Introdução a Computação 1

Introdução a Computação 1

Arquitetura básica Alguns Conceitos

  • Firmware: programação em hardware; programa ou dados de computador que são armazenados num chip de memória de hardware, como uma ROM, EPROM ou mais recentemente em memórias flash. Exemplos:

    • dispositivos eletrônicos diversos: forno de microondas (digital), iPod ou um celular. Todos eles mantêm o seu programa básico intacto, mesmo desligados por anos, assim sabem o que fazer quando ligados novamente.
  • Instrução: é uma operação específica que, quando em conjunto e em seqüência, formam um programa de máquina.

  • Chip : é o nome que se dá (em computação)aos circuitos integrados. Um circuito integrado é um conjunto de componentes eletrônicos moldado em uma única peça. Pode conter resistores, capacitores e transistores.

CPU – Central Process Unit Velocidade do Clock (Relógio)

  • A execução de uma instrução de máquina é feita em um ciclo de máquina.

  • Um ciclo de máquina é o tempo no qual um ciclo ocorre. Ele é medido em microssegundos ou picossegundos para os mais rápidos.

  • O tempo de ciclo de máquina pode ser medido em unidades de instruções executadas num segundo. Esta medida é chamada MIPS, (milhões de instruções por segundo).

CPU – Central Process Unit

  • Evolução dos Processadores Intel

  • Processadores Dual Core

A promessa dos Processadores Quânticos

  • A idéia de usar átomos para processar dados não é nova, existem pesquisas neste sentido desde o início da década de 80, mas eram apenas teorias vagas, que apenas atualmente começam a tomar forma.    

  • O por quê dos processadores Quânticos:   

    • Os processadores atuais têm uma limitação em comum: são compostos por transistores.
    • A solução para produzir chips cada vez mais rápidos tem sido diminuir cada vez mais o tamanho dos transistores que os compõe.
    • Os primeiros transistores, que surgiram na década de 60, eram mais ou menos do tamanho da cabeça de um fósforo, enquanto os atuais medem apenas 0.18 mícron (1 mícron = 0.001 milímetro).
    • Atualmente estamos nos aproximando dos limites físicos da matéria.

A promessa dos Processadores Quânticos Como funcionam

  • Os primeiros computadores quânticos foram desenvolvidos pela IBM (ela anunciou seu primeiro chip Quântico em 2000).

  • Ainda era um projeto bastante rudimentar, possuindo apenas 5 qubits, trabalhando a apenas 215 Hz.

  • Necessitava de um aparato gigantesco de equipamentos para funcionar, mas já mostrava que era possível produzir processadores Quânticos.

  • O segundo problema é como manipular os átomos que compõe o processador. Um átomo pode mudar de estado numa velocidade surpreendente, mas um átomo sozinho não tem como adivinhar quais estados queremos que ele assuma.

A promessa dos Processadores Quânticos Como funcionam

  • Para manipular átomos, precisamos usar partículas ainda menores que eles. A solução encontrada pelo projetistas da IBM foi usar radiação, num sistema semelhante à ressonância magnética, porém muito mais preciso.

  • Este sistema possui dois problemas:

    • O primeiro é o fato de ser muito caro: um aparelho destes não sai por menos de 5 milhões de dólares.
    • O segundo é o fato da técnica ser muito lenta, o que justifica o fato do protótipo da IBM operar a apenas 215 Hz, milhões de vezes mais lentamente que qualquer processador atual, que já estão na casa dos gigahertz.

Memória Conceituação

  • É um termo genérico usado para designar as partes do computador ou dos dispositivos periféricos onde os dados e programas são armazenados.

  • Sem uma memória onde os processadores podem ler e escrever informações, não haveria nenhum computador digital de programa armazenado.

  • A memória do computador pode ser dividida em duas categorias:

    • Principal: de acesso mais rápido, mas de capacidade mais restrita. Armazena informações temporariamente durante um processamento realizado pela UCP.
    • Secundária: de acesso mais lento, mas de capacidade bem maior. Armazena grande conjunto de dados que a memória principal não suporta.

Memória Características gerais

  • Algumas características podem ser usadas quando queremos avaliar o desempenho de um determinado dispositivo de memória.

  • 1- Densidade: número de bits armazenados por área física. Está relacionado à capacidade total de armazenamento.

  • 2- Velocidade: se refere à rapidez com que os dados podem ser acessados (lidos) ou armazenados (escritos).

  • 3- Potência: potência consumida ou dissipada pela memória.

  • 4- Custo: custo para armazenamento por bit, ou seja, o valor do semicondutor dividido pelo número de bits que pode armazenar.

Memória Velocidade

  • Existem basicamente três fatores que determinam a velocidade de um módulo ou tecnologia de memória.

  • A freqüência de operação,

  • O barramento de dados, ou seja, quantos dados são transferidos por ciclo e,

  • O tempo de latência, o número de ciclos que o módulo demora para começar a transferir dados a partir do momento que eles são solicitados e o intervalo a ser aguardado antes de um novo acesso à memória.

Memória Classificação

  • Quanto à forma de acesso

  • As principais formas de acesso à uma posição de memória podem ser do tipo aleatório ou seqüencial.

  • Nas memórias do tipo aleatório, qualquer posição pode ser acessada aleatoriamente, ou seja, pode ser lida diretamente sem a necessidade da leitura das demais posições. Caso, por exemplo, das memórias RAM e ROM.

  • Nas memórias seqüenciais, uma posição não pode ser feita diretamente. Neste caso, várias posições da memória são acessadas até a informação desejada, é o caso das fitas magnéticas, dos registradores de deslocamento e das memórias de bolha magnética.

  • O tempo para ler uma informação em uma memória seqüencial depende da posição de armazenamento.

Memória Organização

  • Como o valor de um bit tem pouco significado, as memórias são estruturadas e divididas em conjuntos ordenados de bits, denominados células, cada uma podendo armazenar uma parte da informação.

  • A Cada célula associa-se um número chamado de endereço. Assim torna-se possível a busca na memória exatamente do que se estiver querendo a cada momento (acesso aleatório).

  • A maioria dos fabricantes de computador padronizaram o tamanho da célula em 8 bits (1 Byte). Bytes são agrupados em palavras, ou seja, a um grupo de bytes podendo ser de 2, 4, 6, 8 Bytes (8 bytes=64 bits) que é associado um endereço particular. A maioria das instruções operam em palavras inteiras.

Memória Organização

  • Um grupo de 4 bits é chamado de NIBBLE

  • Um grupo de 8 bits é chamado de BYTE

  • Um grupo de 16 bits é chamado de WORD

  • Um grupo de 32 bits é chamado de DOUBLE WORD (DWORD)

  • Um grupo de 64 bits é chamado de QUAD WORD (QWORD)

Memória Organização

Memória Tamanho

  • Esse é o indicador da capacidade de um computador. Quanto maior a memória, mais informação poderá guardar. Quanto mais bytes a memória tiver, mais caracteres poderá conter e, consequentemente, maior o número de informação que guardará.

  • A memória é geralmente apresentada em múltiplos de K, M(mega), G(giga) ou T(tera).

  • 1KB equivale a 210B

  • 1MB equivale a 220B

  • 1GB equivale a 230B

  • 1TB equivale a 240B

Memória Funcionamento

  • A memória, seja Secundária ou Principal, permite a realização de dois tipos de operações: escrita e leitura.

    • Leitura é a recuperação da informação armazenada e,
    • Escrita é a gravação (ou armazenamento) da informação na memória.
  • Na Memória Principal (MP), essas operações são realizadas pela UCP e efetuada por células, não sendo possível trabalhar com parte dela.

  • A leitura não é uma operação destrutiva, pois ela consiste em copiar a informação contida em uma célula da MP para a UCP, através de um comando desta.

  • A escrita é uma operação destrutiva, por que toda vez que se grava uma informação em uma célula da MP, o seu conteúdo anterior é eliminado.

Memória Tipos

  • Memória RAM (Random Access Memory)– É um tipo de memória essencial para o computador, sendo usada para guardar dados e instruções de um programa. Tem como características fundamentais:

    • a volatilidade;
    • o acesso aleatório aos dados, e
    • o suporte à leitura e gravação de dados.

Memória Tipos

  • Memória ROM (Read Only Memory)– é usada para rotinas de inicialização do computador. Tem como características fundamentais:

    • É usada apenas para a leitura de seu conteúdo e contém programas gravados que não são alterados.
    • não é volátil, ou seja, o seu conteúdo não é apagado quando a energia é desligada. Os chips da memória ROM são programados para armazenar programas de forma permanente.

Memória RAM Tecnologias

  • Existem dois tipos básicos de tecnologia para memória RAM:

    • Dinâmica - Esta é uma memória baseada na tecnologia de capacitores e requer a atualização periódica do conteúdo de cada célula do chip consumindo assim pequenas quantidades de energia, no entanto possui um acesso lento aos dados. Uma importante vantagem é a grande capacidade de armazenamento oferecida por este tipo de tecnologia.
    • Estática - É uma memória baseada na tecnologia de transistores e não requer atualização dos dados. Consome mais energia (o que gera mais calor) comparando-se com a memória dinâmica sendo significativamente mais rápida. É frequentemente usada em computadores rápidos. Possui uma capacidade de armazenamento bem menor que a memória dinâmica.

Memória RAM Tecnologias

  • A memória RAM dinâmica é freqüentemente usada em computadores modernos. Isto é devido a características como:

    • Baixo consumo;
    • Chips de alta densidade, e
    • Baixo custo.
    • No entanto, é uma memória lenta não podendo assim suportar processadores velozes.
  • Para usar uma memória dinâmica lenta com um processador rápido é necessário um hardware extra (chamado de memória cache) que fica entre o processador e a memória.

Memórias RAM

  • SIMM (Single Inline Memory Module) são módulos de um único lado que contêm 72 pinos e fornecem um único caminho de dados de 32 bits.

  • DIMM (Dual Inline Memory Module): é um módulo RAM que permite o uso de dois canais em uma única interface. Os módulos DIMM têm dois lados e contêm 168 pinos que fornecem dois caminhos de memória de 32 bits, formando um único caminho de memória de 64 bits. A tensão da memória DIMM é de 3.3 V.

  • DDR (Double Data Rating): funcionam de maneira parecida às memórias DIMM SDRAM, possuindo 184 terminais . A tensão das DDR é 2.5 V, diminuindo o consumo de energia.

  • RAMBUS (RDRAM): só funcionava com os processadores da Intel e tinha preço muito elevado. As placas-mãe que as suportavam eram caras.

Memória ROM

  • Alguns dos tipos de memória ROM são: EPROM e EEPROM.

  • EPROM (Erasable Programmable Read Only):

    • É um tipo de ROM especial que pode ser programada pelo usuário. Seu conteúdo pode ser apagado pela exposição a raios ultravioletas.
  • EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-only Memory, ou memória apenas de leitura programável e apagável eletricamente).

    • É também um tipo especial de ROM muito semelhante á EPROM. Seu conteúdo é apagado aplicando-se uma tensão específica em um dos seus pinos de entrada.
  • Memória Cache:

    • É uma memória de alta velocidade que faz a interface entre o processador e a memória do sistema.

Memória Flash

  • A memória Flash é um chip EEPROM. Ela possui uma grade de colunas e linhas que tem uma célula com dois transistores em cada interseção

  • A memória flash é usada para armazenamento rápido e fácil de dados em equipamentos, como câmeras digitais e videogames.

  • É mais usada como disco rígido do que como memória RAM. Na verdade, a memória flash é considerada um dispositivo de armazenamento de estado sólido.

Memória Flash

  • Estado sólido significa que não há partes móveis (tudo é eletrônico, em vez de mecânico). Alguns exemplos de memória flash:

    • O chip da BIOS do seu computador;
    • Memory Stick (encontrado freqüentemente em câmeras digitais);
    • Cartões de memória PCMCIA Tipo I e Tipo II (usado como disco de estado sólido em laptops);
    • Cartões de memória para videogames.

Memória Cache

  • É um tipo ultra-rápido de memória que serve para armazenar os dados mais frequentemente usados pelo processador, evitando na maioria das vezes que ele tenha que recorrer à comparativamente lenta memória RAM. Sem ela, o desempenho do sistema ficará limitado à velocidade da memória, podendo cair em até 95%!. São usados dois tipos de cache, chamados de cache primário, ou cache L1 (level 1), e cache secundário, ou cache L2 (level 2).

Memória Cache

  • Sempre que o processador precisar ler dados, os procurará primeiro no cache L1. Caso o dado seja encontrado, o processador não perderá tempo, já que o cache primário funciona na mesma frequência que ele.

  • Caso o dado não esteja no cache L1, então o próximo a ser indagado será o cache L2. Encontrando o que procura no cache secundário, o processador já perderá algum tempo, mas não tanto quanto perderia caso precisasse acessar diretamente a memória RAM.

Memória Cache Exemplificando

  • Quando o microprocessador tem acesso à memória principal (RAM), ele o faz em cerca de 60 nanosegundos (60 bilionésimos de um segundo). Isso é muito rápido, mas muito lento para um microprocessador comum.

  • Os microprocessadores podem ter tempos de ciclo de acesso à memória tão pequenos quanto 2 nanosegundos. Assim, para um microprocessador, 60 nanosegundos parece uma eternidade.

  • E se construirmos um banco de memória especial na placa-mãe, pequeno mas muito veloz (em torno de 30 nanosegundos)? Isso já seria duas vezes mais rápido do que o acesso à memória principal. Vamos chamar esse banco de cache de nível 2 ou cache L2.

Memória Cache Exemplificando

  • E se construirmos um sistema de memória ainda menor, porém mais rápido, diretamente no chip do microprocessador? Assim, o acesso a essa memória será feito à velocidade do microprocessador e não à velocidade do barramento de memória. Isso seria um cache L1, que em um Pentium Dual Core é 8 vezes mais rápido do que o cache L2, que por sua vez é quatro vezes mais rápido do que o acesso à memória principal.

  • Alguns microprocessadores têm dois níveis de cache embutidos no chip. Nesse caso, o cache da placa-mãe - o cache que existe entre o microprocessador e o sistema de memória passa a ser de nível 3, ou cache L3.

BIOS (Basic Input/Output System)

  • O software do BIOS tem diversos papéis diferentes, mas o mais importante é o carregamento do sistema operacional.

  • Quando o computador é ligado, o microprocessador tenta executar sua primeira instrução.

  • Ele precisa obter essa instrução em algum lugar, porém não pode obtê-la do sistema operacional porque esse sistema se localiza no disco rígido e o microprocessador não pode se comunicar com o HD sem algumas instruções que digam como fazê-lo. O BIOS fornece essas instruções.

BIOS (Basic Input/Output System)

  • Algumas tarefas comuns que O BIOS executa incluem (continuação):

  • Auto-teste durante a energização (POST - Power On-Self Test) para todos os diferentes componentes de hardware no sistema, para assegurar que tudo esteja funcionando corretamente;  

  • Ativação de outros chips do BIOS em diferentes cartões instalados no computador. Por exemplo, placas SCSI (Small Computer System Interface ) e de vídeo freqüentemente possuem seus próprios chips de BIOS;  

BIOS (Basic Input/Output System)

  • Fornecimento de um conjunto de rotinas de baixo nível que o sistema operacional usa para interfacear de diferentes dispositivos de hardware. São essas rotinas que dão à BIOS o seu nome. Elas administram coisas como o teclado, o monitor de vídeo, a porta serial e as portas paralelas, especialmente quando o computador está sendo inicializado;  

  • O BIOS é um software especial que faz a interface dos principais componentes de hardware de seu computador com o sistema operacional.

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