Noções básicas de computação hardware

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Noções básicas de computação hardware

  1. 1. Noções básicas de computação - HardwareProfª Jocelma RiosMar/2012
  2. 2. O que pretendemos:● Apresentar o histórico da computação● Apresentar a arquitetura de Von Neumann e seus componentes● Explorar o funcionamento dos componentes computacionais Refletir sobre a importância dos diversos componentes do computador e sua influência na performance dos sistemas computacionais
  3. 3. O computador Um computador é mais que um conjunto de dispositivos Eletrônicos realizando uma multiplicidade de tarefas de processamento de dados. É um sistema, uma combinação de componentes Inter-relacionados quedesempenham as funções básicas do sistema, ou seja, entrada, processamento, saída, armazenamento e controle. James OBrien
  4. 4. HistóricoVale a pena ver: www.youtube.com/watch?v=q7Si-5pS_5c ● Ábaco - 3500 a.C. ● Instrumento de cálculo, formado por uma moldura com bastões ou arames paralelos, dispostos no sentido vertical, correspondentes cada um a uma posição digital (unidades, dezenas,...) e nos quais estão os elementos de contagem (fichas, bolas, contas,...) que podem ser deslizados ● Teve origem provavelmente na Mesopotâmia, há mais de 5.500 anos – alguns apontam os chineses como seus inventores ● Pode ser considerado como uma extensão do ato natural de se contar nos dedos
  5. 5. Histórico ● Máquina Aritmética - PASCAL - 1642-1644 – Conhecida como Pascalina → calculadora decimal – Blaise Pascal iniciou a automação de tarefas (adição mecanizada) através do auxílio de máquinas e os seus resultados são utilizados até hoje. Tempos mais tarde, ainda no século 16, adicionou-se as operações de multiplicação e divisão.Saiba mais:www.educ.fc.ul.pt/docentes/opombo/seminario/pasca_l/maquinadepascal.htm
  6. 6. Histórico Vale a pena ver: www.youtube.com/watch?v=y3AeDWfcUrE● Máquina Analítica/Diferencial - Charles BABBAGE – 1823 - Difference Engine: calculava automaticamente tabelas matemáticas utilizando o método de diferenças finitas. Esta máquina foi elaborada para polinômios de grau 6 e números binários de 20 bits. O projeto não chegou a ser concluído. – 1833/1834 - Analytical Engine: introduziu o conceito de armazenamento de informações, o que hoje conhecemos como memória. Além disso, tinha unidade operadora e de controle, assim como nos computadores atuais. Utilizava cartões perfurados.
  7. 7. Histórico ● Máquina Diferencial - Charles BABBAGEFonte: Wikipédia
  8. 8. Histórico● Teoria dos Circuitos Lógicos - BOOLE – 1854 – Estabelece a lógica binária para armazenar informações – Conhecida como álgebra de● Curiosidades: http://pt.wikipedia.org/wiki/Herman_Hollerith
  9. 9. Curiosidades: http://pt.wikipedia.org/wiki/Herman_Hollerith Histórico● Computador mecânico – HOLLERITH - 1890 – O americano Hermann Hollerith constrói o primeiro computador mecânico para atender à aplicação de contagem o censo – O processo de contagem do censo americano reduziu de 7,5 para 2,5 anos – Informações eram armazenadas em cartões perfurados
  10. 10. Histórico● Máquina de Turing - Alan TURING - 1936 – Alan Turing é considerado o pai da computação – Um problema terá solução algorítmica se existir uma máquina de Turing para representá-lo – A Máquina de Turing possui uma fita de tamanho infinito e um cabeçote para leitura e escrita que move-se pela fita. Devido ao seu caráter infinito, tal máquina não pode ser construída, mas o modelo da mesma pode simular a computação de qualquer algoritmo executado em um computador moderno
  11. 11. ● MARK I - ~1944 Histórico – Primeiro computador eletromecânicoSaiba mais: www.museudocomputador.com.br ● ENIAC – ~1946 – pesquisadores da universidade da Pennsylvania desenvolveram o primeiro computador eletrônico – O ENIAC (Electronic Numerical Integrator And Calculator) era composto por 18.000 válvulas e 1500 relés sendo capaz de realizar 5000 operações de adição por segundo ou 357 multiplicações por segundo. Sua programação era feita com o auxílio de cartões perfurados, podendo ler até 2 números por segundo
  12. 12. a 1 geração● 1940-1952 – Computadores à base válvulas à vácuo – Aplicação nos campos científico e militar – Linguagem de máquina – Armazenamento: cartões perfurados Isaac Asimov - Evidence (conto) - robôs que imitam seres humanos
  13. 13. a 1 geração● 1940-1952 – Operadoras dos computadores, manipulando linguagem de máquina
  14. 14. a 2 geração● 1952-1964 – Substituição da válvula pelo transistor ● Mais potência, mais confiabilidade, menos consumo e menor tamanho – EDVAC → conceito de programa armazenado (ainda com válvulas) – Ampliação das aplicações para as áreas administrativa e gerencial – Linguagem de montagem (assembly) e de alto nível (COBOL, ALGOL, FORTRAN) – Armazenamento: fitas e tambores magnéticos
  15. 15. a 3 geração● 1964-1971 – Circuito integrado substituiu o transistor ● Componentes miniaturizados – Software: multiprogramação, tempo real, modo interativo – Armazenamento: memórias de semicondutores e discos magnéticos – 1o. minicomputador → PDP 8 da DEC ● Custava 18 mil dólares ● Pesava 300 kg
  16. 16. a 4 geração● 1971-1981 – Microprocessador ● Inclusão da CPU em um único circuito integrado – Computador pessoal – Redes de computadores – Software: grande quantidade de linguagens de programação – Armazenamento: floppy disk (disquete)
  17. 17. a 4 geração● O Apple II foi lançado ● O IBM PC utilizava o em 1977 com teclado PC-DOS e possuia a integrado, gráficos BIOS como única parte coloridos, sons, de produção exclusiva gabinete de plástico e da IBM. 8 slots de expansão.
  18. 18. a 5 geração● 1981-? – Popularização dos microcomputadores – Componentes com altíssima escala de integração (tecnologia VLSI) – Inteligência artificial – Altíssima e crescente velocidade de processamento
  19. 19. Arquitetura de Von Neumann A maioria dos Formalização do projeto computadores atuais lógico de um computador segue este modelo● A característica de máquinas von Neumann é a composição do sistema a partir de 4 subsistemas básicos: – CPU – Memória principal – Sistema de entrada – Sistema de saída
  20. 20. Arquitetura de Von Neumann● As instruções passaram a ser armazenadas na memória do computador. Até então elas eram lidas de cartões perfurados e executadas, uma a uma. Armazená-las na memória, para então executá-las, tornaria o computador mais rápido, já que, no momento da execução, as instruções seriam obtidas com rapidez eletrônica● Esse modelo define um computador sequencial digital em que o processamento das informações é feito passo a passo, caracterizando um comportamento determinístico (ou seja, os mesmos dados de entrada produzem sempre a mesma resposta)
  21. 21. Arquitetura de Von Neumann A CPU (Unidade Central de Processamento), por sua vez, tem 3 blocos principais:● Unidade de Controle (UC)● Unidade Lógico-Aritmética (ALU)● Registradores – inclui um registrador contador de programa (PC) que indica a posição da instrução a executar
  22. 22. Arquitetura de Von Neumann Características:● Utilização do conceito de programa armazenado● Execução sequencial de instruções● Existência de um caminho único entre memória e unidade de controle
  23. 23. Componentes do computador Os componentes de hardware de um sistema decomputador incluem dispositivos que auxiliam nafunção de entrada, processamento, armazenamento entrada processamento de dados e saída.
  24. 24. Componentes do computadorEntrada: convertem dados em forma eletrônicaque pode ser entendido pela CPU. São osteclados, telas touch-screen, canetas óticas,mouses, microfone, scanners óticos, etc.
  25. 25. Componentes do computador Processamento: é o componente principal de um sistema de computador – Controle: é o componente de controle do computador e está contido na CPU. Seus circuitos interpretam instruções de programas/algortimos para o computador e transmitem ordens para os outros componentes do sistema computacional Pentium Dual Core E-2160Saiba mais: www.museudocomputador.com.br/encipro.php
  26. 26. Componentes do computador Evolução dos microprocessadores 8086 – 16 bits – X86-16 bits: 8086, 8088, 80186, 80188, 80286 – X8632 bits: 80386, 80486, Pentium, Pentium Pro, pentium II, Pentium III, Pentium IV, , Core, Celeron M, Celeron D, A100 – X86 64 bits: Pentium IV (alguns modelos), Pentium Extreme Edition, Celeron D – ...Saiba mais: http://ruisalema.tripod.com/processador.html
  27. 27. Componentes do computadorArmazenamento: memória principal, HD, discoflexível, fitas, CD-ROM, DVD, Pen drives, Blu-ray, ZIP disk, WORM disk, tambores magnéticosetc.
  28. 28. Componentes do computador● Saída: convertem informações eletrônicas produzidas pelo computador em forma inteligível pelo homem. São os monitores de vídeo, impressoras, fones, caixas de som, etc.
  29. 29. CPUÉ o ponto focal de um computador, guiandotodas as ações que se desenvolvem no sistema.• A mesma contém uma Unidade Lógico-Aritmética(ULA) ou Arithmetic and Logic Unit (ALU), paraexecutar todas as adições, subtrações,operações lógicas, etc.• A ALU também contém diversos registradores,que funcionam como pequenas porções muitorápidas de memória, usadas para armazenartemporariamente os dados e as instruçõesutilizadas pela mesma
  30. 30. CPU• Contém toda a lógica de controle, paracoordenar as ações entre todos os elementos daCPU, assim como os outros componentes de hardwaredo computador• A CPU geralmente está contida inteiramente emum único circuito integrado (CI), ou chip.
  31. 31. CPUSaiba mais:http://informatica.hsw.uol.com.br/microprocessadores1.htm
  32. 32. MemóriaRAM - memória de acesso aleatório (random accessmemory)→ A memória RAM contém bytes de informação e omicroprocessador pode ler ou escrever nestes bytes,dependendo da linha de comando utilizada: RD ou WR→ Um dos problemas dos chips RAM é que eles esquecemtudo uma vez que a energia é desligadaROM - memória apenas para leitura (read-only memory)→ É programada de modo permanente→ Ex: BIOS do computadorCache – memória de acesso rápido que atua comointermediária entre a memória RAM e o processador
  33. 33. Placa-mãe
  34. 34. Execução de instrução Durante sua operação, a execução de um programa é uma sequência de ciclos de máquina Von Neumann, compostos por:● 1. Busca da instrução (fetch): transfere instrução da posição de memória apontada por PC para a CPU – Busca e decodificação● 2. Execução da instrução: a unidade de controle decodifica a instrução e gerencia os passos para sua execução pela ALU – Execução e armazenamento dos resultados
  35. 35. Hardware de E/S● Um dispositivo se comunica com o computador enviando sinais por um meio (cabo ou ar)● A comunicação se dá por meio de um ponto de conexão (porta) → Ex: porta serial, porta paralela● Barramento: conjunto de fios e um protocolo rigidamente definido que especifica um conjunto de mensagens – A transmissão de dados é feita por padrões de voltagens elétricas aplicadas aos fios com tempos definidos – Ex: da memória RAM para o disco rígido (HD)
  36. 36. Hardware E/S Dispositivos são os meios pelos quais o usuário interage com a máquina● Dispositivos de interface: interface – Entrada: ● Teclado, mouse, caneta ótica, scanner, microfone, monitor touch-screen, câmera – Saída: ● Impressora, fax, plotter, monitor – Entrada/Saída: ● Modem, placa de rede● Dispositivos de memória: memória RAM, disco, fita, pen drive, CD, DVD, SD, flash memory
  37. 37. Hardware E/SComunicação entre o SO e os dispositivos →barramento, controladora, porta
  38. 38. Hardware E/SControladora: é uma coleção de circuitoseletrônicos que podem operar uma porta, umbarramento ou um dispositivo – Tem como funções: controle e temporização, comunicação com o processador, comunicação com os dispositivos, armazenamento temporários de dados, e detecção de erros – Tem um ou mais registros de dados (registro data-in e registro data-out) e sinais de controle (registro status e registro control)
  39. 39. Hardware E/SControladora – Recebem as requisições do SO e disponibilizam um meio de comunicação mais simples com os dispositivos
  40. 40. Saiba mais: www.hardware.com.br/dicas/corrida-dos-barramentos.html Hardware E/S Barramento: conjunto de fios condutores para interconexão, que possui um protocolo (regra de comunicação), que define quais dados podem ser transmitidos – ISA ● 8 bits no IBM PC ● 16 bits (5-8 Mb/s) no AT-286 – PCI ● 32 bits (132 Mb/s) → 64 bits (512 Mb/s) ● Plug-and-Play ● Bus mastering: permite aos dispositivos ler e gravar na memória RAM, sem interferência do SO
  41. 41. Hardware E/S Porta: consiste de 4 registradores(1) entrada de dados: lido pela CPU para obterentrada(2) saída de dados: lido pela CPU para enviarsaída(3) status: bits que indicam se o comando foicompletado, se há dado disponível para leituraou se houve erro(4) controle: escrito pela CPU para solicitaruma requisição ou alterar o modo de umdispositivo
  42. 42. Saiba mais: www.hardware.com.br/artigos/evolucao-portas Hardware E/S Porta - tipos – Serial (RS-232 ou DB9): os bits são transferidos em fila. Utiliza 9 fios (pinos) para a transferência de dados – Paralela (DB25): os bits são transferidos em grupos (geralmente um byte) por vez, através de diversas linhas condutoras de sinais
  43. 43. Hardware E/SPorta - tipos – USB (Universal Serial Bus) → um padrão ● Aceita ligação de até 127 dispositivos através de uma única porta, usando um Hub ● Plug-and-Play
  44. 44. Hardware E/S Conectores● É um dispositivo que efetua a ligação entre uma porta de saída de um determinado equipamento e a porta de entrada de outro (por exemplo, entre um computador e um periférico)● Existem conectores machos e conectores fêmeas● Existem também vários tipos diferentes de conectores: DB-9, DB-25, DIN, mini-DIN, VGA, SVGA, RCA, S-Vídeo, HDMI, etc.● Atualmente, os conectores estão começando a serem substituídos pela tecnologia wireless (Wi-fi)
  45. 45. Hardware E/S Conectores - tipos – DB (9 ou 25 pinos) É um tipo comum de conector, usado principalmente em computadores ● Destinado a comunicações seriais ● Foram inventados pela Canon ● Originalmente, DB se referia exclusivamente ao conector D (por conta do formato) com 25 pinos, porém a IBM acabou popularizando o conector de 9 pinos como DB-9, ao invés de DE-9Saiba mais: http://informatica.hsw.uol.com.br/portas-seriais2.htm
  46. 46. Hardware E/SConectores - tipos – VGA ● Padrão gráfico ● 256KBytes de memória de vídeo em RAM ● Modos de 16 e de 256 cores ● Paleta de 262144 cores (2^18: seis bits [64 valores] para cada uma das componentes de vermelho, verde e azul) ● Resolução máxima de 800 x 600 pixels ● SVGA é sua evolução ● Está presente nos monitores CRT, TV LCD, TV de Plasma e projetores multimídia
  47. 47. Hardware E/SConectores - tipos – DIN ● Eram inicialmente utilizados para conexão entre equipamentos de áudio de origem européia (Philips, Grundig e Telefunken, entre outros) ● São utilizados atualmente em periféricos de legado da plataforma IBM PC como teclados, mouses e periféricos de vídeo ● Existem diversas formas, com quantidade de pinos, tamanhos e cores diferentes que ajudam na identificação da função do equipamento que o utiliza
  48. 48. Hardware E/SConectores - tipos – RCA (Radio Corporation of America) ● São comumente utilizados em equipamentos eletrônicos ● Foram idealizados visando minimizar a interferência em sinais de pequena amplitude ● Plugues e soquetes no equipamento tem cores convencionalmente codificadas para auxiliar as conexões corretas
  49. 49. Hardware E/SConectores - tipos – S-Vídeo ● Utilizado para conectar TV, DVD players, videocassetes e vídeo-games ● É limitado a uma distancia maior que 5 metros ● Transmite áudio e vídeo
  50. 50. Hardware E/SConectores - tipos – HDMI (High-Definition Multimedia Interface) ● Interface condutiva digital de áudio e vídeo capaz de transmitir dados não comprimidos ● Suporta através de um único cabo qualquer formato de vídeo TV ou PC, incluindo os modo Standard, Enhanced, e Alta Definição e até 8 canais de áudio digital ● É compatível com o High-bandwidth Digital Content Protection (HDCP), que é um sistema anti-pirataria
  51. 51. Interface de E/SCaracterísticas dos dispositivos de I/O● Fluxo de caracteres ou bloco: a transferência de dados em fluxo de caracteres é bit a bit; o outro transfere em blocos● Acesso sequencial ou aleatório● Síncrono ou assíncrono: a transferência de dados é feita com tempos de resposta previsíveis ou não● Compartilhável ou dedicado: há partilha concorrente por vários processos ou não● Velocidade de operação: vai de alguns bytes/s a Gb/s● Leitura/escrita, somente leitura ou somente escrita
  52. 52. Interface de E/S● Dispositivos de bloco – Ex: discos rígidos, pen drive, CD, DVD, SD, disquete – Comandos básicos: read(), write() e seek() – Modos de acesso: ● Acesso de alto nível através de interface de sistemas de arquivos ● Acesso de baixo nível através de array linear de blocos ● Acesso a memory-mapped files colocadas no topo do block-device drivers. Uma memory-mapped interface fornece acesso ao disco através de um array de bytes em memória principal
  53. 53. Interface de E/S● Dispositivos de caracter (stream character) – Ex: teclado, mouse, caneta ótica – Comandos básicos: get(), put() – No topo da interface, é possível construir bibliotecas para edição de linhas ● p.ex: eliminar um caracter do input stream através do backspace
  54. 54. Interface de E/S● Dispositivos de rede – Ex: modem, placa de rede – Tem interface bem diferentes da read- write-seek dos discos – Unix e Windows NT/9i/2000 usam interface de sockets ● Há separação entre o protocolo da rede e o funcionamento da rede ● Inclui a funcionalidade select para manipular conjunto de sockets
  55. 55. Para refletir... Qual a influência que cada dispositivo mais comumente utilizado temna performance do sistema computacional?Como seria a configuração ideal para um PC de usuário? E para um servidor de aplicações?
  56. 56. Referências● SILBERSCHATZ, A.; GALVIN, P.; GAGNE, G. Sistemas operacionais com Java. Tradução de Daniel Vieira. Revisão técnica de Sérgio Guedes de Souza. 7. ed. Revista e ampliada. Rio de Janeiro: Elsevier, 2008. Cap. 13● TANENBAWN, A. Sistemas operacionais Modernos. Tradução de Nery Machado Filho. Rio de Janeiro: Prentice Hall, 1995. Cap. 5

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