Arquitetura e organização de computadores

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Arquitetura e organização de computadores

  1. 1. Guia de Estudo Arquitetura eOrganização deComputadores 2º PeríodoUnidade 1 a 3
  2. 2. SABE – Sistema Aberto de Educação Av. Cel. José Alves, 256 - Vila Pinto Varginha - MG - 37010-540 Tele: (35) 3219-5204 - Fax - (35) 3219-5223 Instituição Credenciada pelo MEC – Portaria 4.385/05 Centro Universitário do Sul de Minas - UNIS/MG Unidade de Gestão da Educação a Distância – GEaD Mantida pela Fundação de Ensino e Pesquisa do Sul de Minas - FEPESMIG Varginha/MG 1Guia de Estudo – ARQUITETURA E ORGANIZAÇÃO DE COMPUTADORES
  3. 3. 004.165G633g. GOMES, José Eduardo Silva. Guia de Estudo - Arquitetura e Organização de Computadores - José Eduardo Silva Gomes. Varginha: GEaD-UNIS/MG, 2007. 103p. 1. Sistemas Digitais. 2. Microprocessadores. 3. Programação. 4. Informática I. Título 2Guia de Estudo – ARQUITETURA E ORGANIZAÇÃO DE COMPUTADORES
  4. 4. REITOR Prof. Ms. Stefano Barra Gazzola GESTOR Prof. Ms. Tomás Dias Sant’ Ana Supervisor Técnico Prof. Ms. Wanderson Gomes de Souza Coord. do Núcleo de Recursos Tecnológicos Profª. Simone de Paula Teodoro Moreira Coord. do Núcleo de Desenvolvimento Pedagógico Profª. Vera Lúcia Oliveira Pereira Revisão ortográfica / gramatical Profª. Maria José Dias Lopes Grandchamp Design/diagramação Prof. César dos Santos Pereira Equipe de Tecnologia Educacional Profª. Débora Cristina Francisco Barbosa Jacqueline Aparecida da Silva Prof. Lázaro Eduardo da Silva Autor JOSÉ EDUARDO SILVA GOMESTécnico em Eletrônica (1984) pela ETEFMC, Santa Rita do Sapucaí – MG, Bacharel emAdministração de Empresas (1992) pela FACECA, Varginha – MG, Bacharel em Ciência daComputação (2002) pelo UNIS, Varginha – MG, Pós-Graduação em Redes deComputadores (2003) pelo UNIS e mestrando em Engenharia Elétrica pela UNIFEI(Universidade Federal de Itajubá). Atua também como Supervisor Técnico do Departamentode Engenharia da EPTV Sul de Minas, emissora de televisão afiliada a Rede Globo e éprofessor das instituições UNIS e FACECA nos cursos de Sistemas de Informação, Ciênciada Computação, Engenharia de Produção. 3Guia de Estudo – ARQUITETURA E ORGANIZAÇÃO DE COMPUTADORES
  5. 5. TABELA DE ÍCONES REALIZE. Determina a existência de atividade a ser realizada. Este ícone indica que há um exercício, uma tarefa ou uma prática para ser realizada. Fique atento a ele. PESQUISE. Indica a exigência de pesquisa a ser realizada na busca por mais informação. PENSE. Indica que você deve refletir sobre o assunto abordado para responder a um questionamento. CONCLUSÃO. Todas as conclusões, sejam de idéias, partes ou unidades do curso virão precedidas desse ícone. IMPORTANTE. Aponta uma observação significativa. Pode ser encarado como um sinal de alerta que o orienta para prestar atenção à informação indicada. HIPERLINK. Indica um link (ligação), seja ele para outra página do módulo impresso ou endereço de Internet. EXEMPLO. Esse ícone será usado sempre que houver necessidade de exemplificar um caso, uma situação ou conceito que está sendo descrito ou estudado. SUGESTÃO DE LEITURA. Indica textos de referência utilizados no curso e também faz sugestões para leitura complementar. APLICAÇÃO PROFISSIONAL. Indica uma aplicação prática de uso profissional ligada ao que está sendo estudado. CHECKLIST ou PROCEDIMENTO. Indica um conjunto de ações para fins de verificação de uma rotina ou um procedimento (passo a passo) para a realização de uma tarefa. SAIBA MAIS. Apresenta informações adicionais sobre o tema abordado de forma a possibilitar a obtenção de novas informações ao que já foi referenciado. REVENDO. Indica a necessidade de rever conceitos estudados anteriormente. 4Guia de Estudo – ARQUITETURA E ORGANIZAÇÃO DE COMPUTADORES
  6. 6. Índice de FigurasFigura 1 – Ábaco. ..................................................................................................... 14Figura 2 – Bastões de Napier. .................................................................................. 14Figura 3 – Régua de Cálculo. ................................................................................... 14Figura 4 – Calculadora de Pascal............................................................................. 15Figura 6 – Z3, fabricado em 1941 por Konrad Zuse. ................................................ 15Figura 7 – Mark I, construído em 1944 pela Universidade de Harvard e a IBM........ 15Figura 8 – Relé e Válvulas........................................................................................ 16Figura 9 – ENIAC...................................................................................................... 17Figura 10 – IBM 650. ................................................................................................ 17Figura 11 – DEC PDP-1............................................................................................ 18Figura 12 – IBM 7094. .............................................................................................. 18Figura 13 – IBM 360. ................................................................................................ 19Figura 14 – DEC PDP-11.......................................................................................... 19Figura 15 – Microprocessadores Intel 386 e 486/DX2.............................................. 19Figura 16 – Altair 8800.............................................................................................. 20Figura 17 – Apple II. ................................................................................................. 20Figura 18 – IBM/XT................................................................................................... 20Figura 19 – Osborne I. .............................................................................................. 20Figura 20 – Processadores: Intel Core 2 Extreme e AMD Athlon 64 X2 Dual-Core. 21Figura 21 – Modelo de von Neuman......................................................................... 22Figura 22 – Modelo de von Neuman (Estrutura em Barramento). ............................ 22Figura 23 – Componentes de um Computador......................................................... 23Figura 24 – Unidade Central de Processamento (CPU). .......................................... 24Figura 25 – Hierarquia de Memórias. ....................................................................... 27Figura 26 – Dispositivos de Entrada. ........................................................................ 28Figura 27 – Dispositivos de Saída. ........................................................................... 28Figura 28 – Dispositivos de Entrada e Saída............................................................ 28Figura 29 – Disco Magnético. ................................................................................... 50Figura 30 – Memórias RAM e Cache........................................................................ 53Figura 31 – Diagrama em Blocos do SAP-1. ............................................................ 57 5Guia de Estudo – ARQUITETURA E ORGANIZAÇÃO DE COMPUTADORES
  7. 7. Figura 32 – Diagrama em Blocos do SAP-2. ............................................................ 69Figura 33 – Utilização de tempo e circuito em um computador básico..................... 88Figura 34 – Modificação para uma estrutura com pipeline. ...................................... 89Figura 35 – Movimento da instrução na pipeline. ..................................................... 90Figura 36 – Movimento da instrução e temporização da pipeline. ............................ 90Figura 37 – Fluxo da instrução por meio do circuito de pipeline. .............................. 91Figura 38 – Aumento da velocidade de um processador de von Neumann.............. 97Figura 39 – Símbolo para um elemento de processamento genérico....................... 98Figura 40 – Máquina de instrução única, segmento de dados único (SISD). ........... 98Figura 41 – Máquina de instrução única, segmento de dados múltiplo (SIMD). ....... 99Figura 42 – Máquina de instrução múltipla, segmento de dados único (MISD). ..... 100Figura 43 – Máquina de instrução múltipla, segmento de dados múltiplo (MIMD).. 101 6Guia de Estudo – ARQUITETURA E ORGANIZAÇÃO DE COMPUTADORES
  8. 8. Índice de TabelasTabela 1 – Tabela de Medidas. ................................................................................ 29Tabela 2 – Conversão de Base Numérica. ............................................................... 36Tabela 3 – Porta NOT............................................................................................... 37Tabela 4 – Porta OR. ................................................................................................ 38Tabela 5 – Porta AND............................................................................................... 38Tabela 6 – Porta NOR. ............................................................................................. 39Tabela 7 – Porta NAND. ........................................................................................... 40Tabela 8 – Porta XOR............................................................................................... 41Tabela 9 – Porta XNOR. ........................................................................................... 42Tabela 10 – Regras da Álgebra Booleana. ............................................................... 43Tabela 11 – Conjunto de Instruções do SAP-1......................................................... 59Tabela 12 – Códigos de Operação do SAP-1........................................................... 61Tabela 13 – Conjunto de Instruções do SAP-2......................................................... 79Tabela 14 – Ciclos de Clock / Utilização do Circuito................................................. 90 7Guia de Estudo – ARQUITETURA E ORGANIZAÇÃO DE COMPUTADORES
  9. 9. SumárioApresentação .......................................................................................................... 111. INTRODUÇÃO ..................................................................................................... 12 1.1. Conceitos Básicos ...................................................................................... 12 1.2. Arquitetura X Organização ......................................................................... 12 1.3. Evolução Histórica das Arquiteturas de Computadores ............................. 13 1.3.1. Geração Zero (1642 - 1945) – Mecânicos e eletromecânicos............. 14 1.3.2. As Máquinas de Primeira Geração (1945 - 1955) – Válvulas .................. 16 1.3.3. As Máquinas de Segunda Geração (1955 - 1965) – Transistores .......... 17 1.3.4. As Máquinas de Terceira Geração (1965 - 1980) – Circuitos Integrados 18 1.3.5. As Máquinas de Quarta Geração (1980 - 1990) – Circuitos LSI.............. 19 1.3.6. As Máquinas de Quinta Geração (1990 - dias atuais) – Circuitos ULSI .. 20 1.3.7. O modelo de von Neumann ..................................................................... 22 1.4. Principais Componentes de um Computador................................................ 23 1.4.1. A Unidade Central de Processamento (CPU) ..................................... 23 1.4.2. Barramentos........................................................................................ 25 1.4.3. Clock ................................................................................................... 25 1.4.4. Memória Principal................................................................................ 26 1.4.5. Memória Cache ................................................................................... 26 1.4.6. Memória Secundária ........................................................................... 27 1.4.7. Dispositivos de Entrada e Saída (E/S ou I/O)...................................... 272. SISTEMAS DIGITAIS ........................................................................................... 29 2.1. O Bit, a Palavra, o Caractere, o Nibble e o Byte......................................... 29 2.2. Sistemas Numéricos................................................................................... 30 2.2.1. Sistema Decimal ................................................................................. 30 2.2.2. Sistema Binário ................................................................................... 31 2.2.2.1. Conversão de Binário em Decimal.................................................... 31 2.2.2.2. Conversão de Decimal em Binário.................................................... 32 Exercícios: Converta os valores para as bases indicadas. ............................ 33 2.2.3. Sistema Octal ...................................................................................... 33 8Guia de Estudo – ARQUITETURA E ORGANIZAÇÃO DE COMPUTADORES
  10. 10. 2.2.3.1. Conversão de Binário em Octal ........................................................ 33 2.2.3.2. Conversão de Octal em Binário ........................................................ 33 2.2.3.3. Conversão de Octal em Decimal....................................................... 34 2.2.3.4. Conversão de Decimal em Octal....................................................... 34 2.2.4. Sistema Hexadecinal........................................................................... 34 2.2.4.1. Conversão de Hexa em Binário ........................................................ 35 2.2.4.2. Conversão de Binário em Hexa ........................................................ 35 2.2.4.3. Conversão de Hexa nos demais sistemas e vice-versa .................... 35 2.3. Portas Lógicas............................................................................................ 36 2.3.1. Portas NOT (Inversoras) ..................................................................... 37 2.3.2. Portas OU (OR, + , ∨).......................................................................... 37 2.3.3. Portas E (AND, . , ∧)............................................................................ 38 2.3.4. Portas NÃO OU (NOR)........................................................................ 39 2.3.5. Portas NÃO E (NAND) ........................................................................ 39 2.3.6. Portas OU Exclusiva – XOU (XOR, ⊕) ................................................ 40 2.3.7. Portas NÃO OU Exclusiva – XNOU (XNOR, ).................................. 41 2.4. Álgebra Booleana e Mapa de Karnaugh..................................................... 42 2.4.1. Álgebra Booleana................................................................................ 42 2.4.1.1. Expressões Lógicas – Aplicações das Portas................................... 43 2.4.1.2. Simplificação de Expressões Lógicas ............................................... 44 2.4.2. Mapas de Karnaugh ............................................................................ 45 2.4.2.1. Regras para Minimização (Simplificação) ......................................... 46 2.5. Memórias.................................................................................................... 49 2.5.1. Memória de Massa.............................................................................. 50 2.5.2. Memória Semicondutora ..................................................................... 51 2.5.2.1. Memória ROM................................................................................... 51 2.5.2.2. Memória RAM .................................................................................. 523. MICROPROCESSADORES ................................................................................. 55 3.1. O Microprocessador SAP-1 ........................................................................ 55 3.1.1. Definição dos Blocos do SAP-1........................................................... 55 3.1.2. Diagrama em Blocos .............................................................................. 57 3.1.3. Conjunto de Instruções do SAP-1 ....................................................... 57 3.1.4. Programação do SAP-1 ...................................................................... 61 3.1.5. Análise do Diagrama Temporal (Fasorial) ........................................... 62 9Guia de Estudo – ARQUITETURA E ORGANIZAÇÃO DE COMPUTADORES
  11. 11. 3.2. O Microprocessador SAP-2 ........................................................................ 67 3.2.1. Definição dos Blocos do SAP-2............................................................. 67 3.2.2. Diagrama em Blocos .............................................................................. 69 3.2.3. Instruções do SAP-2................................................................................ 70 3.2.3.1. Instruções com Referência à Memória............................................. 70 3.2.3.2. Instruções de Registradores ............................................................ 70 3.2.3.3. Instruções de JUMPS (Saltos) ......................................................... 72 3.2.3.4. Instruções Lógicas ........................................................................... 75 3.2.3.5. Outras Instruções............................................................................. 76 3.2.4. Conjunto de Instruções do SAP-2............................................................ 78 3.3. A Linguagem Assembly.............................................................................. 85 3.3.1. Linguagem de Máquina ....................................................................... 85 3.3.2. Linguagem Assembly .......................................................................... 85 3.3.3. Linguagem de Alto Nível ..................................................................... 86 3.3.4. Vantagens e Desvantagens da Linguagem Assembly ........................ 86 3.3.5. Aplicações da Linguagem Assembly................................................... 86 3.3.6. Programa Debug ................................................................................. 87 3.4. A Técnica do Pipeline................................................................................. 87 3.5. Arquiteturas CISC e RISC .......................................................................... 94 3.5.1. Máquinas CISC ................................................................................... 94 3.5.2. Máquinas RISC ................................................................................... 95 3.5.3. Computadores Modernos .................................................................... 96 3.6. Conceitos Básicos em Processamento Paralelo ........................................ 96 3.6.1. Classificação de Máquinas Paralelas.................................................. 98 3.6.1.1. SIMD ................................................................................................ 99 3.6.1.2. MISD .............................................................................................. 100 3.6.1.3. MIMD.............................................................................................. 100REFERÊNCIAS ...................................................................................................... 102 10Guia de Estudo – ARQUITETURA E ORGANIZAÇÃO DE COMPUTADORES
  12. 12. Apresentação Tenha em mente que tudo que você aprende na escola é trabalho de muitas gerações. Receba essa herança, honre-a, acrescente a ela e, um dia, fielmente, deposite-a nas mãos de seus filhos. Albert EinsteinPrezado(a) aluno(a):Este é o seu Guia de Estudos da disciplina de Arquitetura e Organização de Computadores,ministrada para o curso de Bacharelado em Sistemas de Informação pelo CentroUniversitário do Sul de Minas – UNIS-MG. Ele será utilizado no desenvolvimento dadisciplina, apresentando os conteúdos e demais informações para que você realize asatividades programadas.O estudo de Arquitetura e Organização de Computadores apresenta a estrutura interna deum microprocessador e as várias técnicas utilizadas na sua construção. Este conhecimentoirá ajudá-lo a entender melhor o funcionamento de um sistema operacional, e você terá umaidéia de como as instruções são, fisicamente, executadas na implementação de programascomputacionais, apesar da abstração do hardware que as modernas linguagens deprogramação proporcionam.Porém, antes de estudarmos o funcionamento dos microprocessadores, veremos osconceitos básicos de sistemas digitais. O estudo de sistemas digitais exige o domínio deoutros sistemas de numeração além do decimal, que usamos no nosso cotidiano. Assiminicialmente estudaremos os sistemas binário, octal e hexadecimal. Então iremos projetarsistemas digitais, usando dispositivos lógicos, metodologias e técnicas empregadas nodesenvolvimento de circuitos digitais que podem ser usadas em outras situações como, porexemplo, em programação.Darei uma especial atenção à fixação destes conceitos uma vez que, se não forem bemassimilados, poderão comprometer o seu desempenho no decorrer da disciplina.Trata-se de uma disciplina básica, diretamente inserida no escopo do curso. Oconhecimento da Arquitetura e Organização de Computadores será empregado em diversasáreas de estudo do curso como: Linguagens e Técnicas de Programação, SistemasOperacionais, Estrutura de Dados, Redes de Computadores, etc.A minha expectativa é mostrar a relação entre hardware e software focalizando conceitosque são a base dos atuais computadores e apresentar os paradigmas organizacionais quedeterminam a capacidade e o desempenho de sistemas de computação.Acredito que o curso de Sistemas de Informação esteja sendo um período dedesenvolvimento intelectual e de crescimento pessoal e desejo que esta disciplina contribuapara o seu sucesso profissional, portanto, mãos à obra.José Eduardo Silva GomesProfessor de Arquitetura e Organização de Computadores 11Guia de Estudo – ARQUITETURA E ORGANIZAÇÃO DE COMPUTADORES
  13. 13. 1. INTRODUÇÃO A mente que se abre a uma nova idéia jamais voltará ao seu tamanho original. Albert EinsteinNeste primeiro capítulo, você encontrará os conceitos básicos da arquitetura eorganização de computadores e um breve histórico sobre os computadores. Parafinalizar o tópico, serão apresentados os principais componentes de um computador.1.1. Conceitos BásicosA Arquitetura de Computadores trata do comportamento funcional de um sistemacomputacional do ponto de vista do programador. Tamanho de um tipo de dados – 32 bits para um inteiro.A Organização de Computadores trata da estrutura interna que não é visível para oprogramador. Freqüência do relógio (clock) ou tamanho da memória física.Existe um conceito de níveis na arquitetura de computadores. A idéia básica é queexistem muitos níveis nos quais o computador pode ser considerado, do nível maisalto, onde o usuário executa programas, ao nível mais baixo, que consiste detransistores e fios (MURDOCCA, 2000).1.2. Arquitetura X OrganizaçãoArquitetura: são os atributos visíveis para o programador: conjunto de instruções; número de bits utilizado para a representação de dados; mecanismos de E/S; técnicas de endereçamento. 12Guia de Estudo – ARQUITETURA E ORGANIZAÇÃO DE COMPUTADORES
  14. 14. Existe uma instrução de divisão? Quais os formatos de endereçamento existentes?Organização: como as características da arquitetura são implementadas: sinais de controle disponíveis; interfaces; tecnologias de memória. como o conjunto de instruções é executado. Existe uma unidade para divisão ou a divisão é feita por subtrações sucessivas? Toda a família Intel X86 possui a mesma arquitetura básica. A organização é diferente de uma máquina para outra dentro da mesma família. Ter a mesma arquitetura garante a compatibilidade do código.1.3. Evolução Histórica das Arquiteturas de ComputadoresO computador se desenvolveu paralelamente à necessidade crescente de cálculosrápidos e exatos da humanidade. Os ancestrais do computador remontam a maisde 3000 anos.O primeiro elemento com que o homem contou para fazer seus cálculos foi oconjunto de dedos de suas mãos, daí a palavra digital deriva de dígito, que por suavez procede do latim digitus, significando dedo. Com a evolução da humanidade,fizeram-se necessárias novas invenções para auxiliar os cálculos. Ábaco (aproximadamente 2500 a.C.). Bastões de Napier (1610 - 1614). Réguas de Cálculo (1621). 13Guia de Estudo – ARQUITETURA E ORGANIZAÇÃO DE COMPUTADORES
  15. 15. Figura 1 – Ábaco. Figura 2 – Bastões de Napier. Figura 3 – Régua de Cálculo.1.3.1. Geração Zero (1642 - 1945) – Mecânicos e eletromecânicosO primeiro a construir uma máquina de calcular foi o filósofo e matemático francêsBlaise Pascal em 1642. Essa máquina era inteiramente mecânica e só somava esubtraía. A linguagem de programação PASCAL é assim chamada em homenagema esse cientista. Trinta anos mais tarde, surge um filósofo e matemático alemãochamado Leibnitz que cria uma máquina que realizava as quatro operações.No século XIX, o matemático inglês Charles Babbage construiu sua máquina dediferenças que calculava tabelas úteis à navegação naval, mais tarde construiu amáquina analítica que possuía quatro componentes: o armazenamento (memória), oengenho (unidade de cálculo), a seção de entrada (leitora de cartões perfurados) e aseção de saída (saída perfurada e impressa). Uma vez que essa máquina eraprogramável, ele contrata a 1ª programadora da história chamada Ada Lovelace cujonome serviu para a moderna linguagem de programação, ADA, desenvolvida para odepartamento de defesa dos EUA.Em 1889, Herman Hollerith desenvolveu o cartão perfurado para guardar os dados etambém uma máquina tabuladora mecânica, acionada por um motor elétrico, quecontava, classificava e ordenava informações armazenadas em cartões perfurados.Ele fundou a empresa Tabulating Machines Corporation que, em 1924, transformou-se na famosa IBM (International Business Machines).Konrad Zuse (Alemanha) construiu durante a década de 1930 uma série demáquinas de calcular baseadas em relés eletromagnéticos, mas a Segunda GuerraMundial impediu o seu avanço e ainda causou a sua destruição. Howard Aiken 14Guia de Estudo – ARQUITETURA E ORGANIZAÇÃO DE COMPUTADORES
  16. 16. (Estados Unidos da América) construiu em 1944 uma máquina de propósito geralchamada Mark I, baseada no trabalho de Babbage, mas que usava reléseletromagnéticos no lugar de engrenagens. Figura 4 – Calculadora de Pascal. Figura 5 – Máquina Diferencial de Babbage.Figura 6 – Z3, fabricado em 1941 por Konrad Zuse. Figura 7 – Mark I, construído em 1944 pela Universidade de Harvard e a IBM. 15Guia de Estudo – ARQUITETURA E ORGANIZAÇÃO DE COMPUTADORES
  17. 17. 1.3.2. As Máquinas de Primeira Geração (1945 - 1955) – VálvulasOs computadores de primeira geração eram baseados em tecnologias de relés eválvulas eletrônicas. Eles normalmente quebravam após não muitas horas de uso.Tinham dispositivos de entrada/saída primitivos, calculavam com uma velocidade sóde milésimos de segundo e eram programados em linguagem de máquina. Figura 8 – Relé e Válvulas.Os cartões perfurados foram o principal meio usado para armazenar os arquivos dedados e para carregá-los no computador. A grande utilidade dessas máquinas era oprocessamento de dados. No entanto tinham uma série de desvantagens como:custo elevado, relativa lentidão, pouca confiabilidade, grande quantidade de energiaconsumida e necessitavam de grandes instalações de ar condicionado para dissiparo calor gerado por um alto número de válvulas (cerca de 20 mil).A Segunda Grande Guerra estava no seu auge e a demanda por computadorescada vez mais rápidos vinha crescendo. Os britânicos criavam a menos famosaColossus para decifrar os códigos nazistas, e, em 1945, os americanosapresentavam o ENIAC (Eletronic Numerical Integrator and Calculator). O modeloutilizava válvulas eletrônicas e os números eram manipulados na forma decimal.Apesar da alta velocidade para a época, era extremamente difícil mudar asinstruções contidas dentro do computador, já que a programação era feita por meiode válvulas e fios que eram trocados de posição de acordo com o que se desejava.O sucessor do ENIAC foi o EDVAC (Electronic Discrete Variable Computer), apesarde ser mais moderno, não diminuiu de tamanho e ocupava 100% do espaço que oENIAC ocupava. Todavia ele era dotado de cem vezes mais memória interna que oENIAC - um grande salto para a época. Um outro grande avanço do EDVAC foi oabandono do modelo decimal e a utilização dos códigos binários, reduzindodrasticamente o número de válvulas.Baseado na revolucionária teoria de von Neumann, em 1951, foi construído oUNIVAC I (Universal Automatic Computer) era bem menor que seus predecessores.Tinha "apenas" vinte metros quadrados e cerca de cinco toneladas. O computadorrecebia as instruções de cartões magnéticos e não mais de cartões perfurados.Foram produzidas quinze unidades do UNIVAC I e ele foi o primeiro computadorcomercial da história.O computador IBM 650 foi disponibilizado publicamente nos USA pela IBM emdezembro de 1954. Media 1,5 m X 0,9 m X 1,8 m e tinha uma massa de 892 Kg. O 16Guia de Estudo – ARQUITETURA E ORGANIZAÇÃO DE COMPUTADORES
  18. 18. IBM 650 era indicado para resolver problemas comerciais e científicos. A empresaprojetou a venda de 50 exemplares do computador (mais do que todos oscomputadores do mundo juntos) - o que foi considerado um exagero. Apesar dopessimismo, em 1958, duas mil unidades do IBM 650 estavam espalhadas pelomundo. Figura 9 – ENIAC. Figura 10 – IBM 650.1.3.3. As Máquinas de Segunda Geração (1955 - 1965) – TransistoresEm 1948, surgiu um novo componente que apresentava inúmeras vantagens emrelação às antigas válvulas: ele tinha características como menor aquecimento,maior poder de cálculo e confiabilidade e um consumo de energia bem menor - como adicional de que não necessitava de tempo para aquecer. A Bell Laboratoriesinventava o transistor. Os cálculos passaram a ser medidos de segundos paramicrossegundos. As linguagens utilizadas para esses computadores eramnormalmente a FORTRAN, COBOL ou ALGOL.A partir desse momento, devido à maior facilidade e praticidade do transistor, muitosmodelos de computador surgiram. O primeiro modelo de computador 100%transistorizado foi o TRADIC, da Bell Laboratories. Outro modelo dessa época era oIBM 1401, com uma capacidade memória base de 4.096 bytes operando em ciclosde memória de 12 microssegundos. A instalação de um IBM 1401 ocupava umasala, e o tamanho dos computadores ainda era bastante grande. Existiam tambémoutros modelos, como o sofisticado IBM 7094. O IBM TX-0, de 1958, tinha ummonitor de vídeo de alta qualidade, além de ser rápido e relativamente pequeno. ADigital Equipment Corporation (DEC) tinha então uma posição proeminente no setorcom sua linha PDP. O primeiro minicomputador foi o PDP-1, criado em 1959 einstalado em 1961. No entanto, os elevados custos destas máquinas restringiam suautilização a aplicações estratégicas do governo, grandes empresas e universidades. 17Guia de Estudo – ARQUITETURA E ORGANIZAÇÃO DE COMPUTADORES
  19. 19. Figura 11 – DEC PDP-1. Figura 12 – IBM 7094.1.3.4. As Máquinas de Terceira Geração (1965 - 1980) – Circuitos IntegradosA terceira geração inicia-se com a introdução dos circuitos integrados (transistores eoutros componentes eletrônicos miniaturizados e montados numa única pastilha desilício - o chip), aos computadores. Com esses circuitos integrados, o tempo passoua ser medido em nanosegundos (bilionésimos de segundos). A tecnologia utilizada,na época, era a de pequena escala de integração (SSI – Small Scale of Integration)com a qual ao redor de mil transistores podiam-se integrar no circuito de umapastilha. Com isso os computadores eram menores, mais confiáveis, com maiorvelocidade de operação e um custo bem mais baixo do que as máquinas dasgerações anteriores. Também eram usados discos magnéticos paraarmazenamento, o que permitiu o acesso direto a arquivos muito grandes.Os custos de produção de um computador começavam a cair, atingindo uma faixade mercado que abrangia empresas de médio porte, centros de pesquisa euniversidades menores. O Burroughs B-2500 foi um dos primeiros modelos dessageração. O PDP-5, produzido pela DEC, foi o primeiro minicomputador comercial e oINTEL 4004 o primeiro microprocessador.O exemplo típico dessa geração foi o IBM 360, série que introduziu o conceito defamília de computadores compatíveis, facilitando a migração dos sistemas quando énecessário mudar para um computador mais potente. Esta estratégia permitiu que aIBM se posicionasse, já neste período, como líder do mercado de computadores.Outros computadores desta geração que conheceram grande sucesso,particularmente nas universidades e centros de pesquisa, foram osminicomputadores da série PDP-11.Mais uma novidade introduzida por esta classe de computadores foi o conceito demultiprogramação, na qual diversos programas poderiam estar residentes namemória da máquina. No caso em que um programa entrasse em espera para umaoperação de entrada/saída de dados, a unidade central passava a executar a partede um outro programa. 18Guia de Estudo – ARQUITETURA E ORGANIZAÇÃO DE COMPUTADORES
  20. 20. Figura 13 – IBM 360. Figura 14 – DEC PDP-11.1.3.5. As Máquinas de Quarta Geração (1980 - 1990) – Circuitos LSIAinda mais avançados que os circuitos integrados, eram os circuitos LSI (LargeScale of Integration) com mil transistores por "chip" e VLSI (Very Large Scale ofIntegration) com cem mil transistores por "chip". O uso desses circuitos naconstrução de processadores representou outro salto na história dos computadores.As linguagens mais utilizadas eram a PROLOG, FP, UNIX e o início da utilização dalinguagem C. Logo em 1981, nasce o microprocessador 286 utilizando slots ISA de16 bits e memórias de 30 pinos. Quatro anos mais tarde, era a vez do 386, commaior velocidade de processamento. Ao contrário do 286, era possível rodar oWindows 3.11 no 386. Introduziram-se, no mercado, as placas VGA e suporte a 256cores. Em 1989, eram lançados os primeiros 486 DX, eles vinham com memórias de72 pinos (muito mais rápidas que as antigas de 30 pinos) e possuíam slots PCI de32 bits - o que representava o dobro da velocidade dos slots ISA. Figura 15 – Microprocessadores Intel 386 e 486/DX2.Desde o início da década de 80, os preços haviam caído de tal maneira quecomeçava ser possível a uma pessoa ter o seu próprio computador. Foi cunhado oconceito de "PC", ou "Personal Computer", e os computadores pessoais passaram aser utilizados de uma maneira relativamente distinta dos grandes computadores deentão.O primeiro microcomputador da história foi o Altair 8800, que usava o chip Intel8088, tornou-se o padrão mundial da época para os microcomputadores de usopessoal, abrindo uma nova era na história da informática.Sthephen Wozniak e Steve Jobs criaram, em 1976, uma pequena empresa, a Apple,quando construíram, numa garagem de fundo de quintal, o Apple I. Um ano depois,com um novo e melhor projeto, surge o Apple II, primeiro microcomputador com 19Guia de Estudo – ARQUITETURA E ORGANIZAÇÃO DE COMPUTADORES
  21. 21. grande sucesso comercial e, mais tarde, o Apple III. Em 1983, entra no mercado oLisa e, em 1984, o Macintosh, com tecnologia de 32 bits. Figura 16 – Altair 8800. Figura 17 – Apple II.Em 1981, a IBM entrou no mercado de micros, introduzindo o PC, ummicrocomputador com tecnologia de 16 bits (Intel 8088) que em pouco tempo setornou um padrão. O PC/XP usava o sistema operacional PC/MS-DOS, uma versãodo MS-DOS desenvolvida para a IBM pela Microsoft.Além disso, diversos modelos e estilos foram sendo lançados nessa época: Lotus 1-2-3, Sinclair ZX81/ZX Spectrum, Osborne1, etc. Figura 18 – IBM/XT. Figura 19 – Osborne I.1.3.6. As Máquinas de Quinta Geração (1990 - dias atuais) – Circuitos ULSIAs aplicações exigem cada vez mais uma maior capacidade de processamento earmazenamento de dados. Sistemas especialistas, sistemas multimídia (combinaçãode textos, gráficos, imagens e sons), banco de dados distribuídos e redes neurais,são apenas alguns exemplos dessas necessidades. Uma das principaiscaracterísticas dessa geração é a simplificação e miniaturização do computador,além de melhor desempenho e maior capacidade de armazenamento. Tudo isso,com os preços cada vez mais acessíveis.A tecnologia VLSI foi substituída pela ULSI (Ultra Large Scale Integration). Oconceito de processamento está partindo para os processadores paralelos, ou seja, 20Guia de Estudo – ARQUITETURA E ORGANIZAÇÃO DE COMPUTADORES
  22. 22. a execução de muitas operações simultâneas pelas máquinas. A redução dos custosde produção e do volume dos componentes permitiu a aplicação destescomputadores nos chamados sistemas embutidos, que controlam aeronaves,embarcações, automóveis e computadores de pequeno porte. Os micros queutilizam a linha de processadores Pentium, da Intel, são exemplos desta geração decomputadores que surgiu em 1993. As grandes mudanças neste período ficariampor conta das memórias DIMM de 108 pinos, do aparecimento das placas de vídeoAGP e de um aprimoramento da slot PCI melhorando ainda mais seu desempenho.Em 1997 surge o Pentium II, em 1999 o Pentium III, em 2001 o Pentium 4 e maisrecentemente os processadores da nova microarquitetura Intel Core, comprocessadores com mais de um núcleo em um único encapsulamento (sem contaros modelos similares da concorrente AMD). Figura 20 – Processadores: Intel Core 2 Extreme e AMD Athlon 64 X2 Dual-Core.Enfim, a informática evolui cada vez mais rapidamente e as velocidades deprocessamento dobram em períodos cada vez mais curtos. Para se ter uma noçãodisso, basta observar que entre os modelos de computador mais antigos, osespaçamentos entre uma novidade e outra eram de dezenas de anos, sendo quehoje não chega a durar nem um mês. Isso nos leva a concluir que o avanço científicoe do poder de cálculo avança de maneira que não se encontra paralelo na históriahumana, barateando os custos e tornando acessíveis os computadores às pessoasde baixa renda.Quem sabe uma nova geração de computadores não está por vir? Alguns falam emprocessadores quânticos quando os limites da miniaturização do silício forematingidos, enquanto outros falam em moléculas de água armazenando informações -mas o fato é que coisas novas vão surgir e novas gerações deixarão a atual tãolonge e ultrapassada como está a segunda para nós. Mesmo rompendorecentemente a barreira dos terabytes, a evolução dos computadores ainda estálonge de terminar. Leia, no Ambiente Virtual de Aprendizagem, na Midiateca, a apresentação “Uma Breve História da Computação”. Material baseado em uma compilação da Profa. Dra. Rosely Sanches. 21Guia de Estudo – ARQUITETURA E ORGANIZAÇÃO DE COMPUTADORES
  23. 23. Pesquise a respeito das especificações técnicas (memória, processamento, barramento, clock, instruções, etc.) dos computadores de 1ª a 5ª geração. Faça um pequeno relatório com as especificações técnicas de uma máquina de cada geração.1.3.7. O modelo de von NeumannA grande maioria dos computadores existentes atualmente segue um modeloproposto pelo matemático americano John von Neumann por volta de 1940. Nessemodelo, um elemento processador segue as instruções armazenadas em umamemória de programas, para ler canais de entrada, enviar comandos sobre canaisde saída e alterar as informações contidas em uma memória de dados. A Figura 21indica a estrutura desse modelo. Figura 21 – Modelo de von Neuman.Esse modelo inicial evoluiu para uma estrutura em barramento (Figura 22), que é abase dos computadores modernos. Nessa estrutura, as memórias de dados e deprograma são fundidas em uma memória única, e as comunicações entre elementossão efetuadas através de uma via comum de alta velocidade. Figura 22 – Modelo de von Neuman (Estrutura em Barramento).Uma variante do modelo básico de máquinas von Neumann é denominado demáquinas Harvard, no qual há vias separadas para dados e instruções entre 22Guia de Estudo – ARQUITETURA E ORGANIZAÇÃO DE COMPUTADORES
  24. 24. memória principal e CPU. A origem do termo vem dos computadores Mark I a MarkIV, desenvolvidos em Harvard, com memórias de dados e instruções separadas.1.4. Principais Componentes de um ComputadorExistem três elementos fundamentais em um sistema computacional, cada umexecutando uma tarefa especial. Estes elementos são:1. A Unidade Central de Processamento (CPU).2. A Memória Principal.3. Os Dispositivos ou Portas de Entradas e Saídas (I/O). Figura 23 – Componentes de um Computador.1.4.1. A Unidade Central de Processamento (CPU)A CPU, ou processador, tem como função principal unificar todo o sistema,controlando as funções realizadas por cada unidade funcional. A CPU executa oprocessamento numérico, as operações lógicas e as funções de temporização. Asoperações da CPU são controladas por um conjunto de instruções que, quandoorganizadas em uma seqüência lógica, formam o chamado programa.Os programas e os dados a serem manipulados obrigatoriamente deverão estararmazenados na memória principal. A CPU é alimentada com dados e sinais decontrole, executa uma instrução por vez e produz como saída dados e sinais decontrole. 23Guia de Estudo – ARQUITETURA E ORGANIZAÇÃO DE COMPUTADORES
  25. 25. Internamente, uma CPU é formada por 3 unidades fundamentais:1. Os Registradores.2. A Unidade Lógica e Aritmética (ULA).3. O Circuito de Controle. Figura 24 – Unidade Central de Processamento (CPU).Registradores – são dispositivos de alta velocidade para armazenamentotemporário de dados. Os registradores, geralmente numerosos, são utilizados paraassegurar o armazenamento temporário de informações importantes para oprocessamento de uma determinada instrução. Um registrador memoriza um númerolimitado de bits, geralmente uma palavra de memória. Os registradores maisimportantes são:• Contador de Programa (PC - Program Counter), que aponta para a próxima instrução a ser executada.• Registrador de Instrução (IR - Instruction Register) que armazena a instrução em execução.• Outros registradores que permitem o armazenamento de resultados intermediários.Unidade Lógica e Aritmética (ALU) – assume todas as tarefas relacionadas àsoperações lógicas (ou, e, negação, etc.) e aritméticas (adições, subtrações, etc...) aserem realizadas no contexto de uma tarefa.Unidade de Controle – coordena todas as atividades do microprocessador. É estaunidade que assume toda a tarefa de controle das ações a serem realizadas pelocomputador, comandando todos os demais componentes de sua arquitetura. Atravésde pulsos externos de temporização chamados "clocks", o circuito de controle geraas seqüências apropriadas de eventos necessários à execução das tarefas deprocessamentos. 24Guia de Estudo – ARQUITETURA E ORGANIZAÇÃO DE COMPUTADORES
  26. 26. 1.4.2. BarramentosA CPU, a memória principal e os dispositivos de I/O são interligados por meio delinhas de comunicação denominadas barramentos ou vias. Um barramento (bus) éum conjunto de fios paralelos (linhas de transmissão), nos quais trafegaminformações como dados, endereços ou sinais de controle.Os dados trafegam na CPU, memória e I/O através de via de dados. Estes dadospoderão ser instruções para CPU ou informações da CPU para portas I/O e vice-versa.A via de endereço é utilizada pela CPU para selecionar uma célula de memória ouum dispositivo I/O por meio de um código binário.A via de controle conduz os sinais de controle para a memória e para os dispositivosI/O, especificando as direções dos dados em relação à CPU, o momento exato datransferência, o tipo de operação, etc. Se um processador quiser armazenar um dado 10101100b no endereço 5h, ele deverá colocar, no barramento de dados, o valor do dado (10101100b), no barramento de endereços, o valor do endereço (5h) e, no barramento de controle, confirmar que se trata de uma operação de escrita em memória. Tudo isso é feito simultaneamente e é transparente ao usuário.1.4.3. ClockClock é um circuito oscilador que tem a função de sincronizar e ditar a medida develocidade de transferência de dados no computador, por exemplo, entre oprocessador e a memória principal. Esta freqüência é medida em ciclos por segundo,ou Hertz.Existe a freqüência própria do processador, comandando operações internas a ele ea freqüência do computador a ele associado, basicamente ciclos CPU-Memóriaprincipal.Os processadores Pentium-100, Pentium MMX-233, Pentium II-300 acessam amemória principal a 66 MHz. Suas freqüências respectivas de 100, 233 e 300 MHzsão atingidas, tão somente, no interior do chip. Dizem respeito, portanto, aoprocessamento interno do processador e não à freqüência na relação CPU-Memóriado computador. Já o processador Pentium II-350 tem uma freqüência externa de 100MHz, acarretando um desempenho melhor do microcomputador, tanto noprocessamento propriamente dito quanto nas operações de disco e vídeo. 25MHz são 25 milhões de ciclos por segundo. A duração de um ciclo, seu período, é o inverso da freqüência, então cada ciclo será o inverso de 25.000.000 ou 1/25.000.000 = 0,00000004 ou 40x10-9 = 40 ηseg. 25Guia de Estudo – ARQUITETURA E ORGANIZAÇÃO DE COMPUTADORES
  27. 27. 1.4.4. Memória PrincipalÉ o componente do sistema com a função de armazenar informações que são, foramou serão manipuladas pelo processador. Ela é conhecida também como primária e éformada por dois tipos de memória: RAM (Random Access Memory) – Memória deAcesso Aleatório e a ROM (Read Only Memory) – Memória Somente de Leitura.Atualmente, os microcomputadores possuem memória principal (RAM) de 256MB(Mega Bytes) a 2GB (Giga Byte). A RAM é uma memória volátil, porém há umapequena parte da memória principal composta por memória não volátil (ROM) quearmazenamos instruções que são sempre executadas quando o computador éligado. O software gravado na ROM recebe o nome de firmware. Eles sãobasicamente três:• BIOS (Basic Input/Outpu System) – Conjunto de instruções básicas de software que permite ao processador trabalhar com periféricos básicos.• POST (Power-On Self Test) – Autoteste de inicialização, realizado sempre que o computador é inicializado.• SETUP – Programa de configuração do hardware do computador.1.4.5. Memória CacheA memória cache é uma memória volátil de alta velocidade normalmente integradaaos processadores. O tempo de acesso a um dado nela contido é muito menor quese fosse buscá-lo diretamente na memória principal. Este tempo é de 10 a 25ηs enormalmente sua capacidade varia de 256KB, 512KB e 1MB.Toda vez que o processador faz referência a um dado armazenado na memóriaprincipal, ele “olha” antes na memória cache. Se o processador encontrar o dado nacache, não há necessidade do acesso à memória principal; do contrário, o acesso éobrigatório. • 30% mais lento para processamento. Um computador sem cache: • 20% mais lento para acesso a disco. • 10% mais lento para acesso a vídeo. Imagine a memória RAM como uma mesa do outro lado da sala. Quando você vai pegar uma informação lá, por exemplo, um número de telefone, você vai anotá-lo para trazê-lo para sua mesa. Por quê? Se você precisar do mesmo número de telefone outra vez, não vai precisar se levantar e buscá-lo na outra mesa, só precisa ler no papel perto de você. 26Guia de Estudo – ARQUITETURA E ORGANIZAÇÃO DE COMPUTADORES
  28. 28. 1.4.6. Memória SecundáriaConhecida também como memória auxiliar ou memória de massa é um meiopermanente (não volátil) de armazenamento de programas e dados. Enquanto amemória principal precisa estar sempre energizada para manter suas informações, amemória secundária não precisa de alimentação.A memória secundária pode ser constituída por diferentes tipos de dispositivos,alguns diretamente ligados ao sistema para acesso imediato, como no caso dosdiscos rígidos (HDs), e outros que podem ser conectados quando desejado(disquetes, fitas, CD-ROM, DVD, etc.).O acesso à memória secundária é lento se comparado com o acesso à memóriacache ou à principal, porém seu custo é baixo e sua capacidade de armazenamentoé bem superior à da memória principal. O tempo de acesso/ciclo de memória é altodevido a esses dispositivos serem, em geral, eletromecânicos e não circuitospuramente eletrônicos. HDs de 5 a 40ms, CD-ROM de 120 a 300 ms e fitasmagnéticas na ordem de segundos. Figura 25 – Hierarquia de Memórias.1.4.7. Dispositivos de Entrada e Saída (E/S ou I/O)Os dispositivos de entrada e saída, também conhecidos por periféricos, sãoutilizados para permitir a comunicação entre o computador e mundo externo. Atravésdesses dispositivos, o computador pode armazenar, ler, transmitir e receber dados.Dentre os diversos dispositivos de E/S, existem alguns que são especializadosapenas em ENTRADA, outros especializados apenas em SAÍDA e outros emENTRADA e SAÍDA. 27Guia de Estudo – ARQUITETURA E ORGANIZAÇÃO DE COMPUTADORES
  29. 29. Entrada: teclado, mouse, microfone, scanner, caneta óptica, mesa digitalizadora, leitora de códigos de barras, leitora de cartão magnético, joystick, câmera de vídeo, sensores, etc. Saída: monitor de vídeo, projetor de vídeo, impressora, plotadora, caixa de som, controladores, etc. Entrada e Saída: drive de disquete (floppy disk), disco rígido (HD), modem, placa de rede, leitor e gravador de CD/DVD, pen drive, etc. Figura 26 – Dispositivos de Entrada. Figura 27 – Dispositivos de Saída. Figura 28 – Dispositivos de Entrada e Saída. 28Guia de Estudo – ARQUITETURA E ORGANIZAÇÃO DE COMPUTADORES
  30. 30. 2. SISTEMAS DIGITAISOs computadores são equipamentos eletrônicos digitais, portanto toda a informaçãoa ser armazenada, movimentada e processada internamente deverá sertransformada para o código binário, ou seja, usam apenas DUAS grandezas,representadas pelos algarismos 0 e 1.2.1. O Bit, a Palavra, o Caractere, o Nibble e o ByteA menor unidade de informação armazenável em um computador é o algarismobinário ou dígito binário, conhecido como bit (binary digit). O bit assume doisvalores: 0 e 1.O menor grupo ordenado de bits representando uma informação útil e inteligível parao ser humano é o caracter. Cada sistema poderá definir como cada conjunto de bitsirá representar um determinado caractere, quantos bits e como se organizam.O conjunto de 4 bits é chamado de nibble, termo pouco empregado. O conjunto de 8bits foi definido pela primeira vez pela IBM e é chamado de byte. Daí em diante,todos os fabricantes adotam o mesmo padrão até os dias de hoje.A palavra é o conjunto de bits que representa uma informação útil e estárelacionada com o armazenamento e a transferência de informações entre aMemória Principal e a CPU. Portanto a palavra é um conjunto de bytes. Umcomputador com uma palavra de 32 bits tem 4 bytes/palavra. As operações dearmazenamento e recuperação de dados na memória são feitas byte a byte oupalavra a palavra, portanto é comum mencionarmos o tamanho de uma memória emtermos de bytes.Para representar valores maiores, utilizaremos o sistema métrico de grandeza, comalgumas adaptações para os computadores. Sufixo Quantidade Kilo (K) 1 Kilobytes ou 1 KB = 1024 = 210 Mega (M) 1 Megabytes ou 1 MB = 1.048.576 = 220 Giga (G) 1 Gigabytes ou 1 GB = 1.073.741.824 = 230 Tera (T) 1 Terabytes ou 1 TB = 1.099.511.627.776 = 240 Peta (P) 1 Petabytes ou 1 PB = 1.125.899.906.843.624 = 250 Exa (E) 1 Exabytes ou 1 EB = 1.152.921.504.607.870.976 = 260 Tabela 1 – Tabela de Medidas. 29Guia de Estudo – ARQUITETURA E ORGANIZAÇÃO DE COMPUTADORES
  31. 31. Devemos ter cuidado para não cometermos falsos arredondamentos. 65.536, por exemplo, representa, em binário, 64 K (e não 65 K, como parece), assim como 157.286.400 representa 150 M (e não 157 M). (TORRES, 1999).2.2. Sistemas NuméricosSistemas numéricos são sistemas de notação usados para representar quantidadesabstratas denominadas números. Um sistema numérico é definido pela base queutiliza.A base de um sistema é o número de símbolos diferentes, ou algarismos,necessários para representar um número qualquer. O sistema decimal, utilizado hojede forma universal, utiliza dez símbolos diferentes ou dígitos para representar umnúmero e é, portanto, um sistema numérico na base 10.Os computadores utilizam a base 2 (sistema binário) e os programadores, porfacilidade, usam em geral uma base que seja uma potência de 2, tal como 24 (base16 ou sistema hexadecimal) ou eventualmente ainda 23 (base 8 ou sistema octal).Se na base 10, dispomos de 10 algarismos para a representação do número: 0, 1, 2,3, 4, 5, 6, 7, 8 e 9. Na base 2, seriam apenas 2 algarismos: 0 e 1. Na base 16,seriam 16: os 10 algarismos aos quais estamos acostumados, mais os símbolos A,B, C, D, E e F, representando respectivamente 10, 11, 12, 13, 14 e 15 unidades.Generalizando, temos que uma base b qualquer disporá de b algarismos, variandoentre 0 e (b-1).2.2.1. Sistema DecimalEntre os sistemas numéricos existentes, o sistema decimal é o mais utilizado. Ossímbolos ou dígitos utilizados são os algarismos 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 e 9. Oselementos são agrupados de dez em dez e, por essa razão, os números podem serexpressos por intermédio de potência de dez e recebem o nome de sistema denumeração decimal. 486 = 400 + 80 + 6 = 4 x 100 + 8 x 10 + 6 x 1 = 4 x 102 + 8 x 101 + 6 x 100, ou seja, 486 = 4 x 102 + 8 x 101 + 6 x 100. 30Guia de Estudo – ARQUITETURA E ORGANIZAÇÃO DE COMPUTADORES
  32. 32. Observe que o número 4 está numa posição tal que seu peso é igual a 2 e que o número 6, por sua vez, tem o peso igual a zero. Então podemos concluir que o algarismo ou dígito, dependendo do seu posicionamento, terá um peso. Note que aquele situado na extrema esquerda do número está sendo multiplicado pela potência de dez maior, ou seja, é o dígito mais significativo (most significant digit – MSD). Analogamente, o que está situado na extrema direita será multiplicado pela menor potência, ou seja, é o dígito menos significativo (least significant digit – LSD). a) O princípio de posicionamento, que formula o expoente da base 10, pode ser estendido a qualquer sistema numérico, ou seja, independe da base numérica em que está representado. b) Por ser o sistema padrão de uso (é o sistema que utilizamos em nosso dia-a-dia), o sistema decimal não necessita de representação de base, a fim de simplificação de escrita.2.2.2. Sistema BinárioComo o próprio nome já indica tem base 2, pois utiliza apenas dois símbolos oualgarismos: 0 e 1. Também vale ressaltar que, em processamentos digitais, o dígito1 também é conhecido por nível lógico 1, nível lógico alto, ligado, verdadeiro eenergizado. Já o dígito 0 pode ser nível lógico 0, nível lógico baixo, desligado, falsoe desenergizado.Assim, a cada posição de cada algarismo corresponde uma potência de 2, como foiexposto para número decimal, ao qual correspondia uma potência de 10.2.2.2.1. Conversão de Binário em DecimalÉ o mesmo processo já estudado para base 10, ou seja: 10111(2) = 1x24 + 0x23 + 1x22 + 1x21 + 1x20 = 16 + 0 + 4 + 2 + 1 = 23, ou seja, 10111(2) = 23(10) ou 10111(2) = 23 31Guia de Estudo – ARQUITETURA E ORGANIZAÇÃO DE COMPUTADORES
  33. 33. Como os dígitos binários são chamados de bit, da mesma forma como falamos no sistema decimal, dependendo do posicionamento o algarismo ou bit terá um peso; o da extrema esquerda será o bit mais significativo (most significant bit – MSB) e o da extrema direita o bit menos significativo (least significant bit – LSB). 43210 1 1 0 1 1(2) = 1x24 + 1x23 + 0x22 + 1x21 + 1x20 = 16 + 8 + 0 + 2 + 1 = 27 MSB LSB2.2.2.2. Conversão de Decimal em BinárioNa conversão decimal-binário, podem ser utilizados dois métodos: o primeiro que émais geral, dito das divisões sucessivas, consiste em dividir sucessivamente onúmero por 2 até obtermos o cociente 0 (zero). O resto dessa divisão colocado naordem inversa corresponde ao número binário correspondente ao decimal dado. 54 = ?(2) 54 = 1 1 0 1 1 0 (2)O segundo método de conversão consiste em, começando como número decimal aser convertido, extrair a maior potência de 2 (menor ou igual) possível. Repetindoeste processo para o resto dessa subtração até que o resto seja zero. Concluindo,marque com o dígito 1 os expoentes utilizados e com o dígito zero os expoentes nãoutilizados. 54 = ?(2) 256 128 64 32 16 8 4 2 1 54 – 32 = 22 22 – 16 = 6 6–4=2 2–2=0 Portanto nós utilizamos as potências 32=25, 16=24, 4=22 e 2=21, ou seja: 5 4 3 2 1 0 32 16 8 4 2 1 Resposta = 1 1 0 1 1 0 (2) 32Guia de Estudo – ARQUITETURA E ORGANIZAÇÃO DE COMPUTADORES
  34. 34. Este método, evidentemente, exige um pouco mais de raciocínio, devido aoproblema de memorização das potências de dois e subtrações. Exercícios: Converta os valores para as bases indicadas. a) 111011(2) = ? b) 110110(2) = ? c) 10011(2) = ? d) 10110(2) = ? e) 215 = ? (2) f) 43 = ? (2) g) 101 = ? (2) h) 36 = ? (2) i) 543 = ? (2)2.2.3. Sistema OctalO sistema octal ou base 8 é composto por oito símbolos ou dígitos: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6,e 7. Os números binários, como vimos, são longos demais para manipularmos; sãomuito apropriados para as máquinas ou computadores, mas para seres humanossão muito trabalhosos.Se considerarmos três dígitos binários, o maior que pode ser expresso por essestrês dígitos é 111(2) ou em decimal 7. Como o 7 é também o algarismo maissignificativo do sistema octal, conclui-se que com a combinação de três dígitosbinários pode-se ter o algarismo octal correspondente; daí também se pode dizerque os números octais têm um terço do comprimento de um número binário efornecem a mesma informação.2.2.3.1. Conversão de Binário em OctalÉ feita pela combinação de três dígitos binários, podendo assim ter todos osalgarismos octais: 11011011(2) = 11 011 011 = 3 3 3 (8) → 11011011(2) = 333(8) 1011101(2) = 1 011 101 = 1 3 5 (8) → 1011101(2) = 135(8)2.2.3.2. Conversão de Octal em BinárioA conversão de uma base em outra é bastante simples, uma vez que se trata daoperação inversa à já descrita, ou seja, basta converter individualmente cada dígitooctal em três binários. 33Guia de Estudo – ARQUITETURA E ORGANIZAÇÃO DE COMPUTADORES
  35. 35. 137(8) = ?(2) O número 1 equivale a 001(2), o número 3 igual a 011(2) e o número 7 vale 111(2). Portanto: 137(8) = 001011111(2), ou seja, 137(8) = 1011111(2).2.2.3.3. Conversão de Octal em DecimalEsta conversão se passa pela conversão em binário e posteriormente em decimal,ou seja: 17(8) = ? 17(8) → 001 111(2) → 1x23 + 1x22 + 1x21 + 1x20 → 8 + 4 + 2 + 1 = 15.2.2.3.4. Conversão de Decimal em OctalConforme vimos anteriormente, também neste caso, devemos passar pelo sistemabinário. 22 = ?(8) 22 → 10110(2) → 10 110(2) → 26(8),ou seja, 22 = 26(8). Exercícios: Converta os valores para as bases indicadas. a) 45(8) = ?(2) = ? b) 1011(2) = ? (8) = ? c) 56(8) = ? d) 101 = ? (8) e) 101(2) = ? (8) = ? f) 47(8) = ?(2) = ?2.2.4. Sistema HexadecinalO sistema hexadecimal (hexa) foi criado com o mesmo propósito do sistema octal,para minimizar a representação de um número binário que é o utilizado emprocessamento. Tanto os números em hexa como em octal são os meios demanipulação do homem, porém existirão sempre conversores internos à máquinaque os converta em binário, com o qual a máquina trabalha.Analogamente, se considerarmos quatro dígitos ou bits binários, o maior número quepode ser expresso por esses quatro dígitos é 1111 ou em decimal 15, da mesmaforma que 15 é o algarismo mais significativo do sistema hexadecimal, portanto com 34Guia de Estudo – ARQUITETURA E ORGANIZAÇÃO DE COMPUTADORES
  36. 36. a combinação de 4 bits ou dígitos binários pode-se ter o algarismo hexadecimalcorrespondente.Assim, com esse agrupamento de 4 bits ou dígitos, podem-se definir 16 símbolos, de0 até 15. Contudo, como não existem símbolos dentro do sistema arábico quepossam representar os números decimais entre 10 e 15 sem repetir os símbolosanteriores, foram usados os símbolos A, B, C, D, E e F, portanto o sistemahexadecimal será formato por 16 símbolos alfanuméricos: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9,A, B, C, D, E e F.2.2.4.1. Conversão de Hexa em BinárioBasta converter cada dígito hexadecimal em seu similar binário, ou seja, cada dígitoem hexa equivale a um grupo de 4 bits. B15(16) = ? (2) B(16) → 11 → 1011(2) 1(16) → 1 → 0001(2) 5(16) → 5 → 0101(2) Logo, B15(16) = 101100010101(2)2.2.4.2. Conversão de Binário em HexaDe maneira análoga, basta realizar o processo inverso de hexa para binário. 10011011(2) = ? (16) 1001(2) → 9 → 9(16) 1011(2) → 11 → B(16) Portanto, 10011011(2) = 9B(16)2.2.4.3. Conversão de Hexa nos demais sistemas e vice-versaComo podemos perceber, para realizarmos a conversão nos demais sistemas, bastapassarmos pela binária e/ou pelo sistema decimal. Exercícios: Converta os valores para as bases indicadas. a) 211 = ? (2) = ? (8) = ? (16) b) 1101011(2) = ? (16) = ? = ? (8) c) 3747(8) = ? (16) = ? (2) = ? d) AAE(16) = ? = ? (8) = ? (2) e) Fazer um programa para conversão de sistemas numéricos entre as diversas bases (2, 8, 10 e 16), somente números inteiros. 35Guia de Estudo – ARQUITETURA E ORGANIZAÇÃO DE COMPUTADORES
  37. 37. Baixe da Midiateca, no Ambiente Virtual de Aprendizagem, o programa Sisnum.exe que é um conversor de base numérica desenvolvido pelo aluno Márcio Henrique da Silva. Este software será útil para a correção dos exercícios propostos. TABELA DE CONVERSÃ0 Decimal Binário Octal Hexadecimal 0 0000 0 0 1 0001 1 1 2 0010 2 2 3 0011 3 3 4 0100 4 4 5 0101 5 5 6 0110 6 6 7 0111 7 7 8 1000 8 9 1001 9 10 1010 A 11 1011 B 12 1100 C 13 1101 D 14 1110 E 15 1111 F Tabela 2 – Conversão de Base Numérica.2.3. Portas LógicasDurante séculos, os matemáticos sentiram que havia uma conexão entre aMatemática e a Lógica, mas ninguém antes de George Boole pôde achar este eloausente. Em 1854, ele inventou a lógica simbólica, conhecida por álgebra booleana.Cada variável, na álgebra booleana, tinha qualquer um de dois valores: verdadeiroou falso. Após algumas décadas, os engenheiros entenderam que a álgebrabooleana podia ser aplicada à Eletrônica dos Computadores. 36Guia de Estudo – ARQUITETURA E ORGANIZAÇÃO DE COMPUTADORES
  38. 38. 2.3.1. Portas NOT (Inversoras)Uma inversora é uma porta com apenas um sinal de entrada e um sinal de saída, oestado da saída é sempre o oposto da entrada. Simbologia: Tabela Verdade A Ā 0 1 1 0 Tabela 3 – Porta NOT. Representação em Álgebra Booleana: S = A2.3.2. Portas OU (OR, + , ∨)A porta OR tem dois ou mais sinais de entrada (padrão 2 ou 3), mas somente umsinal de saída. Se qualquer sinal de entrada for alto (nível 1 - fechado), o sinal desaída será alto. Simbologia: 37Guia de Estudo – ARQUITETURA E ORGANIZAÇÃO DE COMPUTADORES
  39. 39. Tabela Verdade A B C S 0 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 Tabela 4 – Porta OR. Representação em Álgebra Booleana: S = A + B + C2.3.3. Portas E (AND, . , ∧)A porta AND tem dois ou mais sinais de entrada (padrão 2 ou 3), mas somente umsinal de saída. Se qualquer sinal de entrada for baixo (nível 0 - aberto), o sinal desaída será baixo. Simbologia: Tabela Verdade A B S 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 Tabela 5 – Porta AND. Representação em Álgebra Booleana: S = A . B 38Guia de Estudo – ARQUITETURA E ORGANIZAÇÃO DE COMPUTADORES
  40. 40. Exercícios: a) Fazer o circuito de portas lógicas equivalente para seguinte equação booleana: S = (A + C) . B b) Fazer a tabela verdade para porta AND com 3 entradas. c) Fazer a tabela verdade para porta OR com 4 entradas. d) Fazer o circuito de portas lógicas equivalente a: S = ((A + B) . C) + (A . C) + B e) Fazer o circuito de portas lógicas para: S = ((A . B) + C) . ( A + B) . C2.3.4. Portas NÃO OU (NOR)As portas NOR apresentam as mesmas características das portas OR, com relaçãoà entrada e saída. Sua diferença está no fato de ter associado a sua saída umaporta NOT, o que inverte o resultado de S, ou seja, só teremos nível lógico 1 nasaída quando todas as entradas forem de nível 0. Simbologia: Tabela Verdade A B S 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 0 Tabela 6 – Porta NOR. Representação em Álgebra Booleana: S = A + B2.3.5. Portas NÃO E (NAND)De maneira análoga às portas NOR, as portas NAND nada mais são que portasAND onde foram acrescentadas portas NOT em sua saída. Portanto, só obteremosnível 0 quando todas as suas entradas forem de nível 1. 39Guia de Estudo – ARQUITETURA E ORGANIZAÇÃO DE COMPUTADORES
  41. 41. Simbologia: Tabela Verdade A B S 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 Tabela 7 – Porta NAND. Representação em Álgebra Booleana: S = A . BTalvez esta porta seja a mais importante de todas, pois através dela podemosimplementar as demais: Porta NOT Porta AND Porta OR2.3.6. Portas OU Exclusiva – XOU (XOR, ⊕)Uma porta XOR reconhece apenas quando houver um número ímpar de entradasem nível alto. 40Guia de Estudo – ARQUITETURA E ORGANIZAÇÃO DE COMPUTADORES
  42. 42. Circuito equivalente: Simbologia: Tabela Verdade A B S 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 0 Tabela 8 – Porta XOR. Representação em Álgebra Booleana: S = A . B + A . B = A ⊕ B2.3.7. Portas NÃO OU Exclusiva – XNOU (XNOR, )Como nas demais portas, para obtermos uma porta XNOR, basta adicionarmos aofinal de uma porta XOR uma porta inversora, o que provocará a inversão dosresultados na saída. Simbologia: 41Guia de Estudo – ARQUITETURA E ORGANIZAÇÃO DE COMPUTADORES
  43. 43. Tabela Verdade A B S 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 1 Tabela 9 – Porta XNOR. Representação em Álgebra Booleana: S = A . B + A . B = A ⊕ B = A B Exercícios: Consultar o livro Microcomputadores e Microprocessadores, do autor Albert Paul Alvino. Fazer os problemas 2-1 a 2-25 e os problemas 3-1 a 3-34 do livro.2.4. Álgebra Booleana e Mapa de KarnaughIremos estudar a álgebra booleana e os mapas de Karnaugh, tópicos indispensáveisao projetista digital. O projeto digital, usualmente, inicia-se especificando uma saídadesejada com uma tabela-verdade. A pergunta então é como apresentar um circuitológico que tenha a mesma tabela-verdade? A álgebra booleana e os mapas deKarnaugh são as ferramentas usadas para transformar uma tabela-verdade numcircuito lógico prático.2.4.1. Álgebra BooleanaO que se segue é uma discussão das relações básicas em álgebra booleana. Muitasdestas relações são as mesmas da álgebra comum, o que facilita lembrá-las. 42Guia de Estudo – ARQUITETURA E ORGANIZAÇÃO DE COMPUTADORES
  44. 44. Relações Booleanas: Leis Comutativas, Associativas e Distributivas: RELAÇÕES BOOLEANAS A+0=A A + 1= 1 A+A=A A + A =1 A=A A .1= A A .0 = 0 A.A =A A.A =0 A +B= A.B A .B = A + B A + A .B = A A . ( A + B) = A A + A .B = A + B A . ( A + B) = A . B A +B=B + A A .B = A B AB=B A A + (B + C) = ( A + B) + C A (B C) = ( A B) C A (B + C) = A B + A C A + B C = ( A + B) + ( A + C) ⇒ Vale lembrar que não se trata de álgebra comum. Tabela 10 – Regras da Álgebra Booleana.2.4.1.1. Expressões Lógicas – Aplicações das PortasUma expressão lógica ou uma função lógica pode ser definida como sendo umaexpressão algébrica formada por variáveis lógicas (binárias), por símbolosrepresentativos de uma operação lógica (+, . , etc.), por parênteses (às vezes) e porum sinal de igual.Prioridades:1º - sempre serão resolvidos os parênteses, do mais interno para o mais externo;2º - o operador NOT quando ele envolve apenas um elemento;3º - o operador AND;4º - o operador OR;5º - o operador XOR. X = A + B . C ⊕ ( A + B) Para A = 1 , B = 0 e C = 1: 1º - A + B = 1 + 0 = 1 = 0 ⇒ Resolvemos primeiro o parêntese 2º - B . C = 0 . 1 = 0 3º - A + B . C = 1 + 0 = 1 4º - ( A + B . C) ⊕ ( A + B) = 1 ⊕ 0 = 1 43Guia de Estudo – ARQUITETURA E ORGANIZAÇÃO DE COMPUTADORES
  45. 45. Exercícios: Seja A = 1001, B = 0010, C = 1110 e D = 1111. Calcule: a) X = A ⊕ (B . C + D) + (B ⊕ D ) b) Y = ( A + (B ⊕ C . D )) . (C + B) c) W = ( A + B) . ( C + D) + ( A . C)2.4.1.2. Simplificação de Expressões Lógicas Utilização das regras da álgebra Booleana para obter expressões mais simples. Usualmente há mais de uma possibilidade de simplificação. F = A .B.C + A .B. C + A .C A . B . C + A . B . C + A . C ⇒ = A . B . (C + C ) + A . C ⇒ ⇒ = A .B .1+ A . C ⇒ F = A .B + A . C Exercícios: a) Desenhar o circuito digital simplificado para: a.1) S = A B C D + A B C D + A B C D a.2) S = A B C D + A B C D + A B C D + A B C D b) Escreva a equação booleana para: 44Guia de Estudo – ARQUITETURA E ORGANIZAÇÃO DE COMPUTADORES
  46. 46. c) Determinar o circuito lógico digital e tabela verdade para a seguinte expressão booleana: S = B C + A (B + C) A B C BC Ā B+C Ā(B+C) S 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 d) Idem ao exercício anterior para a expressão: S = A (B + C) + A B2.4.2. Mapas de KarnaughComo se pode constatar, a minimização ou simplificação é imprescindível em umcomando digital. Para realizarmos tal tarefa utilizaremos a minimização por mapasde Karnaugh que é um método, uma vez entendido, muito simples.O método consiste em fazer a minimização a partir de uma tabela da verdade, oumapa, porém a simplificação é feita sobre um mapa característico chamado mapa deKarnaugh, que contém os mesmos elementos de uma tabela verdade comum,porém com uma distribuição diferente. Tabela Verdade: Mapa de Karnaugh: A B C S AB C 00 01 11 10 0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 0 0 1 0 1 1 0 1 1 1 0 1 1 1 Obs.: Observe que há uma inversão de seqüência no mapa. 1 0 0 1 1 0 1 1 1 1 0 0 1 1 1 1 45Guia de Estudo – ARQUITETURA E ORGANIZAÇÃO DE COMPUTADORES
  47. 47. Podemos observar que no mapa de Karnaugh a combinação para as variáveis A, Be C se obtém pela combinação de uma linha com uma coluna, ou seja, acombinação 0, 0 e 0 se obtém pela combinação da primeira linha com a primeiracoluna. Assim, observamos que temos todas as combinações de entrada mostradasna tabela verdade.Devemos ressaltar que a expressão booleana é escrita a partir da tabela verdadeperguntando-se quando obteremos a saída igual a nível 1, ou seja: S = A .B. C + A .B.C + A . B . C + A . B .C + A .B.C2.4.2.1. Regras para Minimização (Simplificação)A simplificação consiste em reunir células adjacentes que possuam a mesma saída(1), formando conjuntos denominados de subcubos e obedecendo às seguintesregras:a) o número de células reunidas deve ser o maior possível, mesmo que para isso uma mesma célula possa pertencer a dois ou mais conjuntos diferentes;b) o número de células reunidas em um subcubo deve ser sempre potência de 2, ou seja, 1, 2, 4, 8, 16,...;c) uma mesma célula pode pertencer a subcubos diferentes para satisfazer o item a, mas não fazer agrupamentos desnecessários (pelo menos uma célula tem de pertencer a um subcubo somente) ed) deve-se formar tantos agrupamentos até que não reste nenhuma saída igual a 1 que não tenha sido agrupada.A expressão da saída se obtém dos subcubos formados. Cada subcubo define umafunção AND entre as variáveis que não mudam de nível lógico dentro do subcubo.Os diversos subcubos obtidos no mapa formam uma função OR.Voltando ao exemplo anterior e aplicando-se o mapa de Karnaugh, obteremos aseguinte expressão booleana simplificada: AB AB C 00 01 11 10 C 00 01 11 10 0 0 1 0 1 0 0 1 0 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 S = A .B + A .C + A . B ou S = A .B + B.C + A . BUm mapa de Karnaugh para 4 variáveis (A, B, C e D) seria da seguinte forma: AB CD 00 01 11 10 00 01 11 10 46Guia de Estudo – ARQUITETURA E ORGANIZAÇÃO DE COMPUTADORES
  48. 48. Exercícios: a) Dado a tabela verdade abaixo, determinar a expressão booleana simplificada por Karnaugh e o circuito digital resultante. A B C S 0 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 1 1 0 1 1 1 1 0 0 1 1 1 1 b) Um guindaste deve permitir a elevação de massas compreendidas entre 20 e 80 quilos, pela atuação do motor M (é a nossa saída S). Para isso ele possui uma plataforma repousando sobre molas. De acordo com o peso das cargas a elevar, três sensores de carga (A, B e C) são atuados. As condições de funcionamento são as seguintes: em vazio o guindaste deve funcionar, isto é, quando nenhum dos sensores é acionado; para cargas até 20 Kg, ou seja, 0<peso<20, o guindaste não deve funcionar. Situação em que somente o sensor A está atuado; para cargas compreendidas entre 20 e 80 Kg, 20<peso<80, o guindaste deve funcionar, quando os sensores A e B permanecem atuados e para cargas superiores a 80 Kg, peso>80, o guindaste não deve funcionar, quando todos os sensores permanecem atuados. Com base no sistema descrito, determinar: 1) tabela verdade de funcionamento; 2) equação Booleana simplificada por Karnaugh e 3) circuito digital. 47Guia de Estudo – ARQUITETURA E ORGANIZAÇÃO DE COMPUTADORES
  49. 49. c) Em um circuito digital eletrônico, utiliza-se um DISPLAY de 7 segmentos (a, b, c, d, e, f, g) para representar os números decimais positivos de um dígito somente. Com base nas informações de posicionamento dos segmentos e tabela de atuação, completar a tabela e montar o circuito lógico digital simplificado que atenda às necessidades decimais. Dec. A B C D a b c d e f g LED 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 1 0 0 0 0 2 0 0 1 0 1 1 0 1 1 0 1 3 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 1 4 0 1 0 0 5 0 1 0 1 6 0 1 1 0 7 0 1 1 1 8 1 0 0 0 9 1 0 0 1 Obs: 1) Os números que não estão sendo utilizados na codificação ABCD, não interferem no resultado, ou seja, são condições irrelevantes (representados no mapa de Karnaugh por um “X”). Tais condições de irrelevância devem ser utilizadas como sendo nível lógico 0 ou 1, o que irá facilitar nas simplificações. 2) Cada segmento deve ser considerado como uma saída individual do nosso circuito. Baixe da Midiateca, no Ambiente Virtual de Aprendizagem, o programa mk.exe que resolve Mapas de Karnaugh até 3 variáveis e foi desenvolvido pelo aluno Márcio Henrique da Silva. Este software será útil para a correção dos exercícios propostos. 48Guia de Estudo – ARQUITETURA E ORGANIZAÇÃO DE COMPUTADORES
  50. 50. Baixe da Midiateca, no Ambiente Virtual de Aprendizagem, o programa DW20_95.exe, Digital Works versão 2.0 (freeware). Este software é um simulador de circuitos digitais que permite a construção de circuitos com portas lógicas, flip-flops, dispositivos tri-state e memórias. As entradas podem ser implementadas usando chaves, clocks, seqüenciadores e dispositivos de entrada iterativos. As saídas podem ser visualizadas usando LEDs, dispositivos de sete segmentos e dispositivos numéricos. Baixe da Midiateca, no Ambiente Virtual de Aprendizagem, o vídeo ExemploDW.avi. Nele implemento, usando o Digital Works, o circuito digital mostrado no Exercício b do item 2.4.1.2. (Simplificação de Expressões Lógicas), do nosso Guia de Estudo. Este vídeo procura apenas mostrar um exemplo de utilização do software. O programa possui vários componentes e ferramentas que permitem que você construa circuitos digitais mais complexos. Exercícios: No Ambiente Virtual de Aprendizagem, na Midiateca, você vai encontrar o arquivo ExercSisDig.doc com uma lista de exercícios para aplicação de Álgebra Booleana e Mapa de Karnaugh.2.5. MemóriasExistem 2 tipos de memórias: 1. Memória de Massa. 2. Memória Semicondutora.Os microprocessadores usam dispositivos semicondutores para armazenarprogramas e dados. Os mais utilizados são: • RAM (Random Access Memory): memória de acesso aleatório. • ROM (Read Only Memory): memória somente de leitura.Para expandir o espaço de armazenamento de dados, os sistemasmicroprocessados usam alguns dispositivos de armazenamento de massa, taiscomo: • discos flexíveis (disquetes); • discos rígidos (HDs); • fitas magnéticas; • disco Óptico (CD, DVD). 49Guia de Estudo – ARQUITETURA E ORGANIZAÇÃO DE COMPUTADORES
  51. 51. 2.5.1. Memória de MassaSão memórias utilizadas para armazenagem de grandes quantidades deinformações, ficam externamente à CPU e normalmente requerem dispositivoperiférico de interfaceamento.Todos os discos magnéticos (disquetes, discos rígidos, Zip disk, etc.) são divididosmagneticamente em círculos concêntricos chamados trilhas. As trilhas, por sua vez,são divididas em setores. Em cada setor cabem 512 bytes de informação (esse valoré fixo). Dependendo do disco, ele poderá ter uma formatação com um maior númerode trilhas e setores. Quanto maior esse número, mais dados o disco poderáarmazenar (TORRES, 1999).Para calcular a capacidade máxima de um disco, você pode utilizar a fórmula abaixo:Capacidade de armazenamento = número de trilhas x número de setores por trilha x número de faces do disco x 512 bytes. Um disco formado por 80 trilhas, 18 setores por trilha e possuindo duas faces, terá a capacidade de 1.474.560 bytes ou 1.440 KB. Essa é a formatação utilizada pelo nosso conhecidíssimo disquete de 1.44 MB. Figura 29 – Disco Magnético. O termo formatar um disquete ou HD consiste em criar trilhas e setores neles. 50Guia de Estudo – ARQUITETURA E ORGANIZAÇÃO DE COMPUTADORES

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