Módulo 9 - Arquitetura dos microprocessadores Revisão da matéria sobre arquitetura de computadores. Início da realização de exercício prático sobre as famílias lógicas dos microprocessadores.

1. LUIS FERREIRA (WEBMASTER@LANAPT.COM)

2. TÉCNICO DE GESTÃO DE
EQUIPAMENTOS INFORMÁTICOS

3. INTRODUÇÃO
MÓDULO 9 - Arquitetura de Computadores
Duração de Referência: 22 horas ( 26,4 aulas de 50 minutos)
1. Apresentação
Neste módulo, é efetuada uma abordagem à forma de organização e
funcionamento das arquiteturas de computadores, ao nível da realização e
operação interna dos componentes do computador, para o
processamento, armazenamento em memória e ações de entrada e saída da
informação.
Deverão ser adquiridos conhecimentos teóricos e práticos, estes últimos através
da realização de trabalhos laboratoriais sobre a arquitetura de
computadores, baseados nos processadores de um PC.

4. OBJETIVOS DE APRENDIZAGEM
Identificar as principais famílias lógicas.
Conhecer as principais tipos de memória e suas células básicas.
Avaliar a arquitetura interna de um sistema de um PC.
Conhecer os diversos tipos de barramentos existentes num PC.
Conhecer a organização e gestão de memória Principal num PC.

5. ÂMBITO DOS CONTEÚDOS
1. Principais tipos de memória e identificação das suas células básicas constituintes.
2. Introdução histórica aos computadores desde os ábacos e calculadores mecânicos até
aos nossos dias. Identificar as principais tendências atuais nomeadamente a nível de
comprimento de instruções, estrutura de execução, etc.
3. Descrição histórica da evolução do computador PC compatível, salientando as várias
evoluções fundamentais desde a placa original até às placas atuais. Identificar quais
as principais unidades constituintes e principais evoluções.
4. Introdução ao conceito de barramento (bus). Descrição e caracterização dos principais
tipos de barramentos usados nos PCs.

6. ÂMBITO DOS CONTEÚDOS
5. Vários tipos de memória usada num PC (DRAM,SRAM para as caches, VRAM e
WRAM para as memórias de vídeo, EEPROMs, etc.).
6. Organização dos bancos de memória de "cache" num PC e comunicação com o PC.
7. Organização dos bancos de memória de DRAM num PC.
8. Evolução histórica da interface vídeo num PC compatível.
9. Interface com o disco rígido e periféricos.

7. BIBLIOGRAFIA / RECURSOS
GOUVEIA, José; MAGALHÃES, Alberto, Curso Técnico de Hardware. Lisboa: FCA, 2002.
RODRIGUES, Pimenta; ARAÚJO, Mário, Projeto de Sistemas Digitais, 2ª ed.. Lisboa: Editorial Presença, sd.
SAMPAIO, A., Hardware para profissionais. Lisboa: FCA, sd.
SAMPAIO, A., Microcomputadores: Circuitos Internos e Programação. Queluz: Edições EPGE, 1993
Recursos:
Laboratório de eletrónica (hardware)
Laboratório de informática (software)
Biblioteca
Retro/Vídeo Projetor

8. CRITÉRIOS DE AVALIAÇÃO

9. Aulas módulo 9
03-01-2013* – Início da Ficha de Trabalho 2
07-01-2013 *– Entrega/Apresentação da Ficha de Trabalho 2
10-01-2013* - Início da Ficha de trabalho 1
14-01-2013 – Entrega/Apresentação da Ficha de Trabalho1 e Realização do
Teste de Avaliação (Fim do Módulo)
*Lecionação da matéria curricular e apoio aos trabalhos

10. AULA 55-77
 Conceitos Introdutórios
 Máquina Multinível
 Evolução dos Equipamentos
 Padrão de Von Neumann
 Evolução dos processadores
 Evolução dos Processadores
 Evolução das placas mãe (motherboards)
 Fontes de Alimentação
Exercício prático – Evolução dos Computadores (Ficha de Trabalho 1)

11. AULA 78-80
Sumário
Módulo 9 – Arquitetura dos microprocessadores
Revisão da matéria dada no módulo 9.
Início da realização da Ficha de trabalho 2 sobre as famílias lógicas dos
microprocessadores.

12. INTRODUÇÃO ÀS ARQUITETURAS
Porquê desenvolver as máquinas dividindo-as em níveis ou camadas?
 Para aproximar o utilizador do sistema informático
 Quanto mais camadas tiver uma arquitetura, mais próxima da linguagem do
utilizador estará a linguagem de alto nível deste computador.

13. Nível 0 – Lógica digital
 Trabalho desenvolvido por:
 Engenheiros Eletrónicos e
 computação
 O que se faz:
 São determinados os componentes eletrónicos dos circuitos que vão compor
as portas lógicas e demais circuitos digitais.

18. EVOLUÇÃO DA INFORMÁTICA
Precursores da Informática
Geração 0 - Computadores Mecânicos
Geração 1 - Computadores a Válvulas
Geração 2 - Computadores Transístores
Geração 3 - Circuitos Integrados

19. EVOLUÇÃO DOS EQUIPAMENTOS
Ábaco
Pascalina

20. EVOLUÇÃO DOS EQUIPAMENTOS

21. EVOLUÇÃO DOS EQUIPAMENTOS

22. PASCALINE
Blaise Pascal inventou, em 1642, a primeira calculadora mecânica para adições. Foi
o primeiro aparelho mecânico dotado da capacidade de processar dados.
A Pascaline era uma caixa com rodas e engrenagens da qual ele construiu mais de
50 versões ao longo de uma década. O operador introduzia os algarismos a serem
somados, discando os numa série de rodas dentadas, com algarismos de zero a
nove, impressos de maneira a que os números a serem somados ficassem expostos
num mostrador. Cada roda representava uma determinada coluna decimal ±
unidades, dezenas, centenas e assim por diante.

23. PASCALINE
http://youtu.be/3h71HAJWnVU
Quando uma roda ao completava uma volta, avançava em um dígito a roda à sua
esquerda, de ordem decimal mais alta.
A máquina também executava outras operações por meio de um incómodo sistema
de adições repetitivas.

24. MÁQUINA DE CALCULAR
Gottfried Wilhelm Leibniz nasceu em 1646 na Alemanha, numa família de eruditos e
funcionários do Governo, e inventou em 1672, com base na calculadora de
Pascal, uma máquina de calcular capaz de multiplicar, dividir e extrair raízes
quadradas. Esta máquina surgiu para implementar um método mecânico para avaliar
as intermináveis tarefas de cálculo dos astrónomos.

25. MÁQUINA DE CALCULAR
A sua máquina distinguia-se por possuir três elementos significativos:
A porção aditiva era, essencialmente, idêntica à da Pascaline, mas Leibniz incluiu um
componente móvel (precursor do carro móvel das posteriores calculadoras de mesa)
e uma manivela manual, que ficava ao lado e acionava uma roda.
Este mecanismo funcionava, com o componente móvel, para acelerar as adições
repetitivas envolvidas nas operações de multiplicação e divisão.
A própria repetição tornava-se automatizada.

26. MÁQUINA DE CALCULAR
Leibniz considerado um pioneiro no desenvolvimento da lógica matemática.
http://youtu.be/1zvDGRdOuYI

27. TEAR DE JACQUARD
Cartões perfurados (1801):
Joseph-Marie Jacquard foi o inventor francês que desenvolveu o tear de Jacquard, um
tear completamente automatizado que conseguia “tecer” padrões bastante
complexos.
Jacquard iniciou a construção desta máquina em 1790, mas só em1801, após a
Revolução Francesa, é que a conseguiu terminar. Este tear era programado por
uma série de cartões perfurados, cada um deles controlando um único
movimento da lançadeira. Para produzir um novo padrão, o operador
simplesmente substituía um conjunto de cartões por outro.

28. TEAR DE JACQUARD
Esta máquina continha com muita clareza todo o processo de entrada
processamento saída, com o processamento a ser realizado de acordo com as
instruções contidas em cartões perfurados.
Os cartões perfurados, estavam destinados a produzir o seu maior impacto na
posterior programação de computadores.

30. FAMÍLIAS LÓGICAS
O desenvolvimento da tecnologia dos
circuitos integrados, possibilitando a
colocação num único invólucro de diversos
componentes já interligados, veio permitir um
desenvolvimento muito rápido da eletrônica
digital e consequentemente do projeto de
sistemas digitais.

31. FAMÍLIAS LÓGICAS
Foi criada uma série de circuitos integrados que continham numa única pastilha as
funções lógicas digitais mais usadas e de tal maneira projetadas que todas eram
compatíveis entre si a partir das quais os projetistas tiveram facilidade em encontrar
todos os blocos para montar seus sistemas digitais.
http://youtu.be/J8ZPIDNaijs http://youtu.be/VBDoT8o4q00

32. FAMÍLIAS LÓGICAS
Estas séries de circuitos integrados formaram então as famílias lógicas ou famílias
digitais que consistem em um grupo de dispositivos compatíveis com os mesmos
níveis lógicos e tensões de alimentação, por isso você pode conectar diretamente a
saída de um dispositivo na entrada de outro se ambos forem da mesma família
digital.
Circuito NOT TTL Circuito Equivalente CMOS

33. FAMÍLIAS LÓGICAS
Em virtude da massificação do uso de CIs, torna-se necessário conhecer as características
gerais desses circuitos e de algumas das famílias lógicas mais populares. Uma vez
entendidas tais características, a preparação dos projetos de circuitos digitais é melhorada.
Para se conectar dispositivos de famílias diferentes, geralmente há a necessidade de uma
interface entre ambas.
As famílias lógicas mais comuns podem ser classificadas como:
RTL - Lógica resistor-transístor (obsoleta);
DTL - Lógica diodo-transistor (obsoleta);
DCTL (direct-coupled transistor logic) - Lógica transístor acoplamento direto;
TTL - Lógica transistor-transistor (mais popular);
ECL - Lógica emissor-acoplado;
MOS - Metal Oxide Semiconductor:
PMOS - Lógica MOSFETs de canal-p (obsoleta);
NMOS - Lógica MOSFETs de canal-n
CMOS - Lógica MOSFETs Complementares;

34. FAMÍLIAS LÓGICAS

35. Encapsulamentos mais comuns para CIs:
(a) DIP (dual-in-line package) de 24 pinos;
(b) envoltório de cerâmica flexível de 14 pinos;
(c) envoltório montado sobre a superfície (surface-mount).
O envoltório de cerâmica flexível é uma embalagem hermeticamente fechada construída
com uma cerâmica não-condutora, o que torna o chip totalmente imune aos efeitos da
humidade.
Estes envoltórios são usados em circuitos destinados a aplicações militares, que devem
funcionar em condições ambientais extremas, totalmente desfavoráveis.
O envoltório montado na superfície é a técnica de encapsulamento mais moderna, é muito
similar ao DIP, exceto pelo fato de seus pinos terminarem dobrados em ângulos retos, de
maneira a poderem ser soldados ou colados diretamente na superfície da placa de
circuito impresso. Em geral, são menores que os DIPs.
Os CIs montados na superfície também têm a vantagem poderem ser mais facilmente
manipulados pelos equipamentos automáticos de montagem de placas de circuito.

36. EVOLUÇÃO DOS EQUIPAMENTOS

37. PADRÃO VON NEUMMAN

38. PADRÃO VON NEUMMAN

39. PADRÃO VON NEWMMAN

40. PADRÃO VON NEUMMAN

41. PADRÃO VON NEUMMAN

42. EVOLUÇÃO DOS PROCESSADORES

43. EXERCÍCIOS PRÁTICOS

44. EVOLUÇÃO DOS PROCESSADORES

45. EVOLUÇÃO DOS PROCESSADORES

46. EVOLUÇÃO DOS PROCESSADORES

47. EVOLUÇÃO DOS PROCESSADORES

48. EVOLUÇÃO DOS PROCESSADORES

49. FONTES DE ALIMENTAÇÃO

50. FONTES DE ALIMENTAÇÃO

51. FONTES DE ALIMENTAÇÃO

52. FONTES DE ALIMENTAÇÃO

53. FONTE DE ALIMENTAÇÃO

54. FONTE DE ALIMENTAÇÃO

55. FONTE DE ALIMENTAÇÃO

67. BARRAMENTOS/BUS
4. Introdução ao conceito de barramento (bus).
Descrição e caracterização dos principais tipos de barramentos usados nos PCs.
O que é um barramento?
Praticamente todos os componentes de um computador, como
processadores, memórias, placas de vídeo e diversos outros, são conectados à
placa-mãe a partir do que chamamos de barramento.

68. BARRAMENTOS/BUS
O processador e os restantes dispositivos eletrónicos comunicam entre si através de canais
de comunicação aos quais se dá o nome de barramentos.
Existem três tipos (relativamente ao tipo de dados que neles circula) de barramentos no
interior do computador e que são:
Barramento de Dados - São os condutores por onde circulam os dados que o processador vai
buscar à memória RAM ou aos dispositivos de I/O.
Barramento de Endereços - O acesso aos dados que a CPU necessita é feito pelo envio dos
endereços das posições de memória ou de dispositivos de I/O onde eles se encontram. Esses
endereços circulam neste barramento.
Barramento de Controlo - Existem sinais elétricos que controlam os dispositivos eletrónicos
para que o sistema possa ler/escrever os dados. Esses sinais viajam neste barramento.

69. BARRAMENTOS/BUS
Os barramentos são conjuntos de sinais digitais com os quais o processador comunica com o seu
exterior. Esses sinais podem ser combinados de várias formas, dependendo da finalidade.
Os barramentos mais comuns são:
Barramento local - Faz a conexão entre processador e memória.
Barramento ISA – Usado pelos slots de 8 e 16 bits e alguns interfaces da motherboard
(série, paralela, interface para drives, alto falante).
Barramento PCI – Usado pelos slots PCI, interfaces IDE e USB.
Barramento AGP – Usado para placas de vídeo 3D de alto desempenho.
Placas de expansão e slots ISA de 8 e de 16 bits.

70. ISA
O barramento ISA (Industry Standard Architecture) é formado pelos slots de 8 e 16
bits existentes nas motherboards, além de alguns dos seus circuitos internos. É
originário do IBM PC, na versão de 8 bits, e foi posteriormente aperfeiçoado no IBM
PC AT, chegando à versão de 16 bits.
Possui as seguintes características:
 Transferências em grupos de 8 ou 16 bits
 Clock de 8 MHz
http://pt.wikipedia.org/wiki/ISA

71. ISA
As placas de expansão ISA de 16 bits (ex.: placas de som) devem ser conectadas em
slots ISA de 16 bits, mas as placas de expansão ISA de 8 bits (ex.: placas
fax/modem) podem ser conectadas, tanto em slots de 8, como de 16 bits.

72. ISA
Apesar de ser considerado lento para os padrões atuais, o barramento ISA ainda é muito
utilizado.
Mesmo as mais modernas placas de CPU Pentium possuem 2, 3 ou 4 slots ISA de 16 bits, nos
quais podem ser conectados diversos tipos de placa, para os quais a sua velocidade é
satisfatória.
Por exemplo, as placas fax/modem, as placas de som e as placas de rede, entre diversas outras.

73. VLB - VESA LOCAL BUS
O slot VLB é uma extensão do slot ISA que permite que as placas de mesmo
barramento trabalhem em 32 bits (ISA de 16 bits + VLB). Este slot de expansão só
encontramos em placas mãe da geração do 80486, é como se fosse um slot de alto
desempenho da época. A frequência de operação, é igual ao FSB, ou seja, aqui sim
se o processador for de 40 MHz a frequência do slot será igual.
O VLB na época trabalhava em sincronismo com o processador, por este motivo o
desempenho de um computador 486 era ótimo.
Na figura abaixo temos uma placa de expansão de vídeo com barramento VLB

74. VLB
Como o VLB era uma extensão do ISA a largura da placa de expansão era comprida.
Só existiam 3 tipos de placas de expansão com barramento VLB: vídeo, rede e
controladora.
Na figura abaixo, temos 3 slots VLB (de cor marrom) juntamente com os slots ISA de
16 bits.

75. EISA – EXTENDED ISA
Barramento EISA

76. EISA
O barramento de 32 bits de dados EISA (Extended Industry Standard Architecture -
Arquitectura Padrão Industrial Estendido).
Este barramento foi feito especificamente de modo que placas para barramento ISA
possam nele ser conectadas, bem como novas placas com capacidade para 32 bits
de dados.

77. PCI
Ao desenvolver o microprocessador Pentium, a Intel criou também um novo
barramento, tão veloz quanto o VLB, porém muito mais versátil. Trata-se do barramento PCI
(Peripheral Component Interconnect).
Possui as seguintes características:
 Opera com 32 ou 64 bits
 Apresenta taxas de transferência de até 132 MB/s, com 32 bits
 Possui suporte para o padrão PnP (Plug and Play)
Apesar de poder operar com 32 ou 64 bits (os slots PCI de 64 bits são um pouco maiores
que os de 32), praticamente todas as motherboards modernas utilizam a versão de 32
bits. O clock, em geral, é de 33 MHz, mas dependendo do processador, pode ter clock de
30 ou 25 MHz.

78. PCI

79. PCI
As placas de expansão PCI possuem um recurso muito interessante, além da sua
elevada velocidade de transferência de dados. Trata-se da autoconfiguração obtida
com o padrão PnP (Plug and Play).
Estas placas são reconhecidas e configuradas automaticamente pela BIOS (todas as
motherboards equipadas com slots PCI possuem uma BIOS PnP) e pelo sistema
operativo, sem necessitarem que o utilizador posicione jumpers para realizar
manualmente a sua configuração, como ocorria com as placas de expansão até há
pouco tempo atrás.

80. PCI -E
De todos os slots de expansão mencionados até agora o PCI-e é o único que trabalha
com comunicação em série, todos os demais comunicam paralelamente.
A comunicação em série aparentemente parece ser mais lenta, mas muito pelo
contrário, é muito mais superior que em paralelo porque o sistema trabalha em altas
frequências.
http://www.socialbits.com.br/articles/168/desvendando-a-placa-mae-parte

81. PCI- E
Na figura abaixo temos uma placa mãe com 3 tipos de slots PCI-e, o primeiro de cima
é um PCI-e 16x, o seguinte é o PCI-e 1x e o último é o PCI-e 4x.
Para se der uma ideia, o PCI-e tem uma frequência padrão de 2500 MHz
(2.5 GHz em 1x) contra os 33 MHz do PCI tradicional.

82. 5. VÁRIOS TIPOS DE MEMÓRIA USADA NUM PC
(DRAM,SRAM para as caches, VRAM e WRAM para as memórias de
vídeo, EEPROMs, etc.).
http://interredes.forumeiros.com/t65-diferentes-tipos-de-memorias
(Trabalho prático)
6. Organização dos bancos de memória de "cache" num PC e comunicação com o PC.

83. 8. EVOLUÇÃO HISTÓRICA DA INTERFACE VÍDEO
NUM PC COMPATÍVEL.
8. Evolução histórica da interface vídeo num PC compatível.
http://en.wikipedia.org/wiki/Audio_and_video_interfaces_and_connectors#Interface
s

84. INTERFACE PLACAS DE VÍDEO
Placas de vídeo SVGA PCI e AGP.
Além da placa SVGA PCI, podemos utilizar outros tipos de placa, como por exemplo:
Placa de rede PCI
Digitalizadoras de vídeo PCI
Controladoras SCSI PCI
Placas de som PCI
Placas de modem PCI
AGP
Visando obter uma maior taxa de transferência entre a placa de CPU e a placa de vídeo
(obtendo assim gráficos com movimentos mais rápidos), a Intel desenvolveu um novo
barramento, próprio para comunicação com placas de vídeo especiais. Trata-se do AGP
(Accelerated Graphics Port).

85. AGP
A principal vantagem do AGP é o uso de maior quantidade de memória para
armazenamento de texturas para objetos tridimensionais, além da alta velocidade no
acesso a essas texturas para aplicação no ecrã.

86. 9. INTERFACE COM O DISCO RÍGIDO E
PERIFÉRICOS
http://en.wikipedia.org/wiki/Hard_disk_drive
http://www.adrc.com/interfaces.html
Most hard disks use the Parallel ATA (PATA), Serial ATA (SATA) or SCSI interfaces. SCSI drives have
traditionally been found on servers and high-performance workstations and were the first drives
used in fault-tolerant RAID systems. Today, ATA drives are widely used for RAID arrays.
Following are the major types, including older ones for comparison. Most hard disks use the run
length limited (RLL) encoding method; however, the encoding is not necessarily prescribed by the
interface. See IDE, PATA, SATA, SCSI, RAID, RLL and hard disk.
HARD DISK INTERFACES
Transfer Rate
(MB per Maximum
Type Encoding** sec) Capacity
SATA/IDE RLL 150-300 3TB
PATA/IDE RLL 3-133 1TB
SCSI RLL 5-320 300GB
SAS RLL 375-750 2TB

87. 9. INTERFACE COM O DISCO RÍGIDO E
PERIFÉRICOS
Capacity
Older Interfaces Range
IPI RLL 10-25MB 200MB-3GB
ESDI RLL 1-3MB 80MB-2GB
SMD RLL 1-4MB 200MB-2GB
IDE RLL 1-8MB 40MB-1GB
ST506 RLL RLL 937KB 30MB-200MB
ST506 MFM 625KB 5MB-100MB
http://www.pcmag.com/encyclopedia_term/0,1237,t=hard+disk+interfaces&i=4408
2,00.asp

88. AVALIAÇÃO E AUTOAVALIAÇÃO