e mouses;

Alta velocidade de processamento na ordem de microssegundos. Exemplo: IBM 360.

V)         Quarta geração: Microprocessadores – Computadores atuais

Nesta geração os circuitos integrados foram ainda mais miniaturizados em larga escala de integração, com possibilidade de criar dispositivos cada vez mais complexos e inteligentes.

Sendo capazes de executar milhões de instruções em pouco tempo.

ESTRUTURA INTERNA DO COMPUTADOR (COMUNICAÇÃO BÁSICA ENTRE COMPUTADOR E MEMÓRIA)

Os demais computadores são compostos de componentes internos que são basicamente esse:

Processador

Processador e composto da Unidade de Aritmética e Lógica (ULA) é a unidade central do processador, que realmente executa as operações aritméticas e lógicas entre dois números, Unidade de Controle (UC) é a unidade que armazena a posição de memória que contém a instrução que o computador está executando nesse momento. Ela informa à ULA qual operação a executar, buscando a informação (da memória) que a ULA precisa para executá-la. Depois, transfere o resultado de volta para o local apropriado da memória. A seguir, a unidade de controle vai para próxima instrução e tem também uma memória central principal à (CPU) e uma memória central (principal) a (CPU) é considerada a parte mais importante de um computador, pois é responsável pelo processamento de todos os tipos de dados e pela apresentação do resultado do processamento, ou seja, é a parte mais importante do computador, pois é ali onde são interpretadas e executadas as instruções fornecidas pelos aplicativos (softwares), como o sistema operacional e o editor de textos, por exemplo. 

Funções e Tipos

O processador tem três funções básicas:

 Realizar cálculos de operações aritméticas e comparações lógicas, manter o funcionamento de todos os equipamentos e programas, pois a unidade de controle interpreta e gerencia a execução de cada instrução do programa e administrar na memória central (principal) além do programa submetido, os dados transferidos de um elemento ao outro da máquina, visando o seu processamento. O processador se comunica com outros circuitos e placas que são encaixadas nas fendas, os "slots", ou seja, conectores da placa-mãe. O caminho pelo qual se dá essa comunicação entre o processador e as outras placas são denominados de barramento.

Barramentos

O que é um barramento?

Um barramento é apenas um “caminho” através do qual dado viajam num computador. Esse caminho é usado para comunicação entre dois ou mais elementos do computador. Existem vários tipos de barramentos:

- Barramento do processador

- Barramento de endereços

- Barramento de entrada/saída

- Barramento de memória

No entanto, quando nos referimos ao “barramento“ de um computador pretendemos quase sempre referir o Barramento de entrada/saída, o qual também é designado por “slots de expansão”. Este é o principal Barramento do sistema e é através do qual a maior parte dos dados circula, tendo como origem ou como destino dispositivo como os drives, impressoras ou o sistema de vídeo. Sendo este último o mais exigente em termos de recursos. Assim, será quase exclusivamente sobre o Barramento de entrada/saída que este trabalho incidirá.

O Barramento do Processador

 O barramento do processador é o caminho através do qual o CPU comunica com o chip de suporte conhecido como “Chipset” nos sistemas mais recentes. Este barramento é usado para transferir dados entre o CPU e a memória Cache, por exemplo.

O Barramento da Memória

O Barramento da Memória é usado para transferir informação entre o CPU e a memória principal do sistema. Este barramento pode ser parte integrante do processador ou na maioria dos casos implementado separadamente com auxílio de um chipset dedicado.

O Barramento de Endereços

O Barramento de Endereços é usado para indicar qual o endereço de memória ou qual o endereço do Barramento de Endereços será usado numa operação de transferência de dados.

Tipos de Barramentos de Entrada/Saída:

Desde o aparecimento dos primeiros computadores pessoais que muitos tipos destes barramentos foram criados. A razão é simples: maiores velocidades de entrada/saída são necessárias para a melhoria global do desempenho do sistema. Esta necessidade de maiores velocidades envolve estas três áreas principais:

- CPU’s mais rápidos

- Software mais exigente

- Maiores exigências multimedia

Qualquer uma destas áreas requer que o barramento de entrada/saída seja tão rápido quanto possível. Surpreendentemente, e apesar de estar previsto há anoso seu desaparecimento, quase todos os PC atuais ainda incorporam ainda a mesma arquitetura de barramentos do IBM PC/AT de 1984. Todavia, todos eles incorporam novos barramentos de alta velocidade que se adaptam mais às exigências atuais de desempenho das novas placas. Uma das principais razões pela quais novos tipos de barramentos de entrada/saída tem um aparecimento lento é a compatibilidade, já que esta, juntamente com a uniformização, é essencial ao sucesso que os PCs tem tido. Esta uniformização permitiu que milhares de placas de entrada/saídas sejam fabricadas por diversos fabricantes de acordo com as especificações do barramento usado. Se um novo barramento for introduzido muito provavelmente esse barramento terá de ser compatível fisicamente com os anteriores para que essas placas não fiquem obsoletas. Concluindo, as tecnologias de barramento tendem a evoluir, em vez de fazerem cortes abruptos com o passado. Podemos identificar diferentes tipos de barramentos de entrada/saída pela sua arquitetura. Os principais tipos de arquiteturas são:

A principal diferença entre eles é a quantidade de dados que conseguem transferir num dado tempo e a velocidade a que o conseguem. Cada uma destas arquitecturas é implementada por um chipset conectado ao barramento do processador. Tipicamente este chipset controla também o barramento de memória.

Memória

Função, Conceito e Objetivo

Função: armazenar informações que são/serão manipuladas por um sistema de computação para que possam ser recuperadas prontamente quando necessárias.

Conceito: é um componente do sistema de computação onde são guardados dados ou informações para serem usados quando desejados.

Objetivo: armazenar dados ou informações e permitir sua recuperação quando requerido; É um subsistema do sistema computacional.

Desempenho

Vários tipos de memórias. Motivos:

Aumento da velocidade do processador: maior que a velocidade do tempo de acesso da memória. Ocasiona atrasos na transferência de bits entre a M.P.E o processador; Capacidade de armazenamento dos sistemas computacionais: aumento do volume dos dados que devem ser armazenados e manipulados nos sistemas atuais. O ideal é que o processador não fique parado, esperando por muito tempo, que um dado seja transferido da memória.

Ações e Operações

Uma memória executa algumas ações e operações: Ação Armazenar: Guarda um dado ou informação, Operação para Armazenar:

Escrita ou Gravação (write), Ação Recuperar (Retrieve): Recupera um dado ou informação armazenada para uso, Operação para Recuperar:

Leitura (read).

Memory e Storage

Diferença entre Memória e Armazenamento:

Memória ou Memory:

Quando se trata de memórias eletrônicas como DRAM, SRAM, Cache, etc. São dispositivos que perdem o conteúdo armazenado quando desligados.

Armazenamento ou Storage:

Quando se trata de Discos, CDs, DVDs, etc. São dispositivos que não perdem o conteúdo armazenado quando desligados. A diferença é que memory armazena temporariamente e storage permanentemente.

Constituição

Memórias são constituídas por vários grupos de bits;

Grupos de bits:

São tratados em conjunto pelo sistema, se movem em blocos, é tratado como um único elemento é identificado como uma unidade para efeitos de armazenamento e transferência memórias são constituídas de elementos físicos que, de diferentes formas, representam os dados que são armazenados e manipulados elementos físicos: conteúdo, formas: elétrica, magnética, ótica.

Os Periféricos

Os dispositivos de entrada e saída (E/S) ou input/output (I /O) são também denominados periféricos.

Eles permitem a interação do processador com o homem, possibilitando a entrada e/ou a saída de dados. O que todos os dispositivos de entrada têm em comum é que eles codificam a informação que entra em dados que possam ser processados pelo sistema digital do computador. Já os dispositivos de saída decodificam os dados em informação que pode ser entendida pelo usuário.
 Há dispositivos que funcionam tanto para entrada como para saída de dados, como o modem e o drive de disquete. Atualmente, outro dispositivo híbrido de dados é a rede de computadores.

Os principais dispositivos de entrada de informações são: teclado, mouse, drive de CD / DVD-ROM, pen drive, scanner, microfone, joystick, câmera filmadora, câmera digital, tela sensível ao toque, mesa gráfica e caneta ótica.Os principais dispositivos de saída de informações são: monitor de vídeo, drive de CD-ROM, caixa de som, impressora, sensores (movimento, temperatura etc) e óculos (para realidade virtual).

O principais dispositivos tanto de entrada como de saída de informações são: modem, drive de disquete, gravador de CD / DVD e disco rígido.

SUBSISTEMAS DE MEMÓRIA

Objetivos: Analisar e compreender a organização básica de memória de um computador.

Subsistemas de Memória consistem em muitas memórias interligadas onde seus componentes são organizados hierarquicamente.

O processador e a memória são os componentes que mais se comunicam. O processador ou CPU captura dados na memória e excuta-os. A memória armazena dados de forma temporária ou permanente. A velocidade é o fator preponderante e é fundamental que a transferência de dados seja feita de forma mais rápida possível. Essa velocidade é medida através do TEMPO DE ACESSO – tempo que a memória gasta para colocar uma informação no barramento de dados.

Para um adequado funcionamento do computador é necessário dispor de vários tipos de memória; essa necessidade se deve principalmente em função do aumento da velocidade das CPU’s e da capacidade de armazenamento.

As memórias variam em função: da tecnologia de fabricação; capacidade de armazenamento; velocidade e custo.

Figura : Hierarquia de Memórias

Tecnologias Aplicadas

SRAM (Static Random Access Memory), não há necessidade de refresh constante para que os dados armazenados não sejam perdidos.  

DRAM (Dynamic Random Access Memory), há necessidade de refresh para manter os dados armazenados enquanto ligado.

Tipos de Memórias

Registrador

Localiza-se no processador. É uma memória do tipo volátil (requerem energia para manter a informação armazenada, ao contrário das memórias permanentes), encontrado no topo da pirâmide hierárquica.

Função: Buscar dados de onde estão armazenados e os depositar temporariamente em seu interior para que possa realizar as operações solicitadas utilizando seus demais componentes.

Memória Cache

Localiza-se no processador, é uma memória do tipo volátil.

A memória cache é intermediária entre RAM e processador, assim irá diminuir o tempo de acesso, ou seja, atrasado gerado pela transferência de dados entre a memória e o processador.

Logo, sua função é aumentar o desempenho do sistema computacional e acelerar a velocidade de transferência de dados entre RAM e processador.

As instruções mais freqüentes são alocadas na cache e permanecem lá até que outras sejam alocadas ou o sistema desligado.

Principio de funcionamento

Quando o processador solicita um determinado dado e o encontra na cache, não há necessidade de requisitá-lo à memória principal, reduzindo o tempo de processamento. Caso esse dado não seja encontrado na cache, então é lido na RAM e uma cópia é armazenada na cache para o futuro.

Cache HIT: quando a instrução é encontrada na cache.

Cache MISS: quando a instrução não é encontrada na cache.

Memória Principal

Também chamada de memória RAM, corresponde a um tipo de memória volátil.

Localizada na placa-mãe (placa de circuito impresso como base para a instrução dos demais componentes) é um tipo de memória indispensável para o funcionamento do computador, à qual o processador pode fazer acesso direto. Aloca os dados e instruções de programas a serem manipulados pelo processador e dá acesso às memórias secundárias, de forma a disponibilizar dados ao processador. 

Organização da Memória Principal 

O conteúdo (INSTRUÇÃO OU DADO) precisa estar organizado em uma estrutura padrão que permita a identificação do local onde estão armazenados cada um dos seus itens. Ela é organizada em um conjunto de células, sendo que cada uma delas representa o agrupamento de uma quantidade de bits e possui um endereço único, o qual é utilizado pelo processador para acessar seu conteúdo.

Operações na Memória Principal

Escrita (write) – para o armazenamento de dados na memória

Leitura (read) – para a recuperação de dados e instruções armazenados na memória

Memória ROM

  

Também é considerada uma memória principal, mas apresenta algumas diferenças em relação à memória RAM, sendo do tipo não volátil e somente leitura, ou seja, seu conteúdo é escrito uma vez e não é mais alterado, apenas consultado.

Softwarares que ficam em ROM's importantes

BIOS ou Sistema Básico de Entrada e Saída: é responsável por ensinar o processador da máquina a operar com os dispositivos básicos de entrada e saída;

POST :  programa de verificação e teste que se executa após a ligação do computador, realizando diversas ações sobre o hardware (ex.: contagem de memória)

SETUP: Programa que altera os parâmetros armazenados na memória de configuração (CMOS).

Memória Secundária

Figura: Disco Rígido

Figura: Pen Drive

Também é denominada memória de massa. É a memória com maior TEMPO DE ACESSO, porém com maior capacidade de armazenamento. É do tipo permanente, ou seja, não volátil.

Não possui acesso direto ao processador, sempre havendo a necessidade de carregamento de dados dos dispositivos de memória secundária para a memória principal.

Pode ser constituída de dispositivos ligados com acesso direto (disco rígidos) e/ou que podem ser conectados quando desejado (cd/pendrive).

SUBSISTEMA DE PROCESSAMENTO

      Para Von Neumann, o processador tem como função, interpretar, decodificar as instruções para que sejam armazenadas na memória. Assim, ao processar o programa as instruções seriam buscadas diretamente na memória.

       A Unidade Central de Processamento (UCP) é responsável pelo processamento e execução de programas armazenados na memória principal, buscando suas instruções, examinando-as e, então, executando uma após a outra.A UCP é composta por várias partes distintas, entre elas: registradores, Unidade de Controle (UC) e Unidade Lógica Aritmética (ULA).sendo dividida em duas partes, unidade funcional de controle e unidade funcional de processamento. E os elementos essências para seu funcionamentos estão dispostos no diagrama:

   A Unidade Funcional de Processamento é composta pelos seguintes elementos: Registradores, ACC, ULA. A Unidade Funcional de Controle é composta pelos seguintes elementos: RDM, REM, CI, RI, Decodificador de Instruções, UC, Clock (relógio).

     Os componentes do processador, são interligados por barramentos,  que consiste em um conjunto de fios paralelos que permitem a transmissão de dados, endereços e sinais de controle entre a UCP, memória e dispositivos de entrada e saída.

UNIDADE FUNCIONAL DE PROCESSAMENTO

   Apresenta algumas tarefas mais comuns, como operações aritméticas (somar, subtrair, multiplicar, dividir) operações lógicas (AND, OR, XOR, entre outras) e movimentação de dados entre UCP e a memória e vice-versa. 

UNIDADE ARITMÉTICA  (ULA)

   A ULA é responsável pela execução das operações matemáticas com os dados, sendo elas: soma, subtração, multiplicação e divisão, operações lógicas AND, OR, XOR, deslocamento à direita, deslocamento a esquerda. 

REGISTRADORES

   São elementos de armazenamento temporário, localizados na UCP, os quais são extremamente rápidos por causa da sua tecnologia de fabricação, sendo uma memória auxiliar da ULA.

UNIDADE FUNCIONAL DE CONTROLE

     A Unidade Funcional de Controle, busca a instrução que será executada, armazenando-a em um registrador da UCP; interpretam as instruções a fim de saber quais operações deverão ser executadas pela ULA (ex.: soma, subtração, comparação) e como realizá-las; gera sinais de controle apropriados para a ativação das atividades necessárias à execução propriamente dita da instrução identificada. 

REGISTRADOR DE DADOS DE MEMÓRIA (RDM) E REGISTRADOR DE ENDEREÇOS DE MEMÓRIA (REM)

   O RDM armazena temporariamente os dados que estão sendo transferidos da memória principal para UCP, ou vice-versa.  Logo após o referido dado é encaminhado novamente para outro elemento da UCP para processamento ou para uma célula da memória principal, se for um resultado de um processamento. Já o REM, é um registrador que armazena temporariamente o endereço de acesso a uma posição de memória, em seguida escrita. Em seguida, o referido endereço é encaminhado à controladora da memória, principal identificação e localização da célula desejada. 

CONTADOR DE INSTRUÇÕES (CI)

    Este registrador é responsável para apontar para a próxima instrução a ser buscada da memória a ser executada no processador. Ferramenta crucial para o processo de controle e de seqüenciamento da execução dos programas.

DECODIFICADOR DE INSTRUÇÕES

   Tem a função de identificar que operação Serpa realizada, correlacionada á instrução cujo código de operação foi decodificado, este elemento recebe muitas instruções, sendo assim, é necessário que cada uma possua uma identificação própria e única

REGISTRADOR DE INSTRUÇÕES (RI)

   Têm como função controlar a execução das instruções e os demais componentes da UCP. Dispositivo que possui a lógica necessária para realizar a movimentação de dados e de instruções da/para a CPU, através de sinais de controle que emite em instantes de tempo programados.

RELÓGIO (CLOCK)

    É um dispositivo gerador de pulsos cuja duração é chamada de ciclo. A quantidade de vezes em que este pulso básico se repete em um segundo define a unidade de media do relógio denominada frequência, a qual também é utilizada para definir a velocidade da UCP. Tem as seguintes funções: Sincronizar, ou seja, permitir que duas ou mais ações ocorram no mesmo instante de tempo.

BARRAMENTOS

   Comunicação entre os diversos componentes de um computador. O barramento conduz de modo sincronizado o fluxo de informações (dados e instruções, endereços e controles) de um componente para outro ao longo da placa-mãe. Esse barramento é formado basicamente por três vias específicas: barramento de dados, barramento de endereços e barramento de controle.

     

      Atualmente os modelos de organização de sistemas de computação adotados pelos fabricantes possuem diferentes tipos de barramentos:

• Barramento local: possui maior velocidade de transferência de dados.    

• Barramento de sistema: faz com que o barramento local faça a ligação entre o processador e a memória cache e esta se interligue com os módulos de memória principal (RAM) através do chamado barramento do sistema, de modo a não permitir acesso direto do processador à memória principal.

• Barramento de expansão: também chamado de barramento de entrada e de saída (E/S), é responsável por interligar os diversos dispositivos de E/S aos demais componentes do computador, tais como: monitor de vídeo, impressoras, CD/DVD, etc.