Organização e arquitetura de computadores

Question 1

Elementos do sistema computacional

Answer 1

Software e hardware

Question 2

Partes físicas de um computador

Answer 2

dispositivos de entrada e
saída (ex.: monitor, teclado, impressora, webcam), dispositivos de armazenamento
(ex. memória volátil e permanente), processador, assim como todo
o conjunto de elementos que compõem um computador são chamados de
hardware.

Question 3

Computador analógico

Answer 3

Os computadores analógicos não trabalham com números nem com símbolos que representam os números; eles procuram fazer analogia entre quantidades (ex. pesos, quantidade de elementos, níveis de tensão, pressões hidráulicas). Ex.: Ábaco.

Question 4

Computadores digitais

Answer 4

Um computador digital é uma máquina projetada para armazenar e manipular informações representadas apenas por algarismos ou dígitos, que só podem assumir dois valores distintos, 0 e 1, razão pela qual é denominado de computador digital.

Question 5

Geração zero: computadores
mecânicos (1642-1945)

Answer 5

Essa geração foi caracterizada pelos computadores essencialmente analógicosos, quais eram construídos a partir de engrenagens mecânicas e eletromecânicas, operavam em baixa velocidade e eram destinados a resolver problemas específicos.

Question 6

Primeira geração: válvulas (1945-1955)

Answer 6

Podemos dizer que a Segunda Guerra Mundial foi o marco do surgimento da computação moderna. Foi nesse contexto que começaram a surgir novas teccnologias mais modernas capazes de substituir os componentes mecânicos utilizados até então nos computadores analógicos, possibilitando o surgimento dos computadores digitais.

Question 7

Modelo de Von Neumann

Answer 7

A arquitetura de computador proposta por esse modelo é composta basicamente por (TANENBAUM, 2007):
a) uma memória física (para armazenar programas e dados – representados por 0’s e 1’s);b) uma Unidade Aritmética e Lógica (ULA), cuja função é executar operações indicadas pelas instruções de um programa. Seu trabalho é apoiado por diversos registradores (ex.: acumulador);c) uma Unidade de Controle (UC), cuja função é buscar um programa na memória, instrução por instrução, e executá-lo sobre os dados de entrada (que também se encontram na memória); ed) equipamento de entrada e saída.

Question 8

Segunda geração: transistores (1955-1965)

Answer 8

Nessa geração, a válvula foi substituída pelo transistor, o qual passou a ser um componente básico na construção de computadores. O transistor foi desenvolvido pelo Bell Telephones Laboratories em 1948.
Esse dispositivo reduziu de forma significativa o volume dos computadores e aumentou a sua capacidade de armazenamento.

Question 9

Terceira geração: circuitos integrados
(1965-1980)

Answer 9

É a partir dessa geração que surgem os primeiros circuitos integrados (CI): dispositivos que incorporam inúmeros transistores e outros componentes eletrônicos em formato de miniaturas em um único encapsulamento. Portanto, cada chip é equivalente a inúmeros transistores. Essa tecnologia substituia os transistores, os quais apresentam as seguintes vantagens: maior confiabilidade (não possui partes móveis); muito menores (equipamento mais compacto e mais rápido pela proximidade dos circuitos); baixo consumo de energia (miniaturização dos componentes) e custo de fabricação muito menor. Dessa forma, os computadores passaram a tornar-se mais acessíveis. A entrada de dados e instruções passaram a ser realizadas por dispositivos de entrada e saída, tais como teclados e monitores.

Question 10

Quarta geração: microprocessadores
(1970 - atual)

Answer 10

Há circuitos integrados de diversos tamanhos, tipos e funções, desde os que contêm algumas dezenas de milhares de transistores até circuitos integrados extraordinariamente mais complexos e “inteligentes” – ou seja, capazes de cumprir múltiplas funções de acordo com comandos ou “instruções” a eles fornecidos.
Em 1970, a INTEL Corporation lançou no mercado um tipo novo de circuito integrado: o microprocessador. Os microprocessadores concentravam todos os componentes principais de um computador: a Central Processing Unit (CPU) ou Unidade Central de Processamento; controladores de memória e de entrada e saída.

Question 11

Descrição de UCP (uniade central de processamento)

Answer 11

É responsável pela execução de dados e instruções armazenadas em memória (código de programas e dados);
Processador.

Question 12

Descrição de memória

Answer 12

existem diversos tipos de memória em um computador (ex.: RAM (principal), ROM, cache, registradores), mas existe uma delas denominada memória principal, a qual é indispensável. A memória principal é tão importante quanto a UCP, pois sem ela não seria possível disponibilizar os programas e seus dados para o processamento pela CPU. Portanto, a memória é responsável por armazenar todos os programas que executam no computador e os dados que utilizam;

Question 13

Descrição de dispositivos de entrada e saída

Answer 13

são dispositivos responsáveis pelas entradas e saídas de dados, ou seja, pelas interações entre o computador e o mundo externo (usuários). São exemplos de dispositivos de E/S: monitor de vídeo, teclado, mouse, webcam, impressora, entre outros;

Question 14

Descrição de barramento

Answer 14

É responsável por interligar todos os componentes listados acima. Trata-se de uma via de comunicação composta por diversos fios ou condutores elétricos por onde circulam os dados manipulados pelo computador.

Question 15

Portas lógicas

Answer 15

Nesses computadores, os transistores são, em geral, componentes de determinados
circuitos eletrônicos que precisam armazenar os sinais binários
e realizar certos tipos de operações com eles. Esses circuitos, chamados de
circuitos digitais, são formados por pequenos elementos capazes de manipular
grandezas apenas binárias. Os pequenos elementos referidos são
conhecidos como portas (gates) lógicas, por permitirem ou não a passagem
desses sinais, e os circuitos que contêm as portas lógicas são conhecidos
como circuitos lógicos.

Question 16

Operação lógica

Answer 16

Uma operação realizada a partir de proposições, que segue as regras do cálculo proposicional. As operações lógicas fundamentais são: Negação, Conjunção, Disjunção, Condicional, Bicondicional.

Question 17

Porta lógida AND

Answer 17

Trata-se de uma operação que aceita dois operandos ou duas entradas (A e B), conforme mostra a Figura 3.1. Os operandos são binários simples (0 e 1). Pode-se dizer que a operação AND simula uma multiplicação binária.

Question 18

Porta lógica NOT

Answer 18

A porta NOT representa um inversor. Essa operação aceita apenas um operando ou uma entradas (A), conforme mostra a Figura 3.3. O operando pode ser um dígito binário (0 ou 1). Pode-se dizer que a operação NOT realiza a inversão de um dígito binário.

Question 18

Porta lógica OR

Answer 18

Trata-se de uma operação que aceita dois operandos ou duas entradas (A e B), conforme mostra a Figura 3.2. Os operandos são binários simples (0 e 1). Podemos dizer que a operação OR simula uma soma de binários.

Question 19

Porta lógica XOR

Answer 19

A denominação XOR é a abreviação do termo EXCLUSIVE OR. Trata-se de uma operação que aceita dois operandos ou duas entradas (A e B), conforme mostra a Figura 3.4. Os operandos são binários simples (0 e 1). Pode-se dizer que a operação XOR possui como principal função a verificação de igualdade.

Question 20

Tempo de manipulação de dados

Answer 20

CPU: 5ns.
Memória: transfere um dado em 60 ns.

Question 21

Registrador

Answer 21

Local: Processador.
Volátil, velocidade mt alta, capacidade de armazenamento muito baixa e custo muito alto.

Question 22

Cache

Answer 22

Local: Processador.
Volátil, velocidade alta, capacidade de armazenamento baixa e custo alto.

Question 23

Memória Principal

Answer 23

Local: Placa-mãe.
RAM - volátil
ROM - não volátil
Velocidade depende do tipo, capacidade media de armazenamento e custo médio.

Question 24

Memória secundária

Answer 24

Local: HD, CD, ETC.
Não volátil, lenta, alta capacidade de armazenamento e baixo cusro.

Question 25

Conceito de registrador

Answer 25

O processador busca dados e instruções de onde estiverem armazenadas e os deposita temporariamente em seu interior para que possa realizar as operações solicitadas utilizando seus demais componentes (seria análogo à função memória de uma calculadora). Os dispositivos denominados registradores são os locais onde esse conteúdo fica armazenado.

Question 26

Conceito de memória cache

Answer 26

Na busca de soluções para a limitação imposta pela comunicação entre processador e memória, foi desenvolvida uma técnica que consiste na inclusão de um dispositivo de memória entre a memória principal e o processador. Esse dispositivo é denominado memória cache. Sua função principal é acelerar a velocidade de transferência das informações entre processador e memória principal e, com isso, aumentar o desempenho dos sistemas de computação.

Question 27

Conceito de memória principal

Answer 27

A memória principal é denominada memória RAM (Random Access Memory), corresponde a um tipo de memória volátil, ou seja, seu conteúdo fica armazenado enquanto o computador estiver ligado (energizado); ao desligar a corrente elétrica, o conteúdo da memória RAM é apagado.

Question 28

Organização da memória principal

Answer 28

A memória principal encontra-se organizada em um conjunto de células, sendo que cada uma delas representa o agrupamento de uma quantidade de bits. Cada célula caracteriza uma unidade de armazenamento na memória e possui um endereço único, o qual é utilizado pelo processador para acessar seu conteúdo. Portanto, a célula é a menor unidade endereçável em um computador.

Question 29

Conceito de memória ROM

Answer 29

memória somente de leitura, ou seja, seu conteúdo é escrito uma vez e não é mais alterado, apenas consultado. Outra característica das memórias ROM é que elas são do tipo não voláteis, isto é, os dados gravados não são perdidos na ausência de energia elétrica ao dispositivo.
É dito que um software que é armazenado em uma memória ROM passa a ser chamado de firmware.

Question 30

Dessa forma, as memórias ROM são aplicadas em um computador para armazenar três programas principais (TORRES, 2010):

Answer 30

BIOS (Basic Input Output System): ou Sistema Básico de Entrada e Saída, é responsável por ensinar o processador da máquina a operar com os dispositivos básicos de entrada e saída;

POST (Power On Self Test): Autoteste – programa de verificação e teste que se executa após a ligação do computador, realizando diversas ações sobre o hardware (ex.: contagem de memória);

SETUP: Programa que altera os parâmetros armazenados na memória de configuração (CMOS).

Question 31

Memória FLASH

Answer 31

as memórias Flash também podem ser vistas como um tipo de EEPROM; no entanto, o processo de gravação (e regravação) é muito mais rápido. Além disso, memórias Flash são mais duráveis e podem guardar um volume elevado de dados. Trata-se do tipo de memória utilizada em pen-drive;

Question 32

Conceito de memória secundária

Answer 32

A memória secundária também é denominada de memória de massa, por possuir uma capacidade de armazenamento muito superior à das outras memórias conforme discutido neste tópico. Outra característica que difere a memória secundária das outras memórias é o fato de ser permanente (não volátil), ou seja, não perde o conteúdo armazenado caso o computador seja desligado.
Este tipo de memória não possui acesso direto pelo processador, sempre havendo a necessidade de carregamento de dados dos dispositivos de memória secundária para a memória principal, para que então sejam enviados ao processador.

Question 33

Unidade central de processamento (UCP)

Answer 33

É responsável pelo processamento
e execução de programas armazenados na memória principal, buscando suas
instruções, examinando-as e, então, executando uma após a outra.
UCP é composta por várias partes distintas, entre elas: registradores,
Unidade de Controle (UC) e Unidade Lógica Aritmética (ULA).

Question 34

Unidade lógica e atirmética (ULA)

Answer 34

A função efetiva deste dispositivo é a execução das instruções dos programas que se encontram armazenadas na memória. Ao chegarem à UCP, essas instruções são interpretadas e traduzidas em operações matemáticas a serem executadas pela ULA.
Podemos dizer que a ULA é um aglomerado de circuitos lógicos e componentes eletrônicos simples que, integrados, realizam as operações aritméticas e lógicas. São exemplos de operações executadas pela ULA: soma, multiplicação, operações lógicas (AND, OR, NOT, XOR, entre outras), incremento, decremento e operação de complemento.

Question 35

O que são registradores?

Answer 35

São elementos de armazenamento temporário, localizados na UCP, os quais são extremamente rápidos por causa da sua tecnologia de fabricação (conforme apresentado na Aula 4). Assim, as UCPs são fabricadas com certa quantidade de registradores destinados ao armazenamento de dados que estão sendo utilizados durante o processamento e, portanto, servem de memória auxiliar básica da ULA.

Question 36

Unidade funcional de controle

Answer 36

Conforme apresentado no início desta aula, a Unidade Central de Processamento (UCP) é responsável pelo processamento e execução de programas armazenados na memória principal, sendo que a ULA é o elemento da UCP responsável pela execução das operações solicitadas.

Question 37

Registrador de dados de memória (RDM)

Answer 37

O RDM, também chamado de MBR (Memory Buffer Register), é um registrador que armazena temporariamente dados (conteúdo de uma ou mais células) que estão sendo transferidos da memória principal para a UCP (em uma operação de leitura) ou da UCP para a memória principal (em uma operação de escrita).

Question 38

Endereços de memória (REM)

Answer 38

REM, também chamado de MAR (Memory Address Register), é um registrador que armazena temporariamente o endereço de acesso a uma posição de memória, necessário ao se iniciar uma operação de leitura ou de escrita. Em seguida, o referido endereço é encaminhado à controladora da memória, principal identificação e localização da célula desejada. Permite armazenar a mesma quantidade de bits do barramento de endereço.

Question 39

Contador de instruções (CI)

Answer 39

Este registrador é também denominado de Program Counter (PC) ou contador de programa. De acordo com Tanenbaum (2007), é o CI cujo valor aponta para a próxima instrução a ser buscada da memória a ser executada no processador.

Question 40

Registrador de instruções

Answer 40

Este registrador tem a função de armazenar a instrução a ser executada pela UCP. Ao se iniciar um ciclo de instrução (MONTEIRO, 2007), a UC emite sinais de controle em sequência no tempo, de modo que se processe a realização de um ciclo de leitura para buscar a instrução na memória.

Question 41

Decodificador de instruções

Answer 41

Cada instrução é uma ordem para que a UCP realize uma determinada operação. Como são muitas instruções, é necessário que cada uma possua uma identificação própria e única, e é função do decodificador de instrução identificar que operação será realizada, correlacionada à instrução cujo código de operação foi decodificado. Assim, o RI irá passar ao decodificador uma sequência de bits representando uma instrução a ser executada.

Question 42

Relógio (clock)

Answer 42

Monteiro (2007) define este dispositivo como um gerador de pulsos, cuja duração é chamada de ciclo, e a quantidade de vezes que esse pulso básico se repete em um segundo define a unidade de medida do relógio, denominada frequência, a qual também é usada para definir a velocidade na CPU.
A unidade de medida utilizada para a frequência do relógio da UCP é o hertz (Hz), que significa um ciclo por segundo.

Question 43

Barramentos

Answer 43

Os diversos componentes de um computador se comunicam através de barramentos, os quais se caracterizam como um conjunto de condutores elétricos que interligam os diversos componentes do computador e de circuitos eletrônicos que controlam o fluxo dos bits. O barramento conduz de modo sincronizado o fluxo de informações (dados e instruções, endereços e controles) de um componente para outro ao longo da placa-mãe. O barramento organiza o tráfego de informações observando as necessidades de recursos e as limitações de tempo de cada componente, de forma que não ocorram colisões, ou mesmo, algum componente deixe de ser atendido (MONTEIRO, 2007).

Question 44

Barramento de dados

Answer 44

Este barramento interliga o RDM (localizado na UCP) à memória principal, para transferência de instruções ou dados a serem executados. É bidirecional, isto é, ora os sinais percorrem o barramento vindo da UCP para a memória principal (operação de escrita), ora percorrem o caminho inverso (operação de leitura). Possui influência direta no desempenho do sistema, pois, quanto maior a sua largura, maior o número de bits (dados) transferidos por vez e consequentemente mais rapidamente esses dados chegarão ao seu destino (UCP ou memória).

Question 45

Barramento de endereços

Answer 45

Interliga o REM (localizado na UCP) à memória principal, para transferência dos bits que representam um determinado endereço de memória onde se localiza uma instrução ou dado a ser executado. É unidirecional, visto que somente a UCP aciona a memória principal para a realização de operações de leitura ou escrita. Possui tantas vias de transmissão quantos são os bits que representam o valor de um endereço.

Question 46

Barramento de controle

Answer 46

Interliga a UCP, mais especificamente a Unidade de Controle (UC), aos demais componentes do sistema computacional (memória principal, componentes de entrada e de saída) para passagem de sinais de controle gerados pelo sistema. São exemplos de sinais de controle: leitura e escrita de dados na memória principal, leitura e escrita de componentes de entrada e saída, certificação de transferência de dados – o dispositivo acusa o término da transferência para a UCP, pedido de interrupção, relógio (clock) – por onde passam os pulsos de sincronização dos eventos durante o funcionamento do sistema (MONTEIRO, 2007).

Question 47

Barramento local

Answer 47

possui maior velocidade de transferência de dados, funcionando normalmente na mesma frequência do relógio do processador. Este barramento costuma interligar o processador aos dispositivos de maior velocidade (visando não atrasar as operações do processador): memória cache e memória principal;

Question 48

Barramento do sistema

Answer 48

podemos dizer que se trata de um barramento opcional, adotado por alguns fabricantes, fazendo com que o barramento local faça a ligação entre o processador e a memória cache e esta se interligue com os módulos de memória principal (RAM) através do chamado barramento do sistema, de modo a não permitir acesso direto do processador à memória principal. Um circuito integrado denominado ponte (chipset) sincroniza o aceso entre as memórias;

Question 49

Barramento de expansão

Answer 49

também chamado de barramento de entrada e de saída (E/S), é responsável por interligar os diversos dispositivos de E/S aos demais componentes do computador, tais como: monitor de vídeo, impressoras, CD/DVD, etc. Também se utiliza de uma ponte para se conectar ao barramento do sistema; as pontes sincronizam as diferentes velocidades dos barramentos.

Question 50

Dispositivos de entrada e saída

Answer 50

Esses elementos de interface do usuário com o computador podem ser chamados de dispositivos (ou periféricos)
de entrada e saída (E/S). São considerados um subsistema de memória, pois fazem parte do sistema maior que é o sistema computacional, onde os
dispositivos de E/S compõem o chamado subsistema de E/S.
Esses dispositivos se interligam à UCP e memória principal através do barramento de expansão

Question 51

Capacidades de dispositivos E/S

Answer 51

receber ou enviar informações ao meio exterior;
converter as informações (de entrada e saída) em uma forma inteligível para a máquina (se estiver recebendo) ou para o programador ou usuário
(se estiver enviando).

Question 52

Exemplo de disp. de E/S

Answer 52

teclado, mouse, monitor de vídeo, impressora, webcam, modem, dispositivos de armazenamento (ex.: disco rígido, CD/DVD – ROM, pen-drive).

Question 53

A comunicação entre o núcleo do computador e os dispositivos de E/S poderia ser classificada em (MONTEIRO, 2007):

Answer 53

Comunicação serial: a informação pode ser transmitida/recebida, bit a bit, um em seguida do outro;
Comunicação paralela: a informação pode ser transmitida/recebida em grupos de bits de cada vez, isto é, um grupo de bits é transmitido simultaneamente de cada vez.

Question 54

Método de entrada e saída programada

Answer 54

Neste método de gerenciamento de entrada e saída, também chamado de pooling, a UCP precisa verificar continuamente se cada um dos dispositivos necessita de atendimento, ou seja, tudo depende da UCP. Por exemplo, se o disco quer transferir algum dado para a memória, a UCP deve ficar dedicada a esse processo de transferência até que esta seja concluída. A grande desvantagem é a subutilização da UCP, a qual, enquanto houver uma operação de transferência de dados, não realiza outras operações de processamento. Este método não é mais utilizado.

Question 55

Método de entrada e saída controlados por interrupção

Answer 55

Este método possibilita que a UCP não fique presa em espera ocupada até que um dispositivo esteja pronto para realizar a transferência de dados propriamente dita. Assim, a UCP dá início à operação emitindo uma instrução de E/S para a interface ou controlador do dispositivo em questão e, quando o dispositivo estiver pronto para a operação de transferência, recebe uma interrupção avisando que ela poderá começar. Essa demora para iniciar a transferência, após as instruções da UCP, deve-se à lentidão dos dispositivos de E/S em relação à UCP, problema que é diminuído com o uso de interrupções. Este método sofreu melhorias e não é mais utilizado.

Question 56

Método de acesso direto à memória (DMA)

Answer 56

A função do controlador (ou interface) é controlar seu dispositivo de E/S e manipular para ele o acesso ao barramento. Quando um programa quer dados do disco, por exemplo, ele envia um comando ao controlador de disco, que então emite comandos de busca e outras operações necessárias para que ocorra a transferência (TANENBAUM, 2007).
Para esse autor, quando o controlador lê ou escreve dados de/para a memória sem a intervenção da UCP, é dito que ele está executando um acesso direto à memória (Direct Memory Access), conhecido por DMA.

Question 57

Discos magnéticos

Answer 57

Os discos magnéticos abrangem diversos dispositivos utilizados pelo sistema de computação, tais como: disco rígido, os antigos disquetes e CD-ROM. Esses dispositivos de E/S, considerados memórias secundárias (de armazenamento permanente de um volume considerável de dados), são largamente utilizados, com exceção dos disquetes ou discos flexíveis.

Question 58

Arquitetura de computadores

Answer 58

Em termos gerais, a arquitetura de computadores define o conjunto de instruções que o computador é capaz de operar. Explicando de maneira simples, cada ação feita pelo usuário (desde ligar o PC até abrir um arquivo) resulta em uma série de dados que o processador precisa analisar continuamente. Para organizar esse fluxo de informações e fazer com que o processamento ocorra com o menor número de engasgos possível, as instruções precisam operar dentro de um sistema próprio, chamado de arquitetura.

Question 59

Quais os três tipos de arquiteturas para computadores pessoais?

Answer 59

x86, x64 e ARM.

Question 60

Arquitetura x86

Answer 60

Mais antiga, 1978, nome deriva do primeiro processador dela 8086;
Inicialmente, o x86 conseguia processar dados de apenas 16 bits. Mas a partir de 1985, o x86 passa a se tornar o padrão na indústria para chips de 32 bits. Apesar de atualmente estar ultrapassada por conta da limitação de 4 GB de memória RAM, a arquitetura x86 ainda pode ser encontrada em alguns computadores antigos.

Question 61

Arquitetura x64

Answer 61

A arquitetura mais dominante no momento é a x64. Lançada em 1999 pela AMD, a x64 passou processar informações de até 64 bits, o dobro da x86. Isso significa que a plataforma é capaz de processar mais instruções em menor tempo, além de ter uma capacidade teórica de armazenar até 16 exabytes de memória RAM. Outra vantagem é que ela é retrocompatível com a plataforma x86.

Question 62

Arquitetura ARM

Answer 62

Presente em smartphones, tablets e nos mais recentes computadores da Apple. Lançada em 1985 pela Acorn Computers, a ARM ficou durante anos no obscurantismo até o lançamento do iPhone, em 2007. Como os chips ARM consomem menos energia e esquentam menos, a arquitetura casou perfeitamente com a proposta do smartphone. A partir de 2020, a Apple passou a utilizar a arquitetura em seus computadores pessoais, por meio dos chips M1 e M2, como uma maneira de integrar seus dispositivos.