Este documento fornece um resumo introdutório sobre arquitetura de computadores e sistemas operacionais. Ele discute conceitos-chave como arquitetura, organização, abstração e estrutura e função de computadores. Também apresenta brevemente a evolução histórica das gerações de computadores desde as máquinas da 1a geração baseadas em válvulas até as atuais arquiteturas x86 e ARM.

1. Introdução à
Arquitetura de
Computadores e Sistemas
Operacionais

2. INTRODUÇÃO
2

3. Arquitetura de
computadores
● O termo arquitetura significa:
– Arte de projetar e construir edifícios
– Contextura
– Forma, estrutura
●Na computação o termo foi adaptado para
denominar a técnica (e talvez a arte também) de
projetar e construir computadores

4. Arquitetura de
computadores
 A Arquitetura de Computadores, como área de
estudo, aborda:
– Conceitos, componentes e interconexões
 da organização interna de u m computador
– Visão crítica quanto à sua estrutura e
 desempenho .
– Arquiteturas dos processadores, memórias
e
 dispositivos d e entrada e s a í d a
– Entendimento do funcionamento da
arquitetura quanto à execução de programas.

5. Arquitetura e organização de
computadores
Prof. Mauro Jansen
●Tanto a arquitetura e organização referem-se a
elementos da concepção e construção dos
computadores, porém
– A arquitetura está mais visível ao usuário
ou programador
– A organização está mais relacionada
detalhes do hardware menos comuns ao
usuário ou programador

6. Arquitetura de
computadores
• Refere-se a atributos de um sistema
visíveis a um programador ou que possuem
um impacto direto sobre a execução lógica
de um programa
• Exemplos de atributos arquiteturais:
– conjunto de instruções
– número de bits usados para representar
diversos tipos de dados (por exemplo, números,
caracteres)
– mecanismos de E/S e técnicas para
endereçamento de memória
6

7. Organização de
computadores
• Refere-se às unidades operacionais e
suas interconexões que realizam as
especificações arquiteturais.
• Exemplos de atributos
organizacionais:
– Detalhes do hardware ocultos ao
programador, como sinais de controle,
interfaces entre o computador e
periféricos e a tecnologia de memória
utilizada.

8. Arquitetura e organização
de computadores
• Muitos fabricantes de computadores
oferecem uma família de modelos de
computador, todos com a mesma
arquitetura, mas com diferenças na
organização.
• Os diferentes modelos na família têm
diferentes características de preço e
desempenho

9. Abstração: entendendo o
complicado
•A abstração é uma operação mental que, ao
estudar um objeto, nos permite concentrar-
nos em detalhes mais gerais / importantes e
ocultar detalhes mais específicos
•Do latim “abstracione”, que significa
“separação”
•Em outras palavras, abstrair é simplificar

10. Exemplo de aplicação do
conceito de abstração
● Para usar um carro é necessário conhecer
todos os detalhes internos de construção do
carro (motor, injeção eletrônica, velas,
válvula, pistão, etc.) ? ?

11. Níveis de abstração de
hardware
Prof. Mauro Jansen
Processador
ULA, registradores
Portas lógicas
Circuitos eletrônicos
Molécula, átomo
Computador
D a,
ispositivos de Entrad
Saìda e E/S
Proces-
sador, Memòria, etc
Placa mãe, chipset,
barramentos
Molécula, átomo
x
COMPLEXIDADE
COMPLEXIDADE
AC, X, Y
-
+
-
+
NÍVEL 4
NÍVEL 3
NÍVEL 2
NÍVEL 1
NÍVEL 0
NÍVEL 4
NÍVEL 3
NÍVEL 2
NÍVEL 1
NÍVEL 0

12. Estrutura e função
● Um computador é um sistema complexo e
hierárquico
● Sistema hierárquico: conjunto de
subsistemas inter-relacionados composto
de vários níveis, do mais especializado até
algum nível mais baixo e elementar
● Em cada nível, temos uma estrutura e uma
função

13. Estrutura e função
● Estrutura: o modo como os componentes
são inter-relacionados
● Função: a operação (papel) individual de
cada componente na estrutura
Ao analisar o computador a melhor abordagem é a
top-down (Weinberg, 1975) : começar de uma
visão mais alta e decompor em sub-partes

14. Estrutura
● A estrutura interna do computador é composta por:
●
●
●
●
Unidade Central de Processamento (UCP ou
processador): controla a operação do
computador e realiza suas funções de
processamento de dados
Memória principal: armazena dados
E/S: Move dados entre o computador e o
ambiente externo
Interconexão do sistema: mecanismo que
define a comunicação entre a CPU, memória
principal e E/S. Ex: barramento do sistema

15. Estrutura (e decomposição)
Barramento
D
o
sistema
Entrada /
Saída (ES)
Memória
CPU
CO M PUTAD OR
Barramento
interno
Unidade Aritmético
Lógica (ULA)
Unidade
de Controle (UC)
Registradores
CPU
Lógica de
sequenciação
Registradores e
decodificadoers
Memória de
controle
UNIDADE DE
CONTROLE
Nível
de
abstração

16. Função
● Processamento de dados
● Armazenamento de dados
● Movimentação de dados
● Controle
Movimentar
Dados
Mecanismo
De controle
Armazenar
Dados
Processar
Dados
Ambiente
Operacional
(origem e
Destino de
dados)
A curto
e longo prazo

17. Movimentação de dados
● Entre o computador e o mundo exterior, a partir
dos dispositivos de entrada ou saída
● Tipos de movimentação de dados:
● Entrada e Saída (E/S): quando os dados são
recebidos ou entregues a um dispositivo
conectado diretamente ao computador
(periférico)
● Comunicação de dados: quando os dados são
movimentados por distâncias maiores, de ou
para um dispositivo remoto

18. Controle
 Quem fornece instruções ao
computador Pela Unidade de Controle
(UC), que gerencia
 os recursos do computador e
coordena o desempenho de suas
partes funcionais em relação a essas
instruções
● Consiste no controle das 3 funções
(processamento, armazenamento e
movimentação de dados)
● É exercido por:
●
●

19. HISTÓRICO

20. Gerações do computador e a
evolução da tecnologia
eletrônica
20
1ª: Relé e válvula
(1937-1953)
2ª: Transistor
(1954-1962)
3ª: Circuito
Integrado e
computadore
s pessoais
(1963-1972)
4ª:
M icroprocessad
or

21. Computadores da 1ª geração:
válvulas
ENIAC (Electronic Numerical And Computer) – Univ. Pensilvânia
(1943-1955). Operava sobre números decimais

22. Conceito de programa
armazenado
•Consiste em adotar soluções que permitam
representar e armazenar o programa na
memória, junto com os dados
•Ideia atribuída a von Neumann e Alan Turing
•Até o ENIAC, a programação era feita através
de chaves e cabos
•Começou a ser adotada a partir do EDVAC
(1945)

23. Prof. Mauro Jansen
Computadores da 1ª geração:
IAS – protótipo de todos os
computadores de uso geral
-Princeton Institute for Advanced
Studies (1945 a 1952) –
- Propósito geral
- Programa armazenado
válvulas
EDVAC (Electronic Discrete
Variable Computer) – 1945 –
matemático John von
Neumann

24. Computadores da 1ª
geração:
válvulas
UNIVAC I (Universal Automatic
Computer) – década de 1950
– parceria Eckert-Mauchly e Sperry-
Rand
– 1º computador comercial de
sucesso
- Propósito geral
-Programa armazenado em fita
magnética
- Depois: UNIVAC II e série 1100
I B M série 700
- 701: aplicações científicas (1953)
- 702: aplicações comerciais (1955)

25. Estrutura do computador IAS
(a máquina de von Neumann)
Modelo passou a ser chamado “Arquitetura de
von Neumann”

26. Estrutura do computador IAS
(a máquina de von Neumann)
•Memória principal (M): armazena dados e
instruções
•Unidade lógica e aritmética (ULA ou CA –
Central Arithmetic): opera sobre dados binários
•Unidade de controle (UC ou CC – Central
Control): interpreta as instruções na memória e faz
com que sejam executadas
•Equipamento de entrada e saída (E/S ou I/O -
Input/Output): operado pela unidade de controle

27. Proposta inicial de von
Newmann para o computador
1) Terá que realizar as operações elementares da aritmética e
deve ter uma unidade especializada para isso (CA – Central
Arithmetic)
2)Deve ter um órgão de controle central para fazer a
sequenciação apropriada das suas operações (CC – Central
Control)
3) Precisa ter uma memória considerável (M - Memory) e um
meio de gravação exterior do dispositivo (R - Recording)
4) Precisa ter unidades para transferir informações de R para
suas partes específicas C e M ( I – Input)
5) Precisa ter unidades para transferir informações de suas
partes específicas C e M para R ( O – Input)

28. Estrutura do computador
IAS (nível mais
detalhado)
Prof. Mauro Jansen

29. Estrutura do computador
IAS (nível mais detalhado)
Prof. Mauro Jansen
• Registrador de buffer de memória (MBR - Memory Buffer
Register): guarda uma palavra a ser transferida entre a ULA
e a memória ou E/S
•Registrador de endereço de memória (MAR – Memory
Address Register): especifica o endereço de memória da
palavra a ser escrita ou lida no MBR
•Registrador de instrução (IR – Instruction Register): opcode
de 8 bits da instrução que está sendo executada
•Registrador de buffer de instrução (IBR – Instruction
Buffer Register): Mantém temporariamente a próxima
instrução a ser executada
•Contador de programa (PC – Program Counter): contém o
endereço do próximo par de instruções a ser apanhado da
memória

30. Computadores da 2ª geração:
transistor
•Empresas de destaque:
• Bell Laboratorios (1947): invenção
do transistor
• IBM, NCR, RCA, DEC (Digital
Equipment Corporation)
•Maior processamento, quantidade de
memória e tamanho menor
•ULA e UC mais complexas
•Uso de linguagens de programação de alto
nível

31. Computadores da 2ª
geração:
transistor DEC PDP-1 (1957)
- 2.700 transistores e 3.000 diodos
-Primeiro jogo de computador:
Spacewar (Steve Russel)
-Usava leitor / escritor de fita
perfurada como dispositivo de
entrada e saída
Fonte: http://history-computer.com
Fonte: https://erealityhome.wordpress.com

32. Computadores da 2ª geração:
transistor
I B M 7094 (1962)
- 32K palavras de memória
- 185 opcodes

33. Arquiteturas RISC e CISC
Prof. Mauro Jansen
• CISC (Complex Instruction Set Computing):
Computador com um Conjunto Complexo de
Instruções. Usada em processadores Intel e AMD;
suporta mais instruções no entanto, com isso,
mais lenta fica a execução dela
•A RISC (em inglês: Reduced Instruction Set
Computing, Computador com um Conjunto
Reduzido de Instruções) usada em processadores
PowerPC (da Apple, Motorola e IBM) e SPARC
(SUN); suporta menos instruções, e com isso
executa com mais rapidez o conjunto de
instruções que são combinadas.

34. Arquiteturas (famílias de
computadores) Intel x86 e A R M
•Intel x86:
• Arquitetura usada para sistemas
não embarcados.
• Conjunto de instruções
complexo (CISC) com alguns
recursos RISC
• Membros recentes usam princípios
de projeto superescalar e multicore

35. Arquiteturas (famílias de
computadores) Intel x86 e
A R M
•ARM:
• Arquitetura voltada para
sistemas embarcados, móveis e
IoT
• Conjunto reduzido de instruções (RISC)
• Processador mais utilizado em
telefones celulares, tablets,
equipamentos de sensores remotos,
etc.
• Membros recentes usam princípios
de projeto superescalar e multicore

36. Arquitetura Intel x86
● x86 ou 80x86 é o nome genérico dado à
família (arquitetura) de processadores
baseados no Intel 8086
● Recebe esse nome porque os primeiros
processadores eram identificados por
números terminados com a sequência
“86”: 8086, 80186, 80286, 80386, 80486

37. Evolução da família x86:
8080 (1974)
● 1º microprocessador de uso geral do mundo
● 8 bits
● Usado no 1º computador pessoal: o Altair
Intel 8080
Fonte: novaeletronica.com.br Altair: 1º computador pessoal
Fonte: mcluhangalaxy.wordpress.com

38. Evolução da família x86:
8086, 8088, 80286 (1978-
1982)
● 8086: Primeiro aparecimento da família x86
● 16 bits e cache de instruções
● Usado no primeiro computador pessoal da IBM, o IBM-PC
● 80286: aumenta endereçamento de memória de 1M p/ 16MB
Intel 8088
Fonte: lowendmac.com
IBM-PC
Fone: wikipedia.org

39. Evolução da família x86:
80386 (1985 a 1988)
● 1º processador com 32 bits da Intel: complexidade e potência
competitiva com minicomputadores mainframes
●
Reformulação geral do produto
● 1º processador Intel Multitarefa (vários programas ao mesmo
tempo)
● Versões: 386, 386DX, 386SX

40. Evolução da família x86:
80486 (1989-1991)
● Introduziu a tecnologia de uso de
cache e pipeline
● Trouxe co-processador matemático
embutido
Prof. Mauro Jansen

41. Evolução da família x86:
Pentium (1993-2000)
● Tecnologia MMX da Intel: processamento
eficiente de dados de vídeo, áudio e gráficos
● Instruções adicionais de ponto flutuante para
suporte a software de gráficos 3D
● Versões: Pentium, Pentium Pro, II, III e IV

42. Evolução da família x86:
Core (1993-2008)
● 1º processador com dois núcleos
● Modelos: Core, Core 2, Core 2 Quad,
Core i3, Core i5, Core i7

43. Resumo da família x86

44. Resumo da família x86

45. Sistemas embarcados
•Sistema Embarcado: combinação de hardware
e software de computador e talvez de partes
mecânicas, dentro de um produto com funções
específicas, ao contrário de um computador de
uso geral como um laptop ou desktop
•Exemplos:
•
•
•
•
Sistemas automotivos (injeção eletrônica, freios, etc)
Eletrônicos (TVs, brinquedos/jogos, smartphones,
GPS, etc)
Automação industrial
Médico (monitor cardíaco, monitoramento em UTI,
etc.)

46. Família A R M
•ARM é uma família de microprocessadores e
microcontroladores baseados em RISC
projetados pela ARM Inc, Cambridge,
Inglaterra
•.Originado da empresa Acom Computers, que
criou o primeiro processador RISC comercial: o
Acom RISC Machine (ARM)
• Características:
• Alta velocidade
• Pequeno tamanho
• Baixo consumo de energia
Prof
•
. M auro Jansen

47. Evolução da família A R M
Versões Observações Velocidade
ARM1, ARM2, ARM3,
ARM6, ARM7
RISC 32 bits,
processador gráfico e de
E/S, SoC integrado
12 MHz a 60 MHz
ARM8, ARM9, ARM9E,
ARM10E, ARM11
Pipeline de 5 estágios,
instruções DSP
mlhoradas,
72 a 665 MHz
Cortex Pipeline superescalar de
13 estágios
>= 1GHz
XScale >= 1,25 GHz

48. Onde a família A R M
está presente
Raspberry pi 3 B
Asus Tinker Board ODROID XU4
Smartphones Tablets