livro fundamentos e arquitetura de computadores

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FUNDAMENTOS E ARQUITETURA DE COMPUTADORES Professor Me. Aparecido Vilela Junior GRADUAÇÃO ANÁLISE DE SISTEMAS MARINGÁ-PR 2012 ISBN 978-85-8084-351-4

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Livro de Análise e desenvolvimento de sistemas. Fundamentos e Arquitetura de Computadores, curso gratuito.

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  • FUNDAMENTOS E ARQUITETURA DE COMPUTADORESProfessor Me. Aparecido Vilela Junior

    GRADUAO

    ANLISE DE SISTEMAS

    MARING-PR2012

    ISBN 978-85-8084-351-4

  • Reitor: Wilson de Matos SilvaVice-Reitor: Wilson de Matos Silva FilhoPr-Reitor de Administrao: Wilson de Matos Silva FilhoPresidente da Mantenedora: Cludio Ferdinandi

    NEAD - Ncleo de Educao a Distncia

    Diretoria do NEAD: Willian Victor Kendrick de Matos SilvaCoordenao Pedaggica: Gislene Miotto Catolino RaymundoCoordenao de Marketing: Bruno JorgeCoordenao Comercial: Helder MachadoCoordenao de Tecnologia: Fabrcio Ricardo LazilhaCoordenao de Curso: Danillo Xavier SaesSupervisora do Ncleo de Produo de Materiais: Nalva Aparecida da Rosa MouraCapa e Editorao: Daniel Fuverki Hey, Fernando Henrique Mendes, Luiz Fernando Rokubuiti e Renata SguissardiSuperviso de Materiais: Ndila de Almeida Toledo Reviso Textual e Normas: Cristiane de Oliveira Alves, Gabriela Fonseca Tofanelo, Janana Bicudo Kikuchi, Jaquelina Kutsunugi e Maria Fernanda Canova Vasconcelos.

    Ficha catalogrfica elaborada pela Biblioteca Central - CESUMAR

    CENTRO UNIVERSITRIO DE MARING. Ncleo de Educao a distncia: C397 Fundamentos e arquitetura de computadores / Aparecido Vilela Junior. Maring - PR, 2012. 153 p.

    Graduao em Anlise de Sistemas - EaD.

    1. Computador. 2. Circuitos lgicos. 3.Software. 4.EaD. I. Ttulo.

    ISBN 978-85-8084-351-4 CDD - 22 ed. 004.22 CIP - NBR 12899 - AACR/2

    As imagens utilizadas neste livro foram obtidas a partir dos sites PHOTOS.COM e SHUTTERSTOCK.COM.

    Av. Guedner, 1610 - Jd. Aclimao - (44) 3027-6360 - CEP 87050-390 - Maring - Paran - www.cesumar.brNEAD - Ncleo de Educao a Distncia - bl. 4 sl. 1 e 2 - (44) 3027-6363 - [email protected] - www.ead.cesumar.br

  • FUNDAMENTOS E ARQUITETURA DE COMPUTADORES

    Professor Me. Aparecido Vilela Junior

  • 5FUNDAMENTOS E ARQUITETURA DE COMPUTADORES | Educao a Distncia

    APRESENTAO DO REITOR

    Viver e trabalhar em uma sociedade global um grande desafio para todos os cidados. A busca por tecnologia, informao, conhecimento de qualidade, novas habilidades para liderana e soluo de problemas com eficincia tornou-se uma questo de sobrevivncia no mundo do trabalho.

    Cada um de ns tem uma grande responsabilidade: as escolhas que fizermos por ns e pelos nossos far grande diferena no futuro.

    Com essa viso, o Cesumar Centro Universitrio de Maring assume o compromisso de democratizar o conhecimento por meio de alta tecnologia e contribuir para o futuro dos brasileiros.

    No cumprimento de sua misso promover a educao de qualidade nas diferentes reas do conhecimento, formando profissionais cidados que contribuam para o desenvolvimento de uma sociedade justa e solidria , o Cesumar busca a integrao do ensino-pesquisa-extenso com as demandas institucionais e sociais; a realizao de uma prtica acadmica que contribua para o desenvolvimento da conscincia social e poltica e, por fim, a democratizao do conhecimento acadmico com a articulao e a integrao com a sociedade.

    Diante disso, o Cesumar almeja ser reconhecido como uma instituio universitria de referncia regional e nacional pela qualidade e compromisso do corpo docente; aquisio de competncias institucionais para o desenvolvimento de linhas de pesquisa; consolidao da extenso universitria; qualidade da oferta dos ensinos presencial e a distncia; bem-estar e satisfao da comunidade interna; qualidade da gesto acadmica e administrativa; compromisso social de incluso; processos de cooperao e parceria com o mundo do trabalho, como tambm pelo compromisso e relacionamento permanente com os egressos, incentivando a educao continuada.

    Professor Wilson de Matos SilvaReitor

  • 6 FUNDAMENTOS E ARQUITETURA DE COMPUTADORES | Educao a Distncia

    Caro aluno, ensinar no transferir conhecimento, mas criar as possibilidades para a sua produo ou a sua construo (FREIRE, 1996, p. 25). Tenho a certeza de que no Ncleo de Educao a Distncia do Cesumar, voc ter sua disposio todas as condies para se fazer um competente profissional e, assim, colaborar efetivamente para o desenvolvimento da realidade social em que est inserido.

    Todas as atividades de estudo presentes neste material foram desenvolvidas para atender o seu processo de formao e contemplam as diretrizes curriculares dos cursos de graduao, determinadas pelo Ministrio da Educao (MEC). Desta forma, buscando atender essas necessidades, dispomos de uma equipe de profissionais multidisciplinares para que, independente da distncia geogrfica que voc esteja, possamos interagir e, assim, fazer-se presentes no seu processo de ensino-aprendizagem-conhecimento.

    Neste sentido, por meio de um modelo pedaggico interativo, possibilitamos que, efetivamente, voc construa e amplie a sua rede de conhecimentos. Essa interatividade ser vivenciada especialmente no ambiente virtual de aprendizagem AVA no qual disponibilizamos, alm do material produzido em linguagem dialgica, aulas sobre os contedos abordados, atividades de estudo, enfim, um mundo de linguagens diferenciadas e ricas de possibilidades efetivas para a sua aprendizagem. Assim sendo, todas as atividades de ensino, disponibilizadas para o seu processo de formao, tm por intuito possibilitar o desenvolvimento de novas competncias necessrias para que voc se aproprie do conhecimento de forma colaborativa.

    Portanto, recomendo que durante a realizao de seu curso, voc procure interagir com os textos, fazer anotaes, responder s atividades de autoestudo, participar ativamente dos fruns, ver as indicaes de leitura e realizar novas pesquisas sobre os assuntos tratados, pois tais atividades lhe possibilitaro organizar o seu processo educativo e, assim, superar os desafios na construo de conhecimentos. Para finalizar essa mensagem de boas-vindas, lhe estendo o convite para que caminhe conosco na Comunidade do Conhecimento e vivencie a oportunidade de constituir-se sujeito do seu processo de aprendizagem e membro de uma comunidade mais universal e igualitria.

    Um grande abrao e timos momentos de construo de aprendizagem!

    Professora Gislene Miotto Catolino Raymundo

    Coordenadora Pedaggica do NEAD- CESUMAR

  • 7FUNDAMENTOS E ARQUITETURA DE COMPUTADORES | Educao a Distncia

    APRESENTAO

    Livro: FUNDAMENTOS E ARQUITETURA DE COMPUTADORESProfessor Me. Aparecido Vilela Junior

    Ol, amigo(a) aluno(a). Este o livro de Fundamentos e Arquitetura de Computadores, que foi desenvolvido especialmente para voc de forma a instru-lo sobre o universo da Tecnologia de Informtica em relao a sua arquitetura.

    Meu nome Aparecido Vilela Junior e fui o autor deste livro. Vou contar um pouco do meu DNA profissional a voc!

    Cursei a Universidade Estadual de Maring (UEM), tendo me graduado no ano de 1991, ano em que iniciei a minha carreira profissional na rea de TI, chegando at o cargo de Coordenador de Gesto e Scio de uma empresa de Desenvolvimento.

    Cursei trs Ps-Graduaes at que em 2007 finalizei o Mestrado em Cincias da Computao, tambm na Universidade Estadual de Maring. Docente a mais de 18 anos e no CESUMAR desde 2010, onde atuo nos cursos presenciais tendo como uma das matrias Fundamentos e Arquitetura de Computadores.

    Como no estamos estudando a minha vida pessoal, vamos passar ao Livro.

    Nosso livro est dividido em CINCO UNIDADES e antes de entrarmos nas unidades em si, quero exemplificar a importncia que a Fundamentao e Arquitetura de Computadores tem em relao a TI, afinal este livro tem o objetivo de fornecer as bases necessrias para que voc possa entender as matrias que sero estudadas e que serviro de alicerce para o exerccio de sua futura profisso.

    Olhando ao nosso redor, certamente notaremos a presena de diversos equipamentos eletrnicos, porm no teremos a viso mais aprofundada dos componentes/recursos e como ela utiliza-os. Devido a todo avano tecnolgico, hoje impossvel imaginar as nossas vidas sem esses recursos que fazem parte do nosso cotidiano.

    At a confeco e leitura deste livro faz parte desse avano, onde utilizamos para isso softwares especficos capazes de permitir que isso se realize.

  • 8 FUNDAMENTOS E ARQUITETURA DE COMPUTADORES | Educao a Distncia

    O primeiro questionamento que fazemos quando nos vemos diante de tanta tecnologia qual computador/perifrico/software adquirir? E essa pergunta tambm ecoa no ambiente empresarial, qual mquina devo utilizar? As respostas a essas perguntas esto neste livro.

    Existe uma grande lacuna entre o que conveniente para as pessoas e o que conveniente para computadores. As pessoas querem fazer X, mas os computadores s podem fazer Y, o que d origem ao problema. O objetivo deste livro explicar como esse problema pode ser resolvido.

    A Unidade I do livro abordar a Histria do Computador, as caractersticas pertencentes a cada uma dentro da sua Evoluo.

    Na Unidade II, iremos tratar do que o computador entende, ou seja, nmeros. Abordaremos as formas de representao que o computador trabalha, os bits, bytes e hexadecimais. Ser tambm abordada a configurao e construo de circuitos lgicos.

    Na Unidade III, a abordagem ser sobre as Interfaces que o computador possui (Paralela/Serial e USB), as formas de Entrada e Sada dos dados e tambm citar alguns dispositivos de Armazenamento Secundrio.

    Na Unidade IV, iremos abordar o computador internamente, ou seja, a CPU, os processadores, memrias e demais componentes que auxiliam a essa mquina fantstica.

    A unidade V tratar dos softwares responsveis pelo funcionamento do computador: os Sistemas Operacionais. Tambm ser abordado nesta unidade os tipos de software e aplicaes.

    Agora que foram apresentadas as unidades que sero estudadas, reafirmo que conhecer o Fundamento e a Arquitetura dos Computadores essencial para as tomadas de deciso na vida pessoal e principalmente profissional.

    Este o objetivo deste livro! Vamos as nossas unidades!

  • SUMRIOUNIDADE I

    HISTRIA DO COMPUTADOR

    GERAES DE COMPUTADORES 16

    HISTRIA DOS COMPUTADORES 24

    TIPOS DE COMPUTADORES 26

    UNIDADE II

    REPRESENTAO DE DADOS E CIRCUITOS LGICOS

    DE ELTRONS A BITS 43

    BIT 44

    BYTE 44

    NOTAO POSICIONAL BASE DECIMAL 46

    CONVERSO DE DECIMAL PARA BINRIO 51

    CONVERSO HEXADECIMAL PARA BINRIO 53

    CONVERSO BINRIO PARA HEXADECIMAL 54

    CIRCUITOS LGICOS 54

    TABELA-VERDADE 56

    OPERAO OR (OU) COM PORTA OR 56

    PORTA OR 57

    OPERAO AND (E) COM PORTA AND 58

    PORTA AND 59

  • OPERAO NOT (NO) OU INVERSO 59

    UNIDADE III

    COMPONENTES DE UM COMPUTADOR

    COMPONENTES DE UM COMPUTADOR ENTRADA E SADA 69

    BARRAMENTO 70

    INTERRUPES 72

    POLLING 73

    INTERFACES 74

    DISPOSITIVOS DE E/S 78

    EQUIPAMENTOS DE TELECOMUNICAES 85

    ARMAZENAMENTO SECUNDRIO 87

    UNIDADE IV

    POR DENTRO DO COMPUTADOR

    ORGANIZAO DO PROCESSADOR 103

    POR DENTRO DO COMPUTADOR 105

    COMPONENTES DA MEMRIA 114

    ROM 115

    PROCESSADORES RISC 121

    PROCESSADORES CISC 122

    PROCESSADORES COM DOIS OU MAIS NCLEOS 124

  • UNIDADE V

    SOFTWARE SISTEMAS OPERACIONAIS E APLICATIVOS

    SOFTWARE SISTEMAS OPERACIONAIS E APLICATIVOS 131

    MS-DOS 133

    SOFTWARES APLICATIVOS 140

    CLASSIFICAO DOS SOFTWARES APLICATIVOS 140

    SOFTWARE DE DOMNIO PBLICO 141

    CATEGORIAS DE SOFTWARES 142

    MONTAGEM E COMPILAO 146

    CONCLUSO 151

    REFERNCIAS 152

  • UNIDADE I

    HISTRIA DO COMPUTADORProfessor Me. Aparecido Vilela Junior

    Objetivos de Aprendizagem

    ApresentarconceitosdosComputadoresecomponentes.

    Diferenciaroscomputadores.

    DescreveroHistricodasGeraesdeComputadores.

    Plano de Estudo

    A seguir, apresentam-se os tpicos que voc estudar nesta unidade:

    GeraesdeComputadores

    AhistriadosComputadores

    TiposdeComputadores

  • 15FUNDAMENTOS E ARQUITETURA DE COMPUTADORES | Educao a Distncia

    INTRODUO

    Ol, caro(a) aluno(a)! Seja bem-vindo estrutura dos computadores.

    Nesta unidade, iremos trabalhar as bases necessrias para que voc entenda a arquitetura dos computadores.

    Abordaremos a Histria do Computador e a sua Evoluo, desde os primrdios (vlvulas) at os tablets.

    As geraes e os tipos de computadores sero abordados de forma que voc entenda suas caractersticas e principais diferenas.

    Podemos iniciar perguntando, o que um Computador?

    Um computador digital uma mquina que pode resolver problemas para as pessoas executando instrues que lhe so dadas. Uma sequncia de instrues que descreve como realizar certa tarefa denominada programa.

    Os circuitos eletrnicos de cada computador podem reconhecer e executar diretamente um conjunto limitado de instrues simples, e, para que os programas possam ser executados, todos devem antes ser convertidos em instrues. Essas instrues bsicas raramente so mais complicadas do que:

    Somar dois nmeros.

    Verificar um nmero para ver se ele zero.

    Copiar dados de uma parte da memria do computador para outra.

    Juntando as instrues primitivas de um computador, formamos uma linguagem com as qual as pessoas podem se comunicar com ele, ou seja, a linguagem de mquina.

  • 16 FUNDAMENTOS E ARQUITETURA DE COMPUTADORES | Educao a Distncia

    Os projetistas buscam fazer com que as instrues primitivas sejam o mais simples possvel, coerentes com os requisitos de utilizao e desempenho idealizados pelo computador, de modo a reduzir a complexidade e o custo da eletrnica necessria.

    GERAES DE COMPUTADORES

    Os computadores inicialmente eram poderosas mquinas (at no tamanho), utilizadas como mquinas de calcular.

    Durante a evoluo do computador digital moderno, foram projetadas e construdas centenas de diferentes tipos de computadores. Os computadores em sua grande parte j foram esquecidos h muito tempo, mas alguns causaram um impacto significativo sobre ideias modernas. sobre essa evoluo que trataremos abaixo.

    Gerao Zero Computadores Mecnicos (1642-1945)

    A primeira pessoa a construir uma mquina de calcular operacional foi o cientista Blaise Pascal, em honra de quem a linguagem Pascal foi batizada. Projetado para ajudar seu pai (coletor de impostos do governo francs), era inteiramente mecnico, usava engrenagens e funcionava com uma manivela operada mo, podendo efetuar apenas operaes de adio e subtrao.

    Durante 150 anos nada de muito importante aconteceu, at que um professor de matemtica da Universidade Cambridge, Charles Babbage (inventou tambm o velocmetro), projetou e construiu a mquina diferencial. Projetada para calcular tabelas de nmeros teis para a navegao naval, a caracterstica mais interessante da mquina diferencial era seu mtodo de sada: ela perfurava seus resultados sobre uma chapa de gravao de cobre com uma puno de ao, prenunciando futuros meios de escrita nica como cartes perfurados e CD-ROMS.

    Mais tarde tambm criou a mquina analtica, que possui quatro componentes: a armazenagem

  • 17FUNDAMENTOS E ARQUITETURA DE COMPUTADORES | Educao a Distncia

    (memria), o moinho (unidade de clculo) a seo de entrada (leitora de cartes perfurados) e a seo de sada (sada perfurada e impressa). Tendo como seus grandes avanos a leitura de cartes perfurados e a execuo das instrues ali contidas.

    Figura: Mquina diferencial de Babage

    Fonte:

    A era da eletrnica inicia a partir de Howard Aiken em 1944, que descobriu o trabalho de Babbage e decidiu construir com rels o computador de uso geral, a Mark I. A entrada e sada utilizavam fita de papel perfurada. Quando Aiken conclui o sucessor dessa mquina, a Mark II, os computadores de rels j estavam obsoletos. A era eletrnica tinha comeado.

    A Primeira Gerao Vlvulas (1945-1955)

    O estmulo para o computador eletrnico foi a Segunda Guerra Mundial. Durante a fase inicial da guerra, as instrues de comando eram enviadas aos submarinos alemes por rdio, que eram interceptadas, mas no decifradas, pois as mensagens eram codificadas utilizando um dispositivo denominado ENIGMA. Para decifrar uma mensagem dessas era preciso uma quantidade enorme de clculos.

  • 18 FUNDAMENTOS E ARQUITETURA DE COMPUTADORES | Educao a Distncia

    Nasce ento o COLOSSUS em 1930 (primeiro computador eletrnico para decodificar essas mensagens), fruto dos laboratrios britnicos e do matemtico Alan Turing.

    A guerra tambm afetou a computao nos Estados Unidos. O exrcito precisava de tabelas de alcance para mirar sua artilharia pesada e produzia essas tabelas contratando centenas de mulheres para fazer os clculos necessrios.

    Em 1943, John Mauchley e seu aluno de ps-graduao J. Presper Eckert passaram a construir um computador eletrnico ao qual deram o nome de ENIAC (Eletronic Numerical Integrator And Compute integrador e computador numrico eletrnico). Consistindo de 18 mil vlvulas e 1.500 rels, pesava 30 toneladas e consumia 140 quilowatts de energia. Em termos de arquitetura, a mquina tinha 20 registradores, cada um com capacidade para conter um nmero decimal de 10 algarismos. Sendo programado para com o ajuste de 6 mil interruptores multiposio e com a conexo de uma imensa quantidade de soquetes.

    Figura Interna do ENIAC, programando sua operao

    Fonte:

    Aps isso, comeam a trabalhar em seu sucessor, o EDVAC (Eletronic Discrete Variable Automatic Compute).

  • 19FUNDAMENTOS E ARQUITETURA DE COMPUTADORES | Educao a Distncia

    John Von Newmann, matemtico hngaro naturalizado norte-americano, props, nos anos 40 do sculo XX, um padro de arquitetura de computadores que ainda hoje seguido, sendo hoje em dia altamente pesquisada uma alternativa a esse padro. Ainda no se tem de fato uma ideia que seja melhor que a desse cientista.

    A mquina proposta por Von Neumann conta com os seguintes componentes: uma Memria, uma Unidade Aritmtica e Lgica (ULA), uma Unidade Central de Processamento (UCP), composta por diversos Registradores, e uma Unidade de Controle (UC), cuja funo a mesma da tabela de controle da mquina de Turing Universal: buscar um programa na memria, instruo por instruo, e execut-lo sobre os dados.

    Fonte:

    A memria armazena dados e instrues de programas. A CPU encarregada de buscar as instrues e dados da memria, executar as instrues e ento armazenar os valores resultantes de volta na memria. Os dispositivos de entrada (tais como teclado, mouse e microfone) e dispositivos de sada (tais como a tela, alto-falantes e impressora) possibilitam a interao com o usurio, permitindo que as pessoas forneam entradas e exibindo dados, instrues e os resultados das computaes.

    Enquanto tudo isso estava acontecendo, a IBM era uma pequena empresa dedicada ao negcio

  • 20 FUNDAMENTOS E ARQUITETURA DE COMPUTADORES | Educao a Distncia

    de produzir perfuradoras de cartes e mquinas mecnicas de classificao de cartes.

    Em 1958, a IBM iniciou a produo de sua ltima mquina de vlvulas.

    A Segunda Gerao Transistores (1955-1965)

    O transistor foi inventado no Bell Labs em 1948, por John Bardeen, Walter Brattain e William Shockley, pelo qual receberam o Prmio Nobel de Fsica em 1956. Em 10 anos o transistor revolucionou os computadores e, ao final da dcada de 50, os computadores de vlvulas estavam obsoletos.

    O nome transistor foi derivado de sua funo, que era ser um resistor de transferncia, que em ingls, escrito como transfer resistor.

    O transistor foi descoberto durante alguns estudos de superfcies em torno de um diodo de ponto de contato. O mais incrvel nessa descoberta o fato de que esta (a descoberta) foi acidental, uma vez que os laboratrios estavam procurando um dispositivo de estado slido equivalentes vlvula eletrnica.

    Os transistores eram muito menores do que as vlvulas a vcuo e tinham numerosas outras vantagens: no exigiam tempo de pr-aquecimento, consumiam menos energia, geravam muito menos calor e eram mais rpidos e confiveis.

    Outro desenvolvimento importante que surgiu nessa gerao foi a mudana da linguagem de mquina para as linguagens assembly, tambm chamadas de linguagens simblicas.

    Depois do desenvolvimento das linguagens simblicas, vieram as linguagens de alto nvel como, por exemplo, FORTRAN (1954) e COBOL (1959).

    Os computadores eram usados principalmente por negcios, universidades e organizaes governamentais. No havia chegado ao pblico em geral. A parte real da evoluo estava prestes a iniciar.

  • 21FUNDAMENTOS E ARQUITETURA DE COMPUTADORES | Educao a Distncia

    A Terceira Gerao Circuitos Integrados (1965-1980)

    Um dos elementos mais abundantes na crosta terrestre o silcio, uma substncia no metlica encontrada na areia da praia, bem como em praticamente todas as rochas e argilas. Circuitos Integrados so feitos de silcio porque esse um semicondutor.

    Um circuito integrado (CI) um circuito eletrnico completo por um pequeno chip de silcio. Em 1965 os CIs comearam a substituir os transistores nos computadores.

    A inveno do circuito integrado de silcio por Robert Noyce em 1958 permitiu que dezenas de transistores fossem colocados em um nico chip. Esse empacotamento possibilitava a construo de computadores menores mais rpidos e mais baratos do que seus precursores transistorizados. Alguns dos componentes mais significativos dessa gerao so descritos a seguir.

    Os chips passam a ser considerados um avano em termos de gerao porque tinham caractersticas desejveis: confiabilidade, tamanho reduzido e custo baixo.

    Tcnicas de produo em grandes volumes tornaram possvel a manufatura de circuitos integrados baratos.

    O incio da terceira gerao foi anunciado pela srie IBM 360 (que recebeu esse nome em

    Fonte: SHUTTERSTOCK.COM

  • 22 FUNDAMENTOS E ARQUITETURA DE COMPUTADORES | Educao a Distncia

    funo de um crculo completo de servio 360 graus) em 1964.

    Iniciava tambm o uso do computador para a rea comercial. O Sistema Operacional tornou-se mais sofisticado durante a terceira gerao. Diversos programas podiam ser executados no mesmo intervalo de tempo, compartilhando recursos do computador.

    A Quarta Gerao Microprocessador e Integrao em escala muito grande (1980-?)

    Na dcada de 1970, os computadores ganharam drasticamente em termos de velocidade, confiabilidade e capacidade de armazenamento, mas o ingresso na quarta gerao foi evolucionrio.

    A quarta gerao foi uma extenso da tecnologia de terceira gerao. Na primeira parte da terceira gerao, desenvolveram-se chips especializados para memria e lgica de computador. Na segunda parte, o processador de uso geral em um nico chip, tambm conhecido como microprocessador, que se tornou comercialmente disponvel em 1971.

    Em nenhum outro lugar o alcance da potncia do computador mais patente do que no uso do microprocessador. Alm das aplicaes comuns em relgios digitais, calculadoras de bolso e computadores pessoais, voc pode esperar encontr-lo virtualmente em todas as mquinas domsticas ou de escritrios: carros, mquinas copiadoras, aparelhos de televiso, mquinas de fazer po etc.

    Fonte: SHUTTERSTOCK.COM

  • 23FUNDAMENTOS E ARQUITETURA DE COMPUTADORES | Educao a Distncia

    Na dcada de 1980, a VLSI (Very Large Scale Integration integrao em escala muito grande) tinha possibilitado colocar primeiro dezenas de milhares, depois centenas de milhares e, por fim, milhes de transistores em um nico chip. Esse desenvolvimento logo levou a computadores menores e mais rpidos.

    Agora a gerao era dos computadores pessoais. Apple, IBM foram os pioneiros. A Apple com o Macintosh, o primeiro computador que vinha com uma GUI (Graphical User Interface Interface Grfica de Usurio), semelhante a agora popular interface Windows.

    Esse primeiro mercado do computador pessoal levou ao desejo at ento inaudito por computadores pessoais.

    At 1992, computadores pessoais eram de 8, 16 ou 32 bits. Ento, a DEC apareceu com seu revolucionrio Alpha de 64 bits, uma verdadeira mquina RISC de 64 bits, cujo desempenho ultrapassava por grande margem o de todos os outros computadores pessoais.

    Seu sucesso foi modesto, mas quase uma dcada se passou antes que as mquinas de 64 bits comeassem a ter grande sucesso e, na maior parte das vezes, como servidores top de linha.

    Os computadores atuais so 100 vezes menores que os da primeira gerao, e um nico chip bem mais poderoso do que o ENIAC.

    A Quinta Gerao Computadores Invisveis

    Em 1981, o governo japons anunciou que estava planejando gastar 500 milhes de dlares para ajudar empresas japonesas a desenvolver computadores de quinta gerao que seriam baseados em inteligncia artificial e representariam um salto quntico em relao aos computadores burros da quarta gerao.

    A despeito do grande barulho, o projeto japons fracassou e foi abandonado sem alarde.

  • 24 FUNDAMENTOS E ARQUITETURA DE COMPUTADORES | Educao a Distncia

    A quinta gerao aconteceu, mas de modo inesperado: os computadores encolheram. O Newton da Apple mostrou que um computador podia ser construdo dentro de um invlucro que no era maior que um tocador de fitas cassete porttil. O Newton usava a escrita mo para entrada do usurio, o que provou ser um grande obstculo, mas nas mquinas posteriores dessa classe, agora denominadas PDAs (Personal Digital Assistants), aprimoraram as interfaces de usurio e tornaram-se muito populares. Muitas dessas tm quase ou at maior a capacidade de computao que computadores pessoais de alguns anos atrs.

    Ainda mais importantes so os computadores invisveis embutidos em eletrodomsticos, relgios, cartes bancrios e diversos outros dispositivos (BECHINI et al., 2004).

    Esses processadores permitem maior funcionalidade e custo mais baixo em uma ampla variedade de aplicaes.

    Assista histria do computador acessando o vdeo: .

    HISTRIA DOS COMPUTADORES

    A indstria de computadores est avanando como nenhuma outra. Com a capacidade dos fabricantes de chips de aplicarem cada vez mais pacotes de transistores por chip todo ano, a matemtica simples, quanto mais transistores temos em contrapartida memrias maiores e processadores mais poderosos.

    Computadores pessoais so as mquinas das quais voc pode se aproximar mais, seja voc um amador ou um profissional. No h nada como ter seu prprio computador pessoal.

  • 25FUNDAMENTOS E ARQUITETURA DE COMPUTADORES | Educao a Distncia

    A lei de Moore ficou bastante conhecida em relao computao. Relata que o nmero de transistores dobra a cada 18 meses, o que equivale a um aumento de 60% do nmero de transistores por ano.

    A lei de Moore criou o que os economistas chamam de crculo virtuoso. Progressos na tecnologia (transistores/chips) levam a melhores produtos e preos mais baixos. Preos mais baixos levam a novas aplicaes.

    Para ajudar esse raciocnio, traaremos uma cronologia representada pelos tipos de computadores.

    Appleabrindoocaminho

    O primeiro computador pessoal disponvel ao pblico foi o MITS Altair, produzido em 1975. Era uma mquina espetacular, carregada de chaves e botes, mas sem nenhum teclado ou tela.

    Foram necessrios dois adolescentes, Steve Jobs e Steve Wozniak, para prender a imaginao do pblico com o primeiro computador Apple.

    O primeiro computador Apple, o Apple I, no foi um sucesso comercial: o Apple II que deu estabilidade aos primeiros anos da companhia.

    A combinao do Apple II e do software de planilha eletrnica denominado VisiCalc que chamou a ateno da comunidade de negcios e impulsionou os computadores pessoais para o local de trabalho.

    Padro IBM-PC

    A IBM aps anunciar seu primeiro computador, no incio da dcada de 1980, avanou para capturar a maior fatia de mercado em apenas 18 meses. O mais importante ainda que sua mquina tornou-se padro para as outras indstrias.

  • 26 FUNDAMENTOS E ARQUITETURA DE COMPUTADORES | Educao a Distncia

    A mquina IBM inclua inovaes como, por exemplo, uma linha de tela de 80 caracteres, um teclado com maisculas e minsculas e a possibilidade de acrescentar memria.

    A IBM oferecia slots de expanso internos para que os fabricantes de equipamentos perifricos pudessem construir acessrios para o PC IBM.

    A IBM fornecia esquemas de hardware e listagens de software para empresas que quisessem devolver produtos em conjunto com o novo PC. Muitos dos novos produtos aceleraram a demanda pela mquina IBM. Diversas empresas surgiram apenas para prover suporte ao IBM PC.

    Os computadores pessoais, compatveis com IBM, agora dominam o mercado, deixando a IBM com uma fatia de mercado pequena em comparao ao seu sucesso original.

    Padro Microsoft/Intel

    Na histria da indstria de computadores, o destaque era a mudana do hardware. Entretanto, os usurios de computador pessoal agora se concentram mais na tremenda variedade de software. A fora predominante em termos de software de computador pessoal a Microsoft Corporation.

    O sistema operacional Windows usado em computadores controlados por um microprocessador da Intel Corporation: essa potente combinao, apelidada de Wintel, tornou-se a fora predominante nas vendas de computadores pessoais.

    TIPOS DE COMPUTADORES

    Os ganhos concedidos pela lei de Moore podem ser usados de vrios modos. Um deles construir computadores cada vez mais poderosos a preo constante. Uma outra abordagem construir o mesmo computador por uma quantia de dinheiro cada vez menor a cada ano.

  • 27FUNDAMENTOS E ARQUITETURA DE COMPUTADORES | Educao a Distncia

    A indstria dos computadores, alm de efetuar ambas as coisas, criou uma ampla variedade de computadores disponveis agora. Uma categorizao dos computadores (isso existe para que no achemos que um desktop um servidor, e vice-versa).

    Alguns tipos de computadores podem ser observados na tabela abaixo.

    Tipo Preo (US$) Exemplo de Aplicao

    Computador Descartvel 0,5 Cartes de felicitao

    Microcontrolador 5 Relgios, carros, eletrodomsticos

    Computador de Jogos 50 Videogames domsticos

    Computador Pessoal 500 Computadores de mesa ou notebook

    Servidor 5 K Servidor de Rede

    Conjunto de Estaes de trabalho 50 500 K Minissupercomputador departamental

    Mainframe 5 M Processamento de dados em bloco em um banco

    Fonte: o autor

    Computadores Descartveis

    Na extremidade inferior desse tipo, encontramos um chip colado na parte interna de um carto de congratulaes.

    O desenvolvimento mais importante na rea dos computadores descartveis o chip RFID (Radio Frequency IDentification identificao por radiofrequncia). So chips com menos de 0.5 mm de espessura que contm um minsculo radio transponder e um nmero de 128 bits embutido.

  • 28 FUNDAMENTOS E ARQUITETURA DE COMPUTADORES | Educao a Distncia

    Algumas utilizaes: cdigo de barras de produtos. J foram feitos testes experimentais nos quais os fabricantes anexaram chips RFID (em vez de cdigo de barras) a seus produtos venda em lojas. O processo agora nas vendas levar o carrinho de compras para fora da loja, onde cada produto se identifica, o cliente tambm pode ser identificado por um chip embutido em seu carto (fim das filas maantes) e um controle maior visto que com 128 bits cada produto pode ser nico com seu lote, data de vencimento etc.

    Outra utilizao estudada: rastreamento de veculos, sistema de transporte de bagagens areas, transporte de encomendas.

    A tecnologia usada em chips RFID est se desenvolvendo rapidamente. Os menores so passivos (no tm alimentao interna), apenas transmitindo seus nmeros exclusivos quando consultados. Os maiores podem conter uma pequena bateria e um computador primitivo, e so capazes de fazer alguns clculos. Os smart cards usados em transaes financeiras esto nessa categoria.

    Microcontroladores

    Fonte:

    Fonte: SHUTTERSTOCK.COM

  • 29FUNDAMENTOS E ARQUITETURA DE COMPUTADORES | Educao a Distncia

    Computadores que esto embutidos em dispositivos que no so vendidos como computadores. Os computadores embutidos, s vezes denominados microcontroladores, gerenciam os dispositivos e manipulam a interface de usurio. So encontrados em grande variedade de aparelhos diferentes, entre eles, os seguintes:

    Eletrodomsticos (rdio relgio, mquina de lavar, secadora, forno de micro-ondas, alarme antifurto).

    1. Aparelhos de comunicao (telefone sem fio, telefone celular, fax).

    2. Perifricos de Computadores (impressora, scanner, modem, drive de CD-ROM).

    3. Equipamentos de entretenimento (VCR, DVD, aparelho de som, MP3 player, transdutores de TV).

    4. Aparelhos de reproduo de imagens (TV, cmera digital, fotocopiadora).

    5. Equipamentos mdicos (raios-X, MRI (ressonncia magntica), monitor cardaco, termmetro digital).

    6. Sistema de armazenamentos militares (mssil teleguiado, ICBM (mssil balstico intercontinental), torpedo).

    7. Dispositivos de vendas (mquina de venda automtica, caixa eletrnico (ATM), caixa registradora).

    8. Brinquedos (bonecas que falam, consoles de jogos, carros com radiocontrole).

    Um carro hoje poderia facilmente conter 50 microcontroladores que executam subsistemas, como freio, antitravamento, injeo de combustvel, rdio e GPS.

    Uma famlia poderia ter facilmente centenas de computadores sem saber. Dentro de

  • 30 FUNDAMENTOS E ARQUITETURA DE COMPUTADORES | Educao a Distncia

    alguns anos, praticamente tudo o que funciona por energia eltrica ou baterias conter um microcontrolador.

    Minicontroladores so computadores pequenos, mas completos, contendo um processador, memria e capacidade de E/S (entrada e sada realizada por botes e interruptores).

    Os microcontroladores de uso geral apresentam importantes diferenas em relao aos PCs.

    a) Custo: os preos variam muito dependendo de quantos bits tem, de quanta memria tem, e de que tipo a memria, alm de outros fatores.

    b) Funcionamento em tempo real: recebem um estmulo e devem dar uma resposta instant-nea. A necessidade de funcionar em tempo real costuma causar impacto na arquitetura.

    c) Sistema embutido: limitaes fsicas em termos de tamanho, peso, consumo de bateria e outras limitaes eltricas e mecnicas.

    A evoluo dos computadores, da informtica e internet, por meio do vdeo: .

    Computadores de Jogos

    Mquinas de videogames. So computadores normais, com recursos grficos especiais e capacidade de som, mas software limitado e pouca capacidade de extenso.

    A histria nos mostra que os primeiros comearam como CPUs de baixo valor para jogos simples, como pingue-pongue em aparelhos de televiso e com o passar dos anos evoluram para sistemas mais poderosos, rivalizando com o desempenho de computadores pessoais e at ultrapassando esse desempenho em certas dimenses (por exemplo, o PS3 que tem seu

  • 31FUNDAMENTOS E ARQUITETURA DE COMPUTADORES | Educao a Distncia

    ncleo utilizado como servidor, devido ao seu alto desempenho).

    As principais diferenas entre uma mquina de jogos e PC no est tanto na CPU, mas no fato de que mquinas de jogos so sistemas fechados e talvez o mais importante que as mquinas de jogos so cuidadosamente otimizadas para uma rea de aplicao: jogos de alta interatividade em 3-D com alta qualidade de udio estreo.

    As mesmas empresas que fabricam as principais mquinas de jogos tambm produzem mquinas de jogos portteis, que so alimentadas por baterias e esto mais prximas dos sistemas embutidos que j discutimos do que dos computadores pessoais.

    Computadores Pessoais

    O termo computadores pessoais abrange computadores de mesa e notebooks. Costumam vir equipados com gigabytes de memria e um disco rgido, um drive de CD-ROM/DVD, interface de rede, monitor de alta resoluo e outros perifricos.

    Tm sistema operacional elaborado, muitas opes de expanso e uma imensa faixa de softwares disponveis.

    O ncleo (corao) de todo computador pessoal uma placa de circuito impresso que est no fundo da caixa (gabinete). Em geral essa placa contm a CPU, memria, vrios dispositivos de E/S (como um chip de som), bem como as interfaces para teclado, mouse, disco, rede etc., e alguns encaixes (slots) de expanso.

    Notebooks so basicamente PCs em uma embalagem menor e utilizam os mesmos componentes de hardware, mas em tamanho menores. Tambm executam os mesmos softwares que os PCs de mesa.

    Outro tipo de mquina estreitamente relacionado so os PDAs. Embora sejam menores que o notebook, cada um tem uma CPU, memria, teclado, visor e a maioria das outras caractersticas

  • 32 FUNDAMENTOS E ARQUITETURA DE COMPUTADORES | Educao a Distncia

    de um computador pessoal em miniatura.

    Fonte:

    Servidores

    Computadores pessoais reforados ou estaes de trabalho so muito usados como servidores de rede, tanto em redes locais (em geral dentro de uma empresa) quanto na Internet. Os servidores vm em configuraes com um nico processador e com mltiplos processadores, tem gigabytes de memria, centenas de gigabytes de espao de disco rgido e capacidade de rede mais rpida.

    Fonte: SHUTTERSTOCK.COM

  • 33FUNDAMENTOS E ARQUITETURA DE COMPUTADORES | Educao a Distncia

    Executam os mesmos sistemas operacionais que os computadores pessoais, com alguma variao (principalmente segurana).

    ConjuntodeEstaesdetrabalho

    Devido s melhorias quase contnuas na relao preo/desempenho de estaes de trabalho e computadores pessoais, nos ltimos anos os projetistas de sistemas comearam a conectar grandes nmeros deles para formar os Clusters (COWs Clusters of Workstations).

    Os clusters consistem em PCs ou estaes de trabalho padro conectados por redes de gigabytes que executam software especial, permitindo que todas as mquinas trabalhem juntas em um nico problema, muitas vezes cientfico ou de engenharia.

    O principal acrscimo a capacidade de trabalho em rede de alta velocidade, com um conjunto de mquinas que podem chegar at milhares. O fator limitador a verba disponvel, devido ao baixo preo por componente, agora departamentos individuais podem ter essas mquinas.

    Outra utilizao de um COW como um servidor Web de Internet. Quando um site espera receber milhares de requisies por minuto para suas pginas, a soluo mais econmica costuma ser um aglomerado com centenas e at milhares de servidores (essa utilizao normalmente denominada Server farm).

    Fonte: SHUTTERSTOCK.COM

  • 34 FUNDAMENTOS E ARQUITETURA DE COMPUTADORES | Educao a Distncia

    Mainframes

    Computadores que ocupam uma sala e nos fazem voltar dcada de 1960. A maioria descendente direta dos mainframes IBM 360 adquiridos h dcadas.

    A maioria no muito mais rpida do que servidores de grande potncia, mas sempre tm mais capacidade de E/S e costuma ser equipada com vastas colees de discos que contm normalmente milhares de gigabytes de dados.

    Embora caros, so mantidos principalmente pelo alto investimento em software, dados, procedimentos de operao e pessoal que representam.

    Ocasionou o problema do Ano 2000, causado pelos programadores COBOL nas dcadas de 60 e 70, porque representavam o ano com 2 algarismos (dgitos) decimais para economizar memria. Eles nunca imaginaram que seus softwares durariam trs ou quatro dcadas.

    Alm de sua utilizao para executar software herdado de 30 anos de existncia, a Internet deu um flego a esses mainframes. Ela achou um novo nicho, como poderosos servidores de Internet, por exemplo, porque podem manipular quantidades macias de transaes de e-commerce por segundo.

    Fonte: SHUTTERSTOCK.COM

  • 35FUNDAMENTOS E ARQUITETURA DE COMPUTADORES | Educao a Distncia

    Supercomputadores

    Possuam CPUs extremamente rpidas, muito gigabytes de memria principal e discos e redes muito velozes. Eram usados para clculos macios nas reas cientficas e de engenharia, como a simulao de coliso de galxias, a sntese de novos medicamentos ou a modelagem do fluxo ao redor da asa de um avio.

    Fonte:

    O supercomputador acima o XT Jaguar, fabricado pela Cray. O todo-poderoso est instalado em solo americano, no laboratrio Oak Ridge National, em Tennessee, e roda um sistema baseado em Linux.

    Os cientistas usam os seus 224.162 ncleos de processamento para gerar uma potncia de 1.750 teraflops de processamento e pesquisar temas relacionados gerao de energia limpa, entre outras coisas.

    Contudo, nos ltimos anos os COWS passaram a oferecer a mesma capacidade de computao a preos muito mais baixos, e os verdadeiros supercomputadores agora so uma raa em extino.

    Computadores Notebook

    Computadores pequenos e leves. Com suas capacidades se comparando s dos computadores

  • 36 FUNDAMENTOS E ARQUITETURA DE COMPUTADORES | Educao a Distncia

    de mesa:

    Em relao ao processamento e memria, tm performance e desempenho similares.

    A maioria tem disco rgido e uma unidade de CD-ROM. Tipicamente, mais caros do que um computador de mesa equivalente.

    Tablet

    Dispositivo pessoal que se assemelha ao formato de uma prancheta, podendo ser utilizado para acesso Internet, leitura de livros, jornais e revistas, jogos.

    Atualmente apresenta uma tela touchscreen (tela sensvel ao toque), que o dispositivo principal de entrada.

    Fonte: SHUTTERSTOCK.COMFonte: SHUTTERSTOCK.COM

  • 37FUNDAMENTOS E ARQUITETURA DE COMPUTADORES | Educao a Distncia

    Suas funcionalidades so acionadas pelas pontas dos dedos ou uma caneta.

    um novo conceito, e embora possua diversas funcionalidades, no deve ser igualado a um computador completo.

    Os tablets possuem um Sistema Operacional feito para eles (por exemplo, o Ipad2 Apple e o Galaxy Tab Samsung), ao invs de utilizar o mesmo sistema operacional do computador.

    A popularizao deste tipo de computador comea a se dar com o lanamento do Ipad da Apple.

    As empresas que no tiverem seu site/aplicativo nos prximos anos no tero sucesso no mercado!

    CONSIDERAES FINAIS

    Esta unidade foi de importncia fundamental para que voc se familiarizasse com os computadores, seu conceito, suas geraes.

    Alm do mais, entender o computador importante NO apenas para a sua vida profissional, mas tambm para a vida pessoal, para saber quais decises tomar em relao aquisio e necessidades que possam surgir desta.

    Em suma, agora, passado o estudo dessa unidade, voc ser capaz de entender como foi a evoluo dos computadores at chegar aos atuais, que voc est neste momento utilizando para fazer o seu curso.

    Vamos em frente!

  • 38 FUNDAMENTOS E ARQUITETURA DE COMPUTADORES | Educao a Distncia

    Assista ao vdeo sobre a histria e evoluo no site do museu do computador:.

    ATIVIDADE DE AUTOESTUDO

    1. Voc interage com o computador no seu dia a dia. Defina-o!

    2. Os RFIDs (citados no tpico computadores invisveis) definem uma nova abordagem, principalmente as etiquetas. Na sua cidade, quais os ramos de estabelecimentos comerciais que poderiam utilizar o RFID e como poderiam ser utilizados alm de etiquetas?

    3. Na evoluo, chegamos aos smartphones e tablets. Cite necessidades que podem ser atendidas com essa tecnologia e o que seria utilizado para atend-las nos locais que voc frequenta.

    4. O que significou a padronizao do IBM-PC 360 para os fabricantes e para a evoluo dos computadores?

  • 39FUNDAMENTOS E ARQUITETURA DE COMPUTADORES | Educao a Distncia

    CAPRON, H. L.; JOHNSON, J. A.; SANTOS, Jos Carlos Barbosa dos. Introduo informtica. So Paulo: Pearson Prentice Hall, 2004. 368 p.

    SILBERSCHATZ, Abraham; GALVIN, Peter Baer; GAGNE, Greg. Fundamentos de sistemas operacionais. Rio de Janeiro: LTC, 2011. 515 p.

    VERDE, Raul. Computadores digitais-2. Lisboa: Dinalivro, 1984. 545 p.

    WEBER, Raul Fernando. Fundamentos de arquitetura de computadores. 3. ed. Porto Alegre: Bookman, 2008. 306 p. (Srie Livros didticos; 8).

  • UNIDADE II

    REPRESENTAO DE DADOS E CIRCUITOS LGICOSProfessor Me. Aparecido Vilela Junior

    Objetivos de Aprendizagem

    Cobrirosmtodosmaiscomunsqueossistemasdecomputadoresutilizampararepresentar dados e como as operaes aritmticas so executadas sobre estas representaes.

    Fazerdistinoentrerepresentaesdigitaiseanalgicas.

    Estudarcomoosbits(dgitosbinrios)sorepresentadosporsinaiseltricos.

    Verificararepresentaodosdadosinternamente(padrodebitsesinaleltrico).

    Descrevercomoainformaopodeserrepresentadausandoapenasdoisestados(1 e 0).

    Converterumnmerobinrioemseuequivalentedecimal.

    Reconhecerascaractersticasbsicasdosistemadenumeraobinrio.

    Conhecerumatabela-verdade.

    Criarcircuitoslgicos.

  • Plano de Estudo

    A seguir, apresentam-se os tpicos que voc estudar nesta unidade:

    RepresentaoNumrica

    BiteByte

    NotaoPosicionalBase10eBase2

    ConversoDecimalxBinrio

    ConversoBinrioxDecimal

    ConversoparaHexadecimal

    Tabela-Verdade

    CircuitosLgicos

  • 43FUNDAMENTOS E ARQUITETURA DE COMPUTADORES | Educao a Distncia

    INTRODUOOl, querido(a) acadmico(a)! Nesta unidade, iremos estudar a representao numrica que os computadores trabalham, passeando pelos bits, bytes e hexadecimais.

    importante sabermos que o computador entende somente nmeros e por isso a sua introduo neste mundo interno da comunicao dos computadores.

    Esta unidade tambm vai tratar da construo de circuitos lgicos, circuitos esses que so usados em circuitos eletrnicos, por causa das situaes que os sinais deste tipo de circuito podem apresentar de sinal, presena de sinal (1) e ausncia de sinal (0), por isso a necessidade e a importncia desta unidade, no livro.

    DE ELTRONS A BITS

    Os computadores modernos so sistemas digitais (vimos isso na unidade anterior), o que significa que eles interpretam os sinais eltricos como possuindo um conjunto de valores discretos, ao invs de quantidades analgicas. Ao mesmo tempo em que isto aumenta o nmero de sinais necessrios para transportar uma determinada quantidade de informao ,facilita o armazenamento de informaes e faz com que os sistemas digitais sejam menos sujeitos a rudos eltricos do que os analgicos.

    A conveno de sinais de um sistema digital determina como os sinais eltricos analgicos so interpretados como valores.

    Cada sinal carrega um de dois valores, dependendo do nvel de tenso do sinal. Tenses baixas so interpretadas como 0 e tenses altas so interpretadas como 1.

    RepresentandoasInformaes

    Toda informao introduzida em um computador (sejam dados que sero processados ou

  • 44 FUNDAMENTOS E ARQUITETURA DE COMPUTADORES | Educao a Distncia

    instrues de um programa) precisa ser estendida pela mquina, para que possa interpret-la e process-la.

    O computador, sendo um equipamento eletrnico, armazena e movimenta as informaes internamente sob forma eletrnica; esta pode ser um valor de voltagem ou corrente (na memria secundria as informaes so armazenadas sob forma magntica ou tica).

    Considerando que muito mais simples e confivel projetar um circuito capaz de gerar e manipular o menor nmero possvel de valores distintos, optou-se por uma mquina binria, isto , capaz de entender apenas dois valores: 0 e 1.

    Dessa forma, os computadores digitais so totalmente binrios. Toda informao introduzida em um computador convertida para a forma binria, mediante o emprego de um cdigo qualquer de armazenamento.

    BIT

    A menor unidade de informao armazenvel em um computador o algarismo binrio ou dgito binrio, conhecido como bit (BInary DigiT). O bit pode ter, ento, somente dois valores: 0 e 1.

    O bit pouco pode representar isoladamente; por essa razo, as informaes manipuladas por um computador so codificadas em grupos ordenados de bits, de modo a terem um significado til.

    BYTE

    A maioria dos microcomputadores manipula e armazena informaes e dados binrios em grupos de 8 bits. Por isso, a sequncia de 8 bits recebe um nome especial: ela denominada byte. Um byte constitudo sempre de 8 bits e pode representar quaisquer tipos de dados ou

  • 45FUNDAMENTOS E ARQUITETURA DE COMPUTADORES | Educao a Distncia

    informaes.

    O menor grupo ordenado de bits representando uma informao til para o ser humano o caractere.

    Qualquer caractere a ser armazenado em um sistema de computao convertido em um conjunto de bits previamente definido para o referido sistema.

    Cada sistema poder definir como (quantos bits e como se organizam) cada conjunto de bits ir representar um determinado caractere. Dentre eles, podemos citar:

    BCD Binary Code Decimal grupo de 6 bits/caractere, permitindo a codificao de 64 caracteres (praticamente no mais empregado).

    EBCDIC Extend Binary Coded Decimal Interchange Code exclusivo da IBM grupo de 8 bits permitindo a codificao de 256 smbolos diferentes.

    ASCII Americam Standard Code for Information Interchange usado pelos demais fabricantes, com 8 bits, desenvolvido para aplicaes com os microcomputadores de 16 bits (IBM-PC e compatveis).

    costume, no mercado, construrem memrias cujo acesso, armazenamento e recuperao de informaes so efetuados byte a byte (ou caractere a caractere). Por essa razo, em anncios de computadores, menciona que ele possui 2Gbytes de memria.

    Como os computadores so binrios, todas as indicaes numricas referem-se potncia de 2, e, por essa razo, o K representa 1.024 unidades (dcima potncia de 2 ou 210). A tabela abaixo relaciona as medidas de armazenamento mais utilizadas:

  • 46 FUNDAMENTOS E ARQUITETURA DE COMPUTADORES | Educao a Distncia

    Quantidade de Bytes Valor Aproximado Nome

    102 = 1.024 B 1.000 B 1 kB KILOBYTE

    202 = 1.048.576 B 1.000.000 B = 1.000 kB 1 MB MEGABYTE

    302 = 1.073.741.824 B 1.000.000.000 B = 1.000 MB 1 GB GIGABYTE

    402 = 1.099.511.627.776 B 1.000.000.000.000 B = 1.000 GB 1 TB TERABYTE

    502 = 1.125.899.906.842.624 B 1.000.000.000.000.000 B = 1.000 TB 1 PB PETABYTE

    602 = 1.152.921.504.606.846.976 B 1.000.000.000.000.000. 000 B = 1.000 PB 1 EB EXABYTE

    702 = 1.180.591.620.717.411.303.424 B 1.000.000.000.000.000.000.000 = 1.000 EB 1 ZB = ZETABYTE

    802 = 1.208.925.819.614.629.174.706.176 1.000.000.000.000.000.000.000.000 = 1.000 ZB 1 YB = YOTTABYTE

    Fonte: o autor

    NOTAO POSICIONAL BASE DECIMAL

    Desde os primrdios da civilizao, o homem vem adotando formas e mtodos especficos para representar nmeros, tornando possvel, com eles, contar objetos e efetuar operaes aritmticas (soma, subtrao etc.).

    A forma mais empregada de representao numrica chamada notao posicional. Nela, os algarismos componentes de um nmero assumem valores diferentes, dependendo de sua posio relativa ao nmero. O valor total do nmero a soma dos valores relativos de cada algarismo. Desse modo, a posio do algarismo ou dgito que determina seu valor.

    A formao de nmeros e operaes com eles efetuadas dependem, nos sistemas posicionais, da quantidade de algarismos diferentes disponveis no referido sistema. H muito tempo a cultura ocidental adotou um sistema de numerao que possui dez diferentes algarismos 0,1,2,3,4,5,6,7,8,9 e por essa razo, foi chamada de sistema decimal.

    A quantidade de algarismos disponveis em um dado sistema de numerao chamada de

  • 47FUNDAMENTOS E ARQUITETURA DE COMPUTADORES | Educao a Distncia

    base; a base serve para contarmos grandezas maiores, indicando a noo de grupamento. O sistema de dez algarismos acima tem base 10; um outro sistema que tem apenas dois algarismos diferentes (0 e 1) de base 2, e assim por diante.

    Exemplificando o conceito posicional, utilizando o nmero 1572, representado na base 10, escrito da seguinte forma: 157210.

    Em base decimal, por ser a mais usual, costuma-se dispensar o indicador de base, escrevendo-se apenas o nmero 1572. Neste exemplo, o nmero composto de quatro algarismos: 1,5,7,2 e cada algarismo possui um valor correspondente sua posio no nmero.

    Assim, o algarismo 2 representa 2 unidades. Neste caso, o valor absoluto do algarismo igual ao seu valor relativo por se tratar da primeira posio, considerando o aspecto 2 x 100 (2 vezes a potncia 0 na base 10). Enquanto o 7 representa 7 dezenas, pois seria representado por 7 x 101 (7 vezes a potncia 1 na base 10), e assim, aumentando a potncia para cada posio do algarismo na base 10, teramos como valor total:

    1 x 103 + 5 x 102 + 7 x 101 + 2 x 100 = 1000 + 500 + 70 + 2 = 157210.

    Generalizando, em um sistema qualquer de numerao posicional, um nmero N a expresso da seguinte forma:

    N = (dn-1,dn-2,dn-3... d1 d0) b onde :

    d: indica cada algarismo do nmero;

    n-1,n-2,n-3,1,0: ndice, indicam a posio de cada algarismo;

    b: indica a base de numerao;

    n: indica o nmero de dgitos inteiros.

  • 48 FUNDAMENTOS E ARQUITETURA DE COMPUTADORES | Educao a Distncia

    O valor do nmero pode ser obtido do seguinte somatrio:

    N = dn-1 x bn-1 + dn-2 x bn-2 + ... d1 x b1 + d0 x b0

    Resumindo: o nmero 1951: 1 milhar + nove centenas + 5 dezenas + 1 unidade, representado por:

    Fonte: o autor

    Utilizando-se a notao posicional indicada na expresso acima, representam-se nmeros em qualquer base.

    RepresentaesBinriasdeinteirospositivos

    Sistemas que mapeiam cada sinal eltrico sobre dois valores conhecidos como sistemas binrios e a informao que cada sinal carrega chamada de um bit (forma abreviada para BInary digiT dgito binrio). Sistemas com mais valores por sinal (bit) so possveis, mas so muito complexos para projetar seus circuitos e para interpretar, por esse motivo, praticamente todos os sistemas digitais so binrios.

    Inteiros positivos so representados utilizando o sistema binrio de numerao posicional (base 2), semelhante ao sistema de numerao posicional utilizada na aritmtica decimal (base 10).

  • 49FUNDAMENTOS E ARQUITETURA DE COMPUTADORES | Educao a Distncia

    Para nmeros binrios a base 2: assim, cada posio do nmero representa uma potncia crescente de 2, em vez de uma potncia crescente de 10. Por exemplo, o nmero binrio 100111 = (1 x 25) + (0 x 24) + (0 x 23) + (1 x 22) + (1 x 21) + (1 x 20), que corresponde a: 32 + 0 + 0 + 4 + 2 + 1, equivalente ao nmero 39 na base decimal.

    Os valores binrios so usualmente precedidos pelo prefixo 0b para identific-los como binrios, diferente dos nmeros decimais.

    Ilustrando graficamente o nmero 11010112 para melhor exemplificar:

    Fonte: o autor

    Outras bases de numerao

    Entre as bases diferentes da 10, consideremos apenas as bases 2 e potncia de 2, visto que todo computador digital representa internamente as informaes em algarismos binrios, ou seja, trabalha na base 2. Como os nmeros representados em base 2 so muito extensos (quanto menor a base de numerao maior a quantidade de algarismos necessrios

  • 50 FUNDAMENTOS E ARQUITETURA DE COMPUTADORES | Educao a Distncia

    para indicar um valor) e, portanto, de difcil manipulao visual, costuma-se representar externamente os valores binrios em outra base de valor mais elevado. Isso permite maior compactao de algarismos e melhor visualizao dos valores. Em geral, usam-se as bases octal e hexadecimal, em vez da base decimal, por ser mais simples e rpido converter valores binrios (base 2) para valores em bases mltiplas de 2.

    A notao hexadecimal, na qual cada dgito tem 16 valores possveis, frequentemente utilizada para representar nmeros binrios.

    Na notao hexadecimal, os nmeros de 0 a 9 tm o mesmo valor que na notao decimal, e as letras A at F (ou a at f maisculas e minsculas so irrelevantes na notao hexadecimal) so utilizadas para representar os nmeros de 10 at 15 como indicado na tabela abaixo:

    Nmero decimal Representao Binria Representao Hexadecimal

    0 0b0000 0x0

    1 0b0001 0x 1

    2 0b0010 0x 2

    3 0b0011 0x 3

    4 0b0100 0x 4

    5 0b0101 0x 5

    6 0b0110 0x 6

    7 0b0111 0x 7

    8 0b1000 0x 8

    9 0b1001 0x 9

    10 0b1010 0x A

    11 0b1011 0x B

    12 0b1100 0x C

    13 0b1101 0x D

    14 0b1110 0x E

    15 0b1111 0x F

    Fonte: o autor

  • 51FUNDAMENTOS E ARQUITETURA DE COMPUTADORES | Educao a Distncia

    Normalmente, para diferenciar nmeros hexadecimais de nmeros decimais ou nmeros binrios, emprega-se a notao 0x colocada esquerda do nmero.

    CONVERSO DE DECIMAL PARA BINRIO

    A converso de sistemas numricos pode ser realizada utilizando o mtodo matemtico da diviso. Esse mtodo serve para converso entre quaisquer sistemas de numerao.

    O mtodo matemtico consiste de divises sucessivas pela base do sistema no qual ser representado o valor, nesse caso como queremos converter um valor decimal para binrio, o nmero utilizado para as divises sucessivas ser o 2 (base do sistema binrio).

    A diviso com resto deve ser utilizada para se obter o resultado final.

    Fonte: o autor

    Verifique, conforme o exemplo acima, que a leitura vem do final do resultado obtido pelas

  • 52 FUNDAMENTOS E ARQUITETURA DE COMPUTADORES | Educao a Distncia

    divises at a primeira diviso efetuada, encontrando-se ento o valor referenciado no sistema numrico a que se referia a converso.

    Uma outra maneira de fazermos a converso pode ser realizada por meio da montagem de uma tabela, com seus valores j convertidos na base, por exemplo, para montarmos uma tabela de converso para o sistema numrico binrio, que utiliza a base 2, teramos uma tabela, como o exemplo abaixo:

    Fonte: o autor

    Encontrando agora o valor mximo que pode ser subtrado no nmero decimal que se quer converter com a tabela, basta marcar com 1 o valor correspondente e assim sucessivamente, at zerar a subtrao.

    Completar com 0 (zero) as colunas da tabela que no foram preenchidas com 1, e pronto, podemos obter o nmero correspondente converso em binrio (111000101002).

  • 53FUNDAMENTOS E ARQUITETURA DE COMPUTADORES | Educao a Distncia

    CONVERSO HEXADECIMAL PARA BINRIO

    Muito utilizado na informtica por ser uma conciliao razovel entre o que est mais prximo do equipamento e o que prtico para as pessoas utilizarem.

    Cada dgito hexadecimal corresponde a um conjunto de quatro dgitos binrios.

    Portanto, para converter a representao hexadecimal 2BC16 para o sistema numrico binrio, cada dgito do hexadecimal deve ser convertido para binrio separadamente (lembrando que cada dgito hexadecimal corresponde a 4 dgitos binrios), temos o seguinte valor:

    216 (hexadecimal) corresponde a 210 (decimal) -> 00102 (binrio)

    B16 (hexadecimal) corresponde a 1110 (decimal) -> 10112 (binrio)

    C16 (hexadecimal) corresponde a 1210 (decimal) -> 11002 (binrio)

    Fonte: o autor

    Agrupando todos os nmeros binrios encontrados, chegamos ao nmero convertido 0010101111002.

  • 54 FUNDAMENTOS E ARQUITETURA DE COMPUTADORES | Educao a Distncia

    CONVERSO BINRIO PARA HEXADECIMAL

    Tendo o nmero Binrio, basta agrup-lo de 4 em 4 dgitos da direita para a esquerda, e utilizar a tabela de representao hexadecimal, ilustrada acima, para apresentar o sistema numrico hexadecimal.

    Na falta de dgitos esquerda, completar com zeros; esse procedimento no alterar o valor representado.

    Por exemplo: converter o nmero 111000111002 para o seu correspondente hexadecimal.

    Fonte: o autor

    Usar a tabela para converter cada grupo de quatro dgitos binrios para hexadecimal.

    CIRCUITOS LGICOS

    A vida est repleta de exemplos de circunstncias em que se pode dizer que se est em um estado ou em outro. Por exemplo, uma luz est acesa ou apagada, uma porta est aberta ou fechada, agora est chovendo ou no.

    Em 1854, um matemtico chamado George Boole escreveu Uma Investigao das leis do pensamento, em que ele descrevia o modo como se toma decises lgicas com base em

  • 55FUNDAMENTOS E ARQUITETURA DE COMPUTADORES | Educao a Distncia

    circunstncias verdadeiras ou falsas. O mtodo que ele descreveu conhecido como lgica booleana.

    A lgica booleana usa smbolos para representar uma expresso lgica que possui um de dois valores possveis: verdadeiro ou falso. A expresso lgica pode ser a porta est fechada, o boto est pressionado ou o nvel do combustvel est baixo.

    A principal utilidade dessas expresses lgicas descrever o relacionamento entre as sadas dos circuitos lgico (as decises) e as entradas (as circunstncias).

    As portas lgicas, que estaremos estudando, so circuitos lgicos mais bsicos, sendo estes os blocos fundamentais a partir dos quais outros circuitos lgicos e sistemas digitais so construdos.

    Constantes e Variveis Booleanas

    A principal diferena entre a lgebra booleana e a convencional que, na booleana, as constantes e variveis podem ter apenas dois valores possveis, 0 ou 1.

    As variveis booleanas 0 e 1 no representam efetivamente nmeros, mas o estado do nvel de tenso de uma varivel, o qual denominada nvel lgico. A lgebra booleana um modo de expressar a relao entre as entradas e sadas de um circuito lgico.

    As entradas so consideradas variveis lgicas, cujo nvel lgico determina a qualquer momento os nveis das sadas.

    Como os valores possveis de uma varivel so apenas dois, a lgebra booleana mais fcil de ser manipulada que a lgebra convencional. A lgebra booleana tem de fato apenas trs operaes bsicas: OR (OU), AND (E) e NOT (NO). Essas operaes bsicas so denominadas operaes lgicas.

  • 56 FUNDAMENTOS E ARQUITETURA DE COMPUTADORES | Educao a Distncia

    TABELA-VERDADE

    Uma tabela-verdade uma tcnica para descrever como a sada de um circuito lgico depende dos nveis lgicos presentes nas entradas do circuito.

    Fonte: o autor

    A figura acima ilustra uma tabela-verdade para um tipo de circuito lgico de duas entradas e relaciona todas as combinaes possveis para os nveis lgicos presentes nas entradas A e B com o correspondente nvel lgico de sada.

    OPERAO OR (OU) COM PORTA OR

    A operao OR a primeira das trs operaes booleanas a ser estudada. Um exemplo dessa operao a lmpada interna de um veculo. A lmpada dentro do veculo deve ser acionada se o interruptor for acionado OU (OR) se a porta do veculo for aberta.

    A letra A pode ser utilizada para representar um interruptor acionado (verdadeiro ou falso) e a letra B, porta do veculo aberta (verdadeiro ou falso). A letra x pode representar uma lmpada acesa (verdadeiro ou falso).

  • 57FUNDAMENTOS E ARQUITETURA DE COMPUTADORES | Educao a Distncia

    A tabela-verdade na figura abaixo mostra o que acontece quando duas entradas lgicas, A e B, so combinadas usando uma operao OR para produzir a sada x.

    A tabela mostra que x ser um nvel lgico 1 para cada combinao de nveis de entradas em que uma ou mais entradas forem 1. O nico caso em que x um nvel 0 acontece quando ambas as entradas so 0.

    Fonte: o autor

    Na expresso x = A+B, o sinal + no representa a adio convencional e sim a operao OR.

    PORTA OR

    Em circuitos digitais, uma porta OR um circuito que tem duas ou mais entradas e cuja sada igual combinao das entradas por meio da operao OR. A figura abaixo mostra o smbolo lgico para uma porta OR de duas entradas. As entradas A e B so nveis lgicos de tenso, e a sada x um nvel lgico de tenso cujo valor o resultado da operao OR entre A e B.

  • 58 FUNDAMENTOS E ARQUITETURA DE COMPUTADORES | Educao a Distncia

    Em outras palavras, a porta OR acima opera de modo que sua sada ser ALTA (nvel lgico 1) se a entrada A ou B ou ambas foram nvel lgico 1. A sada de uma porta OR ser nvel BAIXO (nvel lgico 0) apenas se todas as entradas forem nvel 0.

    OPERAO AND (E) COM PORTA AND

    A operao AND a segunda operao booleana bsica. Como exemplo do uso do lgico AND, considere um veculo que somente acionar a partida se o cmbio estiver posicionado na posio N (Neutro) AND (E) o cinto de segurana do motorista estiver posicionado corretamente. Digamos que a letra A representa cmbio na posio Neutro, e a letra B cinto de segurana do motorista na posio correta.

    A tabela-verdade abaixo mostra o que acontece quando duas entradas lgicas A e B so combinadas usando uma operao AND para gerar a sada x.

    Fonte: o autor

    A tabela mostra que x ser nvel lgico 1 apenas quando A e B forem 1. Para qualquer outro caso em que uma das entradas for 0, a sada ser 0.

    Na expresso x = A.B, o sinal (.) representa a operao booleana AND; no multiplicao.

  • 59FUNDAMENTOS E ARQUITETURA DE COMPUTADORES | Educao a Distncia

    PORTA AND

    O smbolo lgico para uma porta AND de duas entradas mostrado na figura abaixo. A sada da porta AND igual ao produto lgico AND das entradas, que x=AB. Em outras palavras, a porta AND um circuito que opera de modo que sua sada seja nvel ALTO somente quando todas as entradas tambm o forem. Para todos os outros casos, a sada da porta AND nvel BAIXO.

    OPERAO NOT (NO) OU INVERSO

    A operao NOT, tambm denominada INVERSO, diferente das operaes OR e AND pelo fato de poder ser realizada sobre uma nica varivel de entrada. Por exemplo, se a varivel A for submetida operao de inverso, o resultado de x pode ser expresso como: . Em que a barra sobre o nome da varivel representa a operao de inverso.

    Essa expresso lida como x igual a A negado, o x igual ao inverso de A ou x igual ao complemento de A.

    Circuito NOT (Inversor)

    A figura abaixo mostra o smbolo para o circuito NOT, mais comumente denominado INVERSOR. Esse circuito tem sempre apenas uma entrada, e seu nvel lgico de sada o oposto ao nvel lgico de entrada.

  • 60 FUNDAMENTOS E ARQUITETURA DE COMPUTADORES | Educao a Distncia

    A figura mostra como um inversor afeta um sinal de entrada. Ele inverte (complementa) o sinal de entrada em todos os pontos da forma de onda, de maneira que se a entrada for 0, a sada igual a 1, e vice-versa.

    Descrevendo Circuitos Lgicos Algebricamente

    Qualquer circuito lgico, independentemente de sua complexidade, pode ser descrito usando-se as trs operaes booleanas bsicas, porque as portas OR, AND e INVERSOR so os blocos fundamentais dos sistemas digitais.

    A expresso para a sada de uma porta AND escrita assim: A.B (S1). Essa sada da porta AND est conectada em uma entrada da porta OR, cuja entrada a C. A porta OR opera sobre as entradas de modo que a sada uma soma lgica delas. Assim podemos expressar a sada da porta OR como x = A.B + C (essa expresso final poderia ser escrita como x = C + A.B, visto que no importa qual termo da soma lgica escrito primeiro).

    Precedncia de Operador

    Ocasionalmente, pode haver uma confuso em qual operao deve ser realizada primeiro em uma expresso.

    A expresso A.B + C pode ser interpretada de duas maneiras diferentes: (1) operao OR de A.B com C ou operao AND de A com a soma lgica de B + C.

    Para evitar essa confuso, deve ficar entendido que se uma expresso tiver operaes AND

  • 61FUNDAMENTOS E ARQUITETURA DE COMPUTADORES | Educao a Distncia

    e OR, a operao AND realizada primeiro, a menos que existam parnteses na expresso. Nesse caso, a operao dentro do parnteses realizada primeiro.

    Essa regra para determinar a ordem das operaes a mesma usada na lgebra convencional.

    Circuitos com Inversores Lgicos

    Sempre que um INVERSOR estiver presente em um circuito lgico, a expresso para a sada do INVERSOR ser igual expresso de entrada com uma barra sobre ele. Conforme ilustra a figura abaixo.

    As sadas que tiverem somente a bola na sua ponta representam tambm o inversor, conforme a figura abaixo.

    ImplementandoCircuitosapartirdeExpressesBooleanas

    Quando a operao de um circuito definida como uma expresso booleana, podemos desenhar o diagrama do circuito lgico diretamente a partir da expresso.

    Por exemplo, se precisarmos de um circuito definido por x = A.B.C, saberemos imediatamente que precisamos de uma porta AND de trs entradas.

  • 62 FUNDAMENTOS E ARQUITETURA DE COMPUTADORES | Educao a Distncia

    Se precisarmos de um circuito definido por x = , podemos usar uma porta OR de duas entradas com um inversor em uma das entradas.

    O mesmo raciocnio pode ser estendido para circuitos mais complexos.

    Suponha que desejemos construir um circuito cuja sada seja S=(A+B).C.(B+D). Essa expresso booleana nos diz que necessrio termos duas portas OR com duas entradas, (A+B) e (B+D); e uma porta AND com trs entradas iguais. O circuito ilustrado na figura abaixo.

    Circuitos Lgicos Combinacionais

    Quando o nvel de sada desejado de um circuito lgico dado para todas as condies de entradas possveis, os resultados podem ser convenientemente apresentados em uma tabela-verdade.

    A expresso booleana para o circuito requerido pode ento ser obtida a partir dessa tabela. Por exemplo, considere a tabela-verdade abaixo, nela mostrada que um circuito tem duas

  • 63FUNDAMENTOS E ARQUITETURA DE COMPUTADORES | Educao a Distncia

    entradas A e B, e sada x. A tabela-verdade mostra que a sada x, ser nvel 1 apenas para o caso em que A = 1 e B = 0.

    A B x

    0 0 0

    0 1 0

    1 0 1

    1 1 0

    A partir dessas informaes, pode-se determinar o circuito lgico para a operao desejada. Ou seja, quando a entrada A for 1, e a entrada B for 0, ou seja, negada, o circuito lgico acionado.

    Vamos a um exemplo prtico, utilizando Circuito Lgico Combinacional: em uma banca de TCC h trs pessoas que so escolhidas para avaliarem as apresentaes de alunos. Os trs avaliadores devem votar se o aluno est aprovado ou reprovado. Voc foi contratado para automatizar esse sistema, inserindo botes nas mesas de cada avaliador. Caso o avaliador aprove o aluno, ele dever pressionar o boto. Caso no aprove dever manter o boto solto. Se um aluno for aprovado pela maioria dos avaliadores, uma lmpada ser acionada. Caso o aluno no seja aprovado, a lmpada permanecer desligada.

    O primeiro passo para obter o circuito a construo da tabela-verdade, analisando o problema acima, temos 3 entradas, que so os botes, quando eles forem pressionados emitiro o sinal 1. A sada S ser nvel ALTO (1) , quando mais de uma entrada tiver sido pressionada, ao mesmo tempo, ou seja, a maioria para aprovao.

  • 64 FUNDAMENTOS E ARQUITETURA DE COMPUTADORES | Educao a Distncia

    A B C S

    0 0 0 0

    0 0 1 0

    0 1 0 0

    0 1 1 1

    1 0 0 0

    1 0 1 1

    1 1 0 1

    1 1 1 1

    Ao examinarmos a tabela-verdade, podemos verificar que as sadas em x podem ser apresentadas por meio da expresso:

    CONSIDERAES FINAIS

    Como vimos o hardware somente entende nmeros. Desde o bit que a menor unidade de informao at seus conjuntos (Byte e Hexadecimais).

    Conhec-los e estud-los primordial para o entendimento de outras reas como armazenamento de dados, localizao de endereos de memria, comunicao entre os perifricos de Entradas e Sadas etc.

    A construo dos circuitos lgicos abre tambm um universo de possibilidades de operaes combinacionais com as portas lgicas, gerando circuitos eletrnicos com alto poder de resoluo de problemas e necessidades.

  • 65FUNDAMENTOS E ARQUITETURA DE COMPUTADORES | Educao a Distncia

    ATIVIDADE DE AUTOESTUDO

    1. Crie o Circuito lgico para o exemplo do Circuito Combinacional, apresentado no final desta unidade.

    2. Seu computador trabalha com 32 ou 64 bits? Quais so os ganhos se o seu computador for de 32 e for alterado para 64 bits?

    3. Vimos que um Circuito Combinacional pode ser utilizado para atender s mais diversas necessidades. Crie um circuito para avisar que a luz do carro est ligada quando a chave do carro no est no contato, e que as portas do carro esto abertas quando a chave est no contato.

    4. Crie um Circuito Combinacional para atender a uma necessidade sua ou da sua empresa.

  • UNIDADE III

    COMPONENTES DE UM COMPUTADOR Professor Me. Aparecido Vilela Junior

    Objetivos de Aprendizagem

    EstudaroscomponentesdeEntradaseSadasmaisutilizados.

    Compreender a comunicao entre os componentes de Entradas e Sadas pormeio do barramento.

    EntenderosmeiosdeArmazenamentoSecundrios.

    Plano de Estudo

    A seguir, apresentam-se os tpicos que voc estudar nesta unidade:

    ComponentesdeumcomputadorEntradaeSada

    Barramentosesuasfunes

    Interrupes

    ComponentesdeEntradaeSada

    Equipamentosdetelecomunicaes

    MeiosdeArmazenamento(Discos,Fitasetc.)

  • 69FUNDAMENTOS E ARQUITETURA DE COMPUTADORES | Educao a Distncia

    INTRODUO

    Ol, acadmico. Quando falamos em computador e sua arquitetura, no podemos deixar de estudar os dispositivos de entrada e sada.

    Nesta unidade, estaremos analisando as formas de acesso de entradas s informaes (as mais comuns), assim como, aps o processamento, as suas sadas.

    Sero abordadas as interfaces de Entrada/Sadas conhecidas: Paralela, Serial e USB.

    Ao se tratar de Entradas e Sadas, sero tambm inserido nesta unidade os meios de armazenamento secundrios e os equipamentos de telecomunicaes, visto que estes dois complementam, pois as informaes podem ser armazenadas (gravadas), ou transmitidas.

    COMPONENTES DE UM COMPUTADOR ENTRADA E SADA

    Alm do processador e um conjunto de mdulos de memria, o terceiro elemento-chave de um sistema de computao um conjunto de mdulos de E/S. Cada mdulo se conecta ao barramento do sistema ou comutador central e controla um ou mais dispositivos perifricos.

    Para que possamos desfrutar da rapidez e flexibilidade de um computador, no basta sabermos que ele pode armazenar na memria os programas de dados que desejamos processar e nem que ele pode executar mais de um bilho de instrues por segundo.

    preciso que o programa que temos escrito em uma folha de papel e os dados que sero manipulados sejam inseridos no sistema, caractere por caractere, inclusive os espaos em branco entre os caracteres, os sinais de pontuao e os smbolos de operaes matemticas.

    Os projetistas de computadores tm a tendncia de dirigir sua ateno primeiramente para o processador, depois para o sistema de memria e, por ltimo, para o sistema de E/S. Isso

  • 70 FUNDAMENTOS E ARQUITETURA DE COMPUTADORES | Educao a Distncia

    ocorre, em parte, porque os testes e as unidades de medio que tm sido utilizados para comparar sistemas de computadores so voltados para os tempos de execuo de programa que efetuam clculos intensivos, os quais no utilizam muito o sistema de E/S.

    Outro motivo que algumas das tcnicas utilizadas para implementar os sistemas de E/S dificultam melhorar o seu desempenho mesma taxa pela qual o desempenho dos processadores tem melhorado.

    Um mdulo de E/S no simplesmente um conjunto de conectores mecnicos que conectam um dispositivo fisicamente ao barramento do sistema, mais do que isso, o mdulo de E/S contm uma lgica para realizar uma funo de comunicao entre o perifrico e o barramento.

    Os sistemas de E/S podem ser divididos em dois componentes principais: os prprios dispositivos de E/S e as tecnologias usadas para fazer a interface dos dispositivos de E/S. Nesta unidade apresentaremos as duas divises sendo que quanto aos dispositivos, devido a grande e enorme variedade, no conseguiremos abranger uma apresentao completa, apresentando uma viso geral de como so projetados e acessados, alm de citarmos os mais comuns.

    BARRAMENTO

    Praticamente todos os componentes de um computador, como processadores, memrias, placas de vdeo e diversos outros, so conectados placa-me a partir do que chamamos de barramento. Sem entrar em termos tcnicos, ele o encaixe de que cada pea precisa para funcionar corretamente.

    H barramentos especficos para praticamente todos os componentes conectados ao sistema, geralmente em siglas muito conhecidas pelos usurios, mas que no so atreladas diretamente funo que realizam.

  • 71FUNDAMENTOS E ARQUITETURA DE COMPUTADORES | Educao a Distncia

    Os primeiros computadores faziam acesso sua memria principal por meio do barramento de E/S, ao invs de um barramento de memria distinto. Essa configurao reduzia o nmero de sinais indo para o processador ou computador, mas significou que a memria principal teve tambm que compartilhar a largura da banda disponvel do barramento de E/S. Ao longo do tempo, os computadores evoluram para conexes distintas, para a memria e para o barramento de E/S, de modo a aumentar a largura de banda.

    Atualmente, os barramentos distintos de memria e de E/S so utilizados para fazer a comunicao com o sistema de memria e o sistema de E/S. Esses barramentos comunicam-se com o processador por meio de um mdulo de comutao.

    Os barramentos fornecem uma especificao sobre como os dados e comandos so transferidos entre processador e os dispositivos de E/S e como diversos dispositivos competem pela utilizao do barramento.

    Os sistemas que utilizam barramentos de E/S so muito flexveis, permitindo que um sistema suporte muitos dispositivos de E/S diferentes e permite que estes dispositivos sejam mudados, medida que as suas necessidades mudam.

    Acesso ao Barramento

    Cada tipo de barramento define um protocolo (PCI, SCSI etc.) sobre como os dispositivos podem acessar o barramento, quando esses dados podem ser enviados.

    Esse envio controlado pela poltica de arbitramento, que utilizada para decidir qual dispositivo pode acessar o barramento em um dado momento. A maioria dos barramentos permite que qualquer dispositivo sobre o barramento solicite o seu uso e tenha uma poltica para decidir qual dispositivo obtm o seu uso, se acontecer de mais de um dispositivo solicitar o acesso ao mesmo tempo (o que ocorre constantemente).

    A poltica de arbitragem dos barramentos pode estabelecer um ID para determinado dispositivo

  • 72 FUNDAMENTOS E ARQUITETURA DE COMPUTADORES | Educao a Distncia

    e assim a prioridade pode ser estabelecida mediante um ID mais alto.

    Outra poltica de arbitragem utilizada a de decidir qual dispositivo pode utilizar o barramento por meio do tempo de execuo de uma operao. Alguns protocolos de barramentos podem estabelecer limites sobre o tempo que uma nica operao pode demorar a ser completada, ajustado assim as solicitaes e prioridades.

    Configuraes do barramento de sistemae de frequncia do ncleo para os processadores Intel,disponvel em: .

    INTERRUPES

    o mecanismo utilizado pela maioria dos processadores para tratar de um evento que a grande maioria dos dispositivos de E/S geram: os assncronos eventos que ocorrem em intervalos que o processador no pode prever ou controlar, mas aos quais o processador precisa responder com razovel rapidez para fornecer um desempenho aceitvel. Por exemplo: o teclado o processador no pode prever quando o usurio pressionar uma tecla, mas precisa reagir ao pressionar da tecla em um tempo de resposta muito baixo (menos de 1 segundo) ou o tempo de resposta ser notado pelo usurio.

    As interrupes ento permitem que os dispositivos solicitem que o processador pare o que est fazendo no momento e execute um software para processar a solicitao do dispositivo.

    As interrupes tambm so utilizadas quando o processador precisa executar uma operao

  • 73FUNDAMENTOS E ARQUITETURA DE COMPUTADORES | Educao a Distncia

    de longa durao em algum dispositivo de E/S e quer ser capaz de fazer outro trabalho, enquanto espera que a operao seja completada.

    Comosoimplementadasasinterrupes

    Para implementar interrupes, o processador designa um sinal conhecido como uma linha de solicitao de interrupo para cada dispositivo que pode emitir uma interrupo.

    A cada dispositivo tambm designado uma linha de reconhecimento de interrupo que o processador utiliza para sinalizar ao dispositivo que ele recebe e comeou a processar a solicitao de interrupo.

    POLLING

    O polling uma alternativa para o uso de interrupes com dispositivos de E/S.

    No polling, o processador verifica periodicamente cada um dos seus dispositivos de E/S para verificar se quaisquer deles tm uma solicitao que precisa ser tratada.

    Utilizar o polling, em vez de interrupes, pode fornecer vantagens de desempenho se o processador no tiver nenhum outro trabalho que ele possa estar fazendo, enquanto as operaes de E/S esto em andamento.

    O polling apresenta desvantagens, o que torna as Interrupes a opo preferida.

    a) O polling consome recursos de processamento, mesmo quando no h solicitaes de E/S esperando.

    b) Os sistemas que utilizam polling exigem que o software que est sendo executado no pro-cessador (seja o sistema operacional, seja o programa do usurio) efetue a sondagem.

  • 74 FUNDAMENTOS E ARQUITETURA DE COMPUTADORES | Educao a Distncia

    Mapeamento em Memria das E/S

    Para utilizar o sistema de E/S, o processador precisa ser capaz de enviar comandos para os dispositivos de E/S e ler dados a partir deles. Para a maioria dos sistemas, utilizado o mecanismo da E/S mapeada em memria.

    Na E/S mapeada em memria, os registradores de comando (tambm chamados registradores de controle) de cada dispositivo de E/S aparecem para o programador como se fossem posies de memria.

    INTERFACES

    Interface Paralela

    Em relao aos computadores, sabemos que ele possui sadas e entradas. A Porta Paralela nada mais do que um dispositivo de entrada e sada paralelo.

    Transmitir de forma paralela transmitir vrios bits ao mesmo tempo. Em uma primeira impresso, a transmisso paralela pode parecer a mais apropriada.

    Porm, no podemos esquecer do conceito de multiplexao (baseada no fato de comutar vrios bits de forma rpida transmitidos por um nico fio, ou seja, de forma serial).

    A porta paralela, por no possuir uma alta velocidade de transmisso, tem, atualmente, sua aplicao limitada a impressoras e scanners.

    Atualmente, em caso de transmisses rpidas, se utiliza a interface USB (Universal Serial Bus), que atinge taxas de transmisso bem maiores.

    Na comunicao em paralelo, grupos de bits so transferidos simultaneamente (em geral, byte a byte) por meio de diversas linhas condutoras dos sinais. Desta forma, como vrios bits so

  • 75FUNDAMENTOS E ARQUITETURA DE COMPUTADORES | Educao a Distncia

    transmitidos simultaneamente a cada ciclo, a taxa de transferncia de dados (throughput) alta.

    Fonte:

    No entanto, o processo de transferncia em paralelo envolve um controle sofisticado e razoavelmente complexo, o que o torna mais caro.

    Um dos problemas importantes diz respeito propagao dos sinais no meio fsico, isto , no cabo de conexo entre o dispositivo e a interface.

    Essa propagao deve se fazer de modo que os sinais (os bits) correspondentes a cada byte cheguem simultaneamente extremidade oposta do cabo, onde ento sero reagrupados em bytes.

    Interface Serial

    Como o nome indica, transmitir em srie, ou seja, um bit aps o outro.

    Os bytes a serem transmitidos so serializados, isto , so desmontados bit a bit, e so individualmente transmitidos, um a um.

    Na outra extremidade do condutor, os bits so contados e, quando formam 8 bits, so remontados, reconstituindo os bytes originais.

    Nesse modo, o controle comparativamente muito mais simples que no modo paralelo e de

  • 76 FUNDAMENTOS E ARQUITETURA DE COMPUTADORES | Educao a Distncia

    implementao mais barata.

    Como todos os bits so transferidos pelo mesmo meio fsico (mesmo par de fios), as eventuais irregularidades afetam todos os bits igualmente. Portanto, a transmisso serial no afetada por irregularidades do meio de transmisso. No entanto, a transmisso serial intrinsecamente mais lenta (de vez que apenas um bit transmitido de cada vez).

    Fonte:

    Interface USB

    USB a sigla para Universal Serial Bus. Trata-se de uma tecnologia que tornou mais simples, fcil e rpida a conexo de diversos tipos de aparelhos (cmeras digitais, HDs externos, pen drives, mouses, teclados, MP3-players, impressoras, scanners, leitor de cartes etc.) ao computador, evitando assim o uso de um tipo especfico de conector para cada dispositivo.

    Em 1995, um conjunto de empresas entre elas, Microsoft, Intel, NEC, IBM e Apple formaram um consrcio para estabelecer um padro que facilitasse a conexo de dispositivos ao computador.

    Pouco tempo depois disso, as primeiras especificaes comerciais do que ficou conhecido como Universal Serial Bus (USB) surgiram.

  • 77FUNDAMENTOS E ARQUITETURA DE COMPUTADORES | Educao a Distncia

    Para saber mais sobre a USB e como ela foi criada, este frum foi o primeiro criado pelas empresas para a troca de informaes e consolidao para a criao comercial da interface USB.

    O barramento USB pode ser utilizado para prover energia eltrica a determinados dispositivos. Para que isso seja possvel, os cabos USB contam com quatro fios internos: VBus (VCC), D+, D- e GND. O primeiro o responsvel pela alimentao eltrica. O segundo e o terceiro so utilizados na transmisso de dados (a letra D provm de data, dado em ingls). O quarto, por sua vez, para controle eltrico, servindo como fio-terra.

    Os cabos USB devem ter, no mximo, 5 metros de comprimento. Isso necessrio porque, em cabos maiores, o tempo de transmisso dos dados pode exceder o limite de 1500 nanossegundos. Quando isso ocorre, a informao considerada perdida.

    Vantagens do padro USB

    Um dos principais motivos que levou criao da tecnologia USB a necessidade de facilitar a conexo de variados dispositivos ao computador. Sendo assim, o USB oferece uma srie de vantagens:

    - Padro de conexo:qualquerdispositivocompatvelcomoUSBusapadresdefinidosdeconexo.

    - Plug and play: quase todos os dispositivos USB so concebidos para serem conectados ao computador e utilizados logo em seguida.

    - Alimentaoeltrica: a maioria dos dispositivos que usam USB no precisa ser ligada a uma fonte de energia, j que a prpria conexo USB capaz de fornecer eletricidade.

  • 78 FUNDAMENTOS E ARQUITETURA DE COMPUTADORES | Educao a Distncia

    - Conexodevriosaparelhosaomesmotempo: possvel conectar at 127 dispositivos ao mesmo tempo em uma nica porta USB.

    - Ampla compatibilidade: o padro USB compatvel com diversas plataformas e sistemas operacionais.

    O Windows, por exemplo, o suporta desde a verso 98. Sistemas operacionais Linux e Mac tambm so compatveis.

    Atualmente, possvel encontrar portas USB em vrios outros aparelhos, como televisores, sistemas de comunicao de carros e at aparelhos de som.

    Com a popularizao de tecnologias de comunicao sem fio, comoBluetooth eWi-Fi, h quemquestione o futuro do USB, uma vez que a tendncia a de que todos os dispositivos passem a se comunicar sem o uso de cabos.

    DISPOSITIVOS DE E/S

    Existe um nmero enorme de dispositivos de E/S para os sistemas de computadores atuais, os quais podem ser divididos genericamente em categorias:

    Dispositivos que recebem dados.

    Recebem entrada de dados diretamente do usurio, como teclados e mouse, tendem a ter exigncias relativamente baixas de largura de banda, mas exigem respostas imediatas.

    Dispositivos que apresentam sada de dados

  • 79FUNDAMENTOS E ARQUITETURA DE COMPUTADORES | Educao a Distncia

    Dispositivos como placas de vdeo, impressoras e placas de som podem exigir uma quantidade significativa de largura de banda de sada, mas pouca largura de banda de entrada.

    Dispositivos que interagem com outras mquinas.

    Dispositivos como drivers de disco, CD-ROMs, interfaces de rede e assim por diante, frequentemente precisam de larguras de banda altas em ambas as direes e baixo tempo de resposta do processador para que possam atingir seu desempenho de pico.

    Compreender as necessidades de diferentes dispositivos de E/S fundamental para obter um melhor desempenho geral do sistema.

    Terminais

    Terminais de computador consistem em duas partes: um teclado e um monitor.

    No mundo dos mainframes, essas partes costumam ser integradas em um nico dispositivo ligado ao computador principal por uma linha serial ou por uma linha telefnica.

    Nos setores de reserva de passagens areas e bancrio e em outros setores que usam mainframes, esses dispositivos ainda tm ampla utilizao. No mundo dos computadores pessoais, o teclado e o monitor so dispositivos independentes. Qualquer que seja o caso, a tecnologia das duas partes a mesma.

    Teclados

    Fonte: SHUTTERSTOCK.COM

  • 80 FUNDAMENTOS E ARQUITETURA DE COMPUTADORES | Educao a Distncia

    H uma grande variedade de teclados. O IBM PC original vinha com um teclado munido de um contato mecnico sob cada tecla, que dava retorno ttil e emitia um clique quando a tecla era apertada corretamente. Hoje, os teclados mais baratos tm teclas que fazem apenas contato mecnico quando acionados. Os melhores tm uma lmina de material elastomrico espcie de uma borracha entre as teclas e a placa de circuito impresso que est por baixo.

    Hoje, com o advento das portas USB, temos teclados sem fio.

    Monitor C