Introdução a computação 04
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Introdução a computação 04

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  • 1. INTRODUÇÃO À INFORMÁTICACapítulo 4A Unidade Central de Processamento:O Que Acontece Dentro do Computador
  • 2. OBJETIVOSIdentificar os componentes da unidade central deprocessamento e explicar como eles funcionam em conjuntoe como interagem com a memória.Descrever como as instruções de programa são executadaspelo computador.Explicar como os dados são representados no computador.Descrever como o computador localiza instruções e dados.Descrever os componentes da placa-mãe da unidade desistema de um microcomputador.Relacionar as medidas de velocidade de processamento docomputador e explicar as abordagens que aumentam avelocidade.2
  • 3. UNIDADE CENTRAL DE PROCESSAMENTOConjunto complexode circuitoseletrônicos.Executa instruçõesde programaarmazenadas.Duas partes:◦ Unidade de controle◦ Unidade aritmética elógica (ALU)3
  • 4. UNIDADE DE CONTROLEDireciona o sistema do computador a executarinstruções de programa armazenadas.Deve comunicar-se com a memória e com a ALU.Envia dados e instruções do armazenamentosecundário para a memória, quando necessário.4
  • 5. UNIDADE ARITMÉTICA E LÓGICAExecuta todas as operaçõesaritméticas e lógicas.Operações aritméticas:Adição, subtração, multiplicação, divisão.Operações lógicas:Compara números, letras ou caracteresespeciais.Testa uma de três condições:Condição de igualdade (igual a)Condição menor queCondição maior que5
  • 6. ARMAZENAMENTO DEDADOS E A CPUDois tipos de armazenamento:Armazenamento primário (memória):Armazena dados temporariamente.A CPU referencia-o tanto para obtenção de instruções deprograma como de dados.Armazenamento secundário:Armazenamento de longo prazo.Armazenado em mídia externa; por exemplo, um disco.6
  • 7. A CPU E A MEMÓRIAA CPU não pode processar dados diretamentedo disco ou de um dispositivo de entrada:◦ Primeiramente, eles devem residir na memória.◦ A unidade de controle recupera dados do disco etransfere-os para a memória.Itens enviados à CPU para ser processados:◦ A unidade de controle envia itens à CPU edepois os envia novamente à memória apósserem processados.Dados e instruções permanecem na memóriaaté serem enviados a um dispositivo de saídaou armazenamento, ou o programa serfechado.7
  • 8. ÁREAS DE ARMAZENAMENTO TEMPORÁRIORegistradoresMemória8
  • 9. REGISTRADORESRegistradores são circuitos digitais capazes dearmazenar e deslocar informações binárias, e sãotipicamente usados como um dispositivo dearmazenamento temporário.Áreas de armazenamento temporário de altavelocidade.Localizações de armazenamento situadas dentro daCPU.Funcionam sob direção da unidade de controle:Recebem, guardam e transferem instruçõesou dados.Controlam onde a próxima instrução a ser executada ouos dados necessários serão armazenados.9
  • 10. REGISTRADORESUm registrador é uma pequena porção dememória localizada no processador central.Os registradores permitem acessos muito rápidosa dados e são usados para aumentar a velocidadede execução de programas.A maioria das modernas arquiteturas decomputadores operam transferindo dados damemória principal para os registradores.Onde estes são processados e o resultado é devolvidoà memória principalÉ a chamada arquitetura de carregamento-armazenamento. 10
  • 11. MEMÓRIATambém conhecida como armazenamentoprimário e memória principal.Freqüentemente expressa como memória deacesso aleatório (RAM).Não faz parte da CPU.Retém dados e instruções paraserem processados.Armazena informações somente enquantoo programa está em operação.11
  • 12. COMO A CPU EXECUTA INSTRUÇÕESQuatro etapas são executadas paracada instrução:Ciclo de máquina: a quantidade de temponecessária para executar uma instrução.Computadores pessoais executam-nas emmenos de um milionésimo de segundo.Supercomputadores executam-nas emmenos de um trilionésimo de segundo.Cada CPU tem seu próprio conjuntode instruções:Aquelas instruções as quais a CPU podeentender e executar. 12
  • 13. O CICLO DA MÁQUINAO tempo necessário pararecuperar, executar earmazenar umaoperação.Componentes:Tempo de instruçãoTempo de execuçãoO clock de sistemasincroniza as operações.13
  • 14. TEMPO DE INSTRUÇÃOTambém chamado de I-time.A unidade de controle recebe a instrução damemória e a coloca em um registro.A unidade de controle decodifica a instrução edetermina qual é a localização na memória paraos dados necessários.14
  • 15. TEMPO DE EXECUÇÃOA unidade de controle transfere dados damemória para registros na ALU.A ALU executa instruções relativas aos dados.A unidade de controle armazena o resultado daoperação na memória ou em um registro.15
  • 16. ENDEREÇOS DE MEMÓRIACada localização de memóriatem um endereço:◦ Um número único, como emuma caixa postal.Pode conter somente umainstrução ou peça de dados:◦ Quando dados são reescritos namemória, o conteúdo anteriordesse endereço é destruído.Referenciado pelo número:◦ As linguagens de programaçãousam um endereço simbólico(nomeado), tal como Horas ouSalário. 16
  • 17. REPRESENTAÇÃO DE DADOSOs computadores entendemduas coisas: ligado e desligado.Dados são representados naforma binária:Sistema numérico binário (base 2).Contém somente 2 dígitos: 0 e 1.Corresponde a dois estados:ligado e desligado.17
  • 18. REPRESENTANDO DADOSBitBytePalavra18
  • 19. BITAbreviação de binary digit (dígito binário).Dois valores possíveis: 0 e 1.Nunca pode estar vazio.Unidade básica para armazenar dados:0 significa desligado; 1 significa ligado.19
  • 20. BYTEUm grupo de 8 bits.Cada byte tem 256 (28) valores possíveis.Para texto, armazena um caractere:Pode ser letra, dígito ou caractere especial.Dispositivos de memória e armazenamento sãomedidos em número de bytes.20
  • 21. PALAVRAO número de bits que a CPU processa como umaunidade.Tipicamente, um número inteiro de bytes.Quanto maior a palavra, mais potente é ocomputador.Computadores pessoais tipicamente têm 32 ou 64 bitsde extensão de palavras.21
  • 22. CAPACIDADES DE ARMAZENAMENTOKilobyte: 1024 (210) bytes.◦ Capacidade de memória dos computadores pessoaismais antigos.Megabyte: aproximadamente, um milhão (220) debytes.◦ Memória de computadores pessoais.◦ Dispositivos de armazenamento portáteis (disquetes,CD-ROMs).Gigabyte: aproximadamente, um bilhão (230) de bytes.◦ Dispositivos de armazenamento (discos rígidos).◦ Memória de mainframes e servidores de rede.Terabyte: aproximadamente, um trilhão (240) de bytes.◦ Dispositivos de armazenamento para sistemas muito grandes.22
  • 23. ESQUEMAS DE CODIFICAÇÃOProvêem uma maneira comum para representarum caractere de dados.Necessários para os computadores poderemintercambiar dados.Esquemas comuns:ASCIIEBCDICUnicode23
  • 24. ASCIISigla de AmericanStandard Code forInformationInterchange.O padrão maisamplamente usado.Usado virtualmenteem todos oscomputadorespessoais.24
  • 25. EBCDICSigla de ExtendedBinary CodedDecimalInterchange Code.Usadoprincipalmente emmainframes IBMe compatíveis comIBM.25
  • 26. UNICODEProjetado paraacomodar alfabetoscom mais de 256caracteres.Usa 16 bits pararepresentar umcaractere.65.536 valorespossíveis.Exige duas vezesmais espaço paraarmazenar dados. 26
  • 27. A UNIDADE DE SISTEMAAbriga os componentes eletrônicos do sistema decomputador:Placa-mãe (motherboard)Dispositivos de armazenamento27
  • 28. PLACA-MÃE (MOTHERBOARD)Placa de circuitos planaque contém os circuitos docomputador.A unidade central deprocessamento(microprocessador) é um doscomponente maisimportante.28
  • 29. DISPOSITIVOS DE ARMAZENAMENTOArmazenamento de longo prazo da memória.Dados não se perdem quando o computador édesligado.Incluem-se entre os exemplos: discos rígidos,disquetes, hd-externo, pen drives,DVD-ROMs.29
  • 30. MICROPROCESSADORUnidade central deprocessamento impressaem chip de silício.Contém dezenas de milhões deminúsculos transistores.Componentes-chave:Unidade central deprocessamento.Registradores.Clock do sistema. 30
  • 31. TRANSISTORESComutadores eletrônicos que podem permitir ounão a passagem de corrente elétrica.Se a corrente elétrica passar, o comutador estaráativado, representando um bit 1.Caso contrário, o comutador estará desativado,representando um bit 0.31
  • 32. TIPOS DE CHIPSA Intel produz uma família de processadores:◦ Processadores Core I3, I4, I5 na maioria dos PCs.◦ Processador Celeron vendido para PCs de baixocusto.◦ Xeon e Itanium para estações de trabalhohigh-end e servidores de rede.Outros processadores:◦ A Cyrix e a AMD produzem microprocessadorescompatíveis com Intel.◦ Chips PowerPC são usados principalmente emcomputadores Macintosh.◦ O microprocessador Alpha, da Compaq, é usado emservidores high-end.32
  • 33. COMPONENTES DA MEMÓRIAMemória semicondutoraRAM e ROMMemória Flash33
  • 34. MEMÓRIA SEMICONDUTORAUsada pela maioria dos computadoresmodernos:Confiável, barata e compacta.Volátil: exige corrente elétrica contínua.Se a corrente for interrompida, os dados se perdem.Semicondutor Complementar de Óxido de Metal –Complementary Metal Oxide Semiconductor(CMOS).Retém informação quando a energia é desligada.Usado para armazenar informações necessárias quando ocomputador é inicializado.34
  • 35. RAM E ROMMemória de Acesso Aleatório – Random- AccessMemory (RAM)Memória Somente de Leitura – Read-OnlyMemory (ROM)35©2004byPearsonEducationVoltar
  • 36. MEMÓRIA DE ACESSO ALEATÓRIO36Dados podem seracessadosaleatoriamente:O endereço de memória 10pode ser acessado tãorapidamente quanto oendereço de memória10.000.000.Tipos:◦ RAM estática – Static RAM(SRAM)◦ RAM dinâmica – DynamicRAM (DRAM)Empacotada em placas decircuito:◦ Módulos de memória linearesde via simples (SIMMS).◦ Módulos de memória linearesde via dupla (DIMMS).
  • 37. RAM ESTÁTICARetém seu conteúdo com intervenção da CPU.Mais rápida e mais cara do que a DRAM.Tipicamente usada para cache de Nível 2.37
  • 38. RAM DINÂMICADeve ser continuamente recarregada pela CPU,ou perderá seu conteúdo.Usada para memória de computadores pessoais.DRAM síncrona – Synchronous DRAM(SDRAM): o tipo mais rápido de DRAM usadoatualmente.Rambus DRAM (RDRAM): mais rápida do quea SDRAM, tornar-se-á mais comumente usadaquando os preços se reduzirem.38
  • 39. MEMÓRIA SOMENTE DE LEITURAContém programas e dados registradospermanentemente na memória pela fábrica.Não pode ser alterada pelo usuário.Não-volátil: o conteúdo não desaparecerá quando houverqueda de energia.Chips de ROM programáveis (PROM):Algumas instruções no chip podem ser alteradas.39
  • 40. MEMÓRIA FLASHRAM não-volátilUsada em telefones celulares, câmeras digitais ecomputadores manuais (handheld).Os chips de memória flash assemelham-se aoscartões de crédito.Menores do que uma unidade de disco e requeremmenos energia.40
  • 41. O BARRAMENTO (BUS) DO SISTEMAPercursos elétricos paralelos que transportamdados entre a CPU e a memória.Largura de barramento:O número de percursos elétricos para transportardados.Medida em bits.Velocidade de barramento:Medida em megahertz (MHz).41
  • 42. LARGURA DE BARRAMENTOTipicamente, a mesma largura dotamanho de palavra da CPU.Com um tamanho de barramento maior,a CPU pode:Transferir mais dados simultaneamente:Torna o computador mais rápido.Referenciar números de endereço de memória maiores:Permite mais memória.Suportar um número e uma variedade maiores deinstruções.42
  • 43. VELOCIDADE DE BARRAMENTOQuanto maior avelocidade debarramento, maisrapidamente os dadosviajarão por meio dosistema.Computadores pessoaistêm velocidades debarramento de 533 MHzou 20.000 MHz.43
  • 44. BARRAMENTOS DE EXPANSÃOAdicione dispositivos periféricos ao sistema:Placa de expansãoPortaBarramentos de expansão comuns44
  • 45. PLACAS DE EXPANSÃOConectam-se a slots(encaixes) deexpansão ou àplaca-mãe.São usadas paraconectar dispositivosperiféricos.45
  • 46. PORTASConectores externos para plugarperiféricos, como, por exemplo,impressoras.três tipos de portas:Seriais: transmitem dados à base de um bit a cada vez.Usadas para dispositivos lentos, como o mouse e o teclado.Paralelas: transmitem grupos de bits em conjunto, ladoa lado.Usadas para dispositivos mais rápidos, como impressorase scanners.Universal Serial Bus (USB) é um tipo de conexão "ligar eusar" que permite a conexão de periféricos sem a necessidadede desligar o computador.46
  • 47. BARRAMENTOS DE EXPANSÃO E PORTASCOMUNSBarramento Industry Standard Architecture (ISA):Usado para dispositivos lentos, como o mouse e o modem.Barramento Peripheral Component Interconnect (PCI):Usado para dispositivos mais rápidos, como discos rígidos.Accelerated Graphics Port (AGP):Provê desempenho de vídeo mais rápido.Barramento IEEE 1394:Um barramento de alta velocidade normalmente usado paraconectar equipamentos de vídeo.Barramento PC Card:Usado em laptops para plugar um dispositivo do tamanhode um cartão de crédito.47
  • 48. VELOCIDADES DE PROCESSAMENTO DOSCOMPUTADORESAs velocidades de instrução são medidas emsegundos:Milissegundo: um milésimo de segundo.Microssegundo: um milionésimo de segundo.Nanossegundo: um bilionésimo de segundo.Computadores modernos atingiram essa velocidade.Picossegundo: um trilionésimo de segundo.48
  • 49. VELOCIDADES DOS MICROPROCESSORESMedida da velocidade de clock do sistema:Quantos pulsos eletrônicos o clock produzpor segundo.Usualmente, expressa em gigahertz (GHz).Billhões de ciclos de máquina por segundo.Alguns PCs antigos mediam em megahertz (MHz).Uma comparação de velocidades de clocksomente é significativa entremicroprocessadores idênticos.49
  • 50. OUTRAS MEDIDAS DE DESEMPENHOMIPS – Um Milhão de Instruções porSegundo.Computadores pessoais de alta velocidade podemexecutar mais de 500 MIPS.Tipicamente, uma medida de desempenho maisacurada do que a velocidade de clock.Megaflop – um milhão de operações em pontoflutuante por segundo.Mede a capacidade do computador para executaroperações matemáticas complexas.50
  • 51. CACHEUma área de armazenamento temporário:Agiliza a transferência de dados dentro docomputador.Memória cacheCache de processador51
  • 52. MEMÓRIA CACHEUm pequeno bloco de memória de alta velocidade:Armazena os dados e as instruções usados com mais freqüênciae mais recentemente.O microprocessador procura primeiramente na cacheos dados de que necessita:Transferidos da cache muito mais rapidamente doque da memória.Se não estiverem na cache, a unidade de controle recupera-os damemória.Quanto mais “presença de dados” na cache, mais rápido é odesempenho do sistema.52
  • 53. CACHE DE PROCESSADORCache interna (Nível 1) embutida nomicroprocessador.◦ Acesso mais rápido, porém custo mais elevado.Cache externa (Nível 2) em um chipseparado.◦ Incorporada ao processador e algunsmicroprocessadores atuais.53
  • 54. TECNOLOGIA RISCComputação com um Conjunto Reduzido deInstruções – Reduced Instruction SetComputing◦ Usa um pequeno subconjunto de instruções.◦ Um menor número de instruções aumenta avelocidade.◦ Inconveniente: operações complexas têm de serdivididas em uma série de instruções detamanho menor.Computação com um Conjunto Complexo deInstruções – Traditional processors useComplex Instruction Set Computing (CISC)54