Arquitectura Interna do Computador UFCD 0769 Programadora de

Arquitectura Interna do Computador (UFCD 0769) Programador/a de Informática CESAE 2008/2009 Realizado por: Fernando Miguel Costa

Informática e Tecnologias de Informação �A palavra informática tem origem na junção das palavras informação e automática. �Informática significa, portanto, tratamento da informação por meios automáticos (dispositivos electrónicos – computadores). Informação Informática Automática Tratamento da informação por meios automáticos Dispositivos electrónicos Computadores Sistemas Informáticos

A informação e suas características �O que é a informação? �Em linguagem vulgar, chama-se informação a tudo o que é oferecido pelos meios de comunicação social: rádio, TV e jornais. Pode-se mesmo alargar este campo, dizendo que filme, um livro ou uma fotografia também veiculam informação susceptível de ser recolhida. Todo e qualquer elemento de comunicação que transporte conhecimento é informativo!

A informação e suas características �Só que, por cada dia que passa, a quantidade de informação aumenta e a qualidade de informação de que se dispõe é cada vez mais variada. �Impõe-se então uma pergunta: que fazer coma informação? É do senso comum que a informação ou é útil ou não interessa! Utilidade Quantidade

A informação e suas características Automatizáveis • • • Não automatizáveis • Opinião descritiva sobre a quantidade do serviço prestado; • … Identificação do cliente; Volume de compras; Tipo de pagamento; Registo da operação; …

A informação e suas características Toda a informação capaz de ser reduzida a um conjunto de dados objectivos sujeitos a operações repetitivas é automatizável. Este tipo de informação designa-se por dados. • O que é tratar os dados? • Como se disse, a informação ou é útil ou não interessa. Para ser útil, é essencial que os dados recolhidos conduzam a resultados. Dados Operações sobre dados • Assim, tratar os dados corresponderá a: 1. Tomar conhecimento dos dados; 2. Transferir os dados e operar sobre eles; 3. Comunicar os resultados. Resultados

Comunicação �É necessário, no entanto, não esquecer que qualquer que seja a situação de comunicação, para que a linguagem “transporte informação”, ela tem de estar estruturada de modo preciso. Para isso, são necessários três elementos essenciais: � Um alfabeto, ou seja, um conjunto de símbolos representados de forma elementar: � � � Letras: A, B, C, …………, Z Números: 1, 2, 3, …………………. , 0 Sinais: /, ? , %, …………. . , $ � Uma sintaxe, ou seja, um conjunto de regras de conjugação desses símbolos de modo a construírem informações com significado. � Um suporte, ou seja, um meio físico (que, em última análise, pode ser o ar – para “transporte” do som) que permita transportar a informação…

Representações simbólicas �Um dos problemas da informação, que desde tempos imemoriais sempre preocupou o Homem, foi o da representação de quantidades. �Exemplos de diferentes representações de uma mesma quantidade - dez: � | | | | | (pinturas rupestres) � X (numeração romana) � = (numeração maia) � 10 (numeração árabe)

Representações simbólicas � Com o evoluir dos tempos, e porque seria utópico encontrar um símbolo para cada quantidade, a representação passou a ser feita por grupos de cinco, dez, vinte… Repare-se que cinco são os dedos de uma mão, dez são de duas mãos e vinte é o número de dedos que um ser humano possui nas mãos e nos pés! � É dentro desta perspectiva que aparece (e tem sido usado até hoje) o sistema de contagem decimal ou melhor designado – Sistema de Numeração de Base 10 (ou Decimal) – porque temos dez dedos nas duas mãos! � A verdade é que é possível decompor qualquer número numa combinação de potências de “Base” dez. � Exemplo: 1987 = 1 * 1000 + 9 * 100 + 8 * 10 + 7 * 1; ou seja 1987 = 1 * 103 + 9 * 102 + 8 * 101 + 7 * 100

Sistemas de Numeração �O computador usa circuitos que funcionam graças a processos físicos de tipo electromagnético. Sendo assim, o computador estará naturalmente predisposto para “entender” uma linguagem de tipo binário: �Magnetizado/Não magnetizado; �Passa corrente/Não passa corrente; �Com tensão/Sem tensão; �Sim/Não; � 1/0.

Sistema de Base 10 (Decimal) �Alfabeto: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 (10 símbolos) �Tomando como exemplo o número 1234, temos que: 1 2 3 4 Unidades (*1 ou *100) Dezenas (*10 ou *101) Centenas (*100 ou *102) Milhares (*1000 ou *103) �Então: 1 * 103 + 2* 102 + 3* 101 + 4 * 100 = 1000 + 200 + 30 + 4= 1234

Sistema de Base 2 (Binário) �Sendo o sistema binário aquele que é “entendido” pelo computador, tem uma importância que nos obriga a debruçarmo-nos um pouco melhor sobre ele. �Alfabeto: 0, 1 (2 Símbolos) �Para converter um binário em decimal: 110101(2) = ? (10) 110101(2)= 1 * 25 + 1 * 24 + o * 23 + 1 * 22 + 0 * 21 + 1 * 20 = 32 + 16 + 4 + 1 = 53(10)

Sistema de Base 8 (Octal) �Alfabeto: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 (8 Símbolos) �Exemplo: Converter 125(8) em base 10 (decimal): 125(8) = 1 * 82 + 2 * 81 + 5 * 80 = 64 + 16 + 5 85(10)

Sistema de Base 16 (Hexadecimal) �Alfabeto: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, A, B, C, D, E, F (16 símbolos) �Os procedimentos são exactamente os mesmos que para qualquer outro sistema numérico desde que tenhamos em linha de conta que: � Exemplo: A 10 Traduzir 1 D 5(16) em base 10: B 11 C 12 2 + D * 161 + 5 * 160 = 1 * 16 na base 10 D 13 1 * 256 + 13 * 16 + 5 * 1 = E 14 F 15 256 + 208 + 5 = 469 1 D 5 (16) 469 (10)

Conversões entre Sistemas Binário Decimal Hexadecimal 0000 0 0 0001 1 1 0010 2 2 0011 3 3 0100 4 4 0101 5 5 0110 6 6 0111 7 7 1000 8 8 1001 9 9 1010 10 A 1011 11 B 1100 12 C 1101 13 D 1110 14 E 1111 15 F Como podemos verificar que cada conjunto de 4 algarismos em binário (quarteto) corresponde a um algarismo em hexadecimal, o que torna a respectiva conversão extremamente simples.

Conversões entre números binários e decimais �Base 10 (Decimal) Base 2 (Binário) �Divisões sucessivas por 2 até se obter um quociente igual a 1 (menor que o divisor – base); em seguida, forma-se o número binário com os restos obtidos nas divisões, mas tomados por ordem inversa. 13 2 �Exemplo: 13(10) ? (2) 1 6 2 0 3 1 13(10) 1101(2) 2 1

Conversões entre Sistemas Conversões entre os sistemas de numeração octal, binário e hexadecimal: 4 7 7 2 Octal 1 0 0 1 1 1 0 1 0 9 100111111010(2) F 4772(8) 9 FA(16) A Hexadecimal

Informática e Tecnologias de Informação �As Tecnologias de Informação dizem respeito a processos de tratamento, controlo e comunicação de informação, baseados em meios electrónicos, portanto, computadores ou sistemas informáticos. �As Tecnologias de Informação e Comunicação – TIC – corresponde ao tratamento da informação, onde cada vez mais se articula com os processos de transmissão ou comunicação dessa informação de uns locais para outros, a pequenas ou a grandes distâncias.

Áreas de aplicação das TIC �Burótica é a associação dos procedimentos das TIC ao conceito de escritório. Aplicação da informática e tecnologias associadas ao trabalho de escritório. �Robótica é a associação das TIC a sistemas mecânicos controláveis. Técnica(s) ou equipamento(s) tecnológico(s) que permite(m) obter dispositivos que substituam ou completem o Homem em capacidades ou funções motoras. �Informática (Informação automática) é a ciência do tratamento racional da informação, nomeadamente, por procedimentos automáticos, considerada como suporte do conhecimento humano e da comunicação no domínio da técnica, do económico e do social. �Telemática associa o tratamento da informação à sua divulgação através de procedimentos de comunicação. �Biometria associa as TIC a componentes e registos biológicos criando simbioses úteis, nomeadamente em modelos de identificação.

Sistemas Informáticos �Os sistemas informáticos, em geral, são constituídos por dois tipos de componentes fundamentais: hardware e software.

Hardware �O hardware refere-se aos dispositivos físicos (electrónicos, mecânicos e electromecânicos) que constituem um sistema informático. A nível do hardware, é costume estabelecer-se uma distinção entre: �O computador propriamente dito – o que inclui principalmente a Unidade Central de Processamento (CPU); �Os periféricos ou dispositivos de I/O (input/output) – dispositivos que podem ligar-se a um computador para entrada e/ou saída de dados, tais como: teclado, rato, monitor, impressora, etc.

Software �Ao nível do software é costume distinguir-se entre: �Software de sistema – fundamentalmente o sistema operativo, que consiste numa primeira camada de software ou conjunto de instruções que transformam o hardware num sistema com o qual o utilizador pode interactuar e fazer funcionar os seus programas; �Software de aplicação – que engloba todo o restante tipo de programas de computador com que o utilizador pode realizar determinadas tarefas, como, por exemplo: programas de processamento de texto; programas de folha de cálculo; sistemas de gestão de bases de dados; programas de desenho, de tratamento de imagens, de apresentação gráfica; etc.

Modelos Informáticos � 1600 a. C, surgiu na China, o Ábaco, do grego Abax, significa tábua de cálculo; � 1642, Blaise Pascal concebe a primeira máquina de calcular digital (Pascaline); � 1673, Leibniz introduz alguns aperfeiçoamentos à máquina de Pascal, acrescentando-lhe as operações de multiplicação e divisão; � 1801, Joseph Marie Jacquard construiu um tear automático comandado por cartões perfurados (programação externa e autómato); � 1833, Charles Babbage, professor de matemática inglês, inicia a tentativa de construção de uma máquina (difference engine) que deveria ter a capacidade de realizar os cálculos que tinha necessidade. É considerado o pai dos computadores; � 1890, o censo dos Estados Unidos foi tratado em dois anos e meio o que, para a época, foi um feito assinalável, devido a um sistema de cartões desenvolvido por Herman Hollerith. Este funda a Tabulating Machine Company em 1896, mudando mais tarde o seu nome para Computer Tabulating Recording Company, companhia de que foi consultor até 1921. Em 1924 esta companhia muda o seu nome para IBM. � 1942, construção do primeiro computador não mecânico, o ENIAC (Electronic Numerical Integrator And Computer). Era impensável nossos dias. Pesava 30 toneladas, ocupava um espaço de 1500 m 2, necessitava de qualquer coisa como 140 KW para trabalhar e era composto por 18 mil lâmpadas de vácuo.

ENIAC (Electronic Numerical Integrator And Computer)

Gerações dos computadores 1ª Geração 3ª Geração Válvulas (lâmpadas de vazio); Circuitos integrados; Programação em linguagem-máquina; Generalização das linguagens evoluídas; Velocidade de tratamento – milissegundo (10 -3 s); Velocidade de tratamento – nanossegundos (10 - Grande aquecimento; Fraca fiabilidade. 2ª Geração Transístores e circuitos impressos; Programação em linguagem simbólica; 9 s); Tratamento de dados à distância; Aumento de potência e fiabilidade. 4ª Geração Memória electrónica; Velocidade de tratamento – microssegundos (10 - Velocidade de tratamento – picossegundos (10 -12 s); Memórias por anéis de ferrite; Baixa espectacular dos preços. 6 s); Aumento da fiabilidade. Miniturização (microcomputadores); 5ª Geração Massificação de sistemas e inteligência artificial; Velocidade de tratamento – 100 Mega a 1 Giga de LIPS (Logical Inference per Second); 1 LIPS = 100 a 1000 instruções por segundo Máquinas de tratamento directo de dados (não necessitam linguagem); Periféricos “inteligentes”: reconhecimento directo da imagem, da voz e das formas

Algumas datas importantes � 1964 – O primeiro computador é construído pela Digital – DEC PDP-8; � 1965 – Surgem as séries GE; � 1967 – Aparece a primeira calculadora de bolso da TEXAS; � 1971 – Surge o primeiro microcomputador, o Kenback I; � 1972 – Nasce o primeiro microprocessador da Intel – o 4004; � 1973 – O 4004 é substituído pelo 8080; � 1975 – O primeiro microcomputador pessoal, dotado de um processador da Intel, o Altair 8800, vê a luz do dia; � 1976 – Aparece o Apple I, feito numa garagem por Woznuiack e Jobs; � 1981 – Surge o primeiro PC da IBM dotado de um processador 8088 da Intel; � 1984 – Data da revolução Macintosh, com o 128, que pela primeira vez dispõe de uma interface gráfica e de um rato como entrada. Está munido de um Motorola MC 68000 a 8 Mhz e 128 K de memória; � Anos 90 – Capacidade em disco, velocidade de acesso, velocidade de processamento, periféricos ópticos, compactação da informação, tecnologia MMX foram as evoluções da década, o futuro, tal como o concebemos ainda hoje, é regulado pela lei de Moore e dela se deduz que provavelmente antes de 2010 iremos atingir o valor espantoso de 1 bilião de componentes por chip.

Conceitos essenciais �Semicondutores – Os elementos semicondutores podem ser tratados quimicamente para transmitir e controlar uma corrente eléctrica. A sua utilização é importante na fabricação de componentes electrónicos tais como diodos, transístores e outros de diversos graus de complexidade tecnológica, microprocessadores, e nano circuitos usados em nano tecnologia. �Transístor – Tranfer resistor – é um dispositivo semicondutor utilizado essencialmente para comutação (a corrente passa/a corrente não passa). Comporta-se, portanto, como um interruptor. �Circuito integrado – É constituído pela associação de transístores, resistências, díodos, etc. , conectados entre eles de modo a produzirem circuitos lógicos, num reduzido volume de material semicondutor.

Sistemas Informáticos – Sua constituição básica Software De aplicação Processadores de Texto Bases de Dados CAD, etc. De Sistema Operativo Hardware (Esquema de von Neumann) Dispositivos de Input CPU Memória Dispositivos de Output

Esquema de von Neumann

Arquitectura de um computador �A Unidade Central de Processamento (CPU), está dividida em três grandes blocos: �Unidade de Controlo (UC) Controla o fluxo de informação, quer entre os blocos no interior da CPU quer para dentro e para fora da CPU. É uma espécie de “organizador e gestor” do “trânsito informativo”. �Unidade Lógica e Aritmética (ALU) Bloco que agrupa os circuitos responsáveis pelas operações aritméticas e lógicas necessárias à execução dos programas. �Memória Central É um espaço físico destinado a “guardar” a informação. As memórias devem ser dispositivos capazes de: receber, conservar e restituir informação

Memórias �Memória ROM (Read Only Memory) �As ROM são memórias “apenas de leitura”. O facto das ROM usadas nos computadores pessoais serem apenas de leitura prende-se com o seu conteúdo. Isto é, as ROM são parte do BIOS – Basic Input/output System – e que são executados sempre que necessário, nomeadamente na altura do arranque (boot) do sistema e durante o seu funcionamento para aceder a componentes de hardware. �As ROM não são voláteis. Efectivamente, as ROM não podem ser voláteis, já que possuem programas imprescindíveis ao funcionamento do sistema que nunca podem de lá desaparecer!

Tipos de ROM �PROM (Programmable Read Only Memory) é uma memória que é deixada virgem pelo fabricante para ser programada pelo utilizador. Uma vez programada, o seu conteúdo permanece inalterável, tal como a ROM normal. �EPROM (Erasable PROM) é uma evolução natural das PROM, na medida que são “reprogramáveis”. A sua estrutura e modo de funcionamento são bem mais complexos do que os das suas predecessoras, mas têm a grande vantagem de poderem ver o seu conteúdo alterado. �EEPROM (Electrical Erasable PROM) é uma memória que para ser reprogramada, não necessita de ser removida do seu local, podendo ser alterados os conteúdos das células que for necessário alterar. Tudo é feito localmente através de impulsos eléctricos. �Flash-Rom

Memórias � Memória RAM (Random Access Memory) � É uma memória onde se pode ler, escrever e apagar. Quando se desliga da corrente, todo o seu conteúdo desaparece (volátil). � Algumas memórias RAM necessitam que os seus dados sejam frequentemente refrescados (actualizados), podendo então ser designadas por DRAM(Dynamic RAM) ou RAM Dinâmica. Por oposição, aquelas que não necessitam de refrescamento são normalmente designadas por SRAM (Static RAM) ou RAM Estática. � A capacidade de uma memória é medida em Bytes, Kilobytes, Megabytes ou Gigabytes. � A velocidade de funcionamento de uma memória é medida em Hz ou MHz. Este valor está relacionado com a quantidade de blocos de dados que podem ser transferidos durante um segundo.

Memórias �Memória Cache �É uma área reservada da memória RAM, onde é guardada a informação mais recentemente utilizada, fazendo acelerar imenso os processos, desde que seja “chamada”; �Quando a CPU requer uma dada instrução, pode acontecer uma de duas situações: � A instrução querida está em Cache – nesse caso, passa imediatamente ao processamento; � A instrução requerida não está em cache – nesse caso, tem de ser requerida à RAM.

Meios de Armazenamento Secundário �Os meios de armazenamento secundário surgem precisamente para permitirem que os programas e os dados com que trabalhamos num sistema informático possam ser guardados e recuperados sempre que se quiser. �Memórias primárias – funcionam em ligação directa com o processador; �Memórias secundárias, memórias de massa ou meios de armazenamento secundário – destinam-se a guardar os programas e a informação que os utilizadores necessitam de preservar para além dos momentos em que decorrem as operações de processamento.

Menor custo, maior capacidade, menor velocidade de acesso. Registos Memória cache Memória principal Memória secundária Maior custo, menor capacidade, maior velocidade de acesso. Hierarquia de armazenamento

Sistemas Operativos �O Sistema Operativo não é mais do que um conjunto de programas que faz a gestão dos recursos físicos e lógicos, e das operações fundamentais de um sistema informático. �Principais funções de um sistema operativo: Interface com o utilizador �Gestão de operações de I/O; �Diagnóstico e correcção de erros; �Criação e manutenção de ficheiros; Gestor de dispositivos ficheiros �Administração da memória; Gestor de �Controlo de segurança. processamento Conhecer um Sistema Operativo é conhecer como funcionam estes processos de gestão. Gestor de memória

Sistemas Operativos �Um Sistema Operativo é um gestor por excelência pois, por si próprio, é constituído tradicionalmente por um conjunto de gestores: � “Gere” os dispositivos através do controlo que faz da sua utilização (nomeadamente de I/O) e das comunicações entre eles; � “Gere” o(s) processador(es), atribuindo-lhe tempo e tarefas predeterminadas e organizando o tratamento da informação que este tem de fazer; � “Gere” os ficheiros, administrando, com cuidado e rigor, quer a localização fixa, quer a temporária, dos recursos informativos que o sistema usa, quer como agente de transformação da informação, quer a própria informação; � “Gere” a memória, em estrita colaboração com a gestão de ficheiros, alocando e realocando a informação necessária de modo a, nas melhores condições, dar resposta às questões colocadas pelo utilizador através da interface.

Classificação dos Sistemas Operativos �Sistemas monoprogramáveis/monotarefa � Os primeiros sistemas operativos eram tipicamente voltados para a execução de um único programa (job). Qualquer outro programa, para ser executado, deveria aguardar o término do programa corrente. Os sistemas monoprogramáveis, como passaram a ser conhecidos, caracterizam-se por permitir que o processador, a memória e os periféricos permaneçam exclusivamente dedicados à execução de um único programa. � Neste tipo de sistema, enquanto um programa aguarda por um evento, o processador permanece sem realizar qualquer tipo de processamento. Desta forma, a memória é subutilizada, caso o programa não a preencha totalmente. Os periféricos, como discos e impressoras, mantêm-se dedicados a um único utilizador. Programa/ Tarefa I/O CPU Memória

Classificação dos Sistemas Operativos �Sistemas multiprogramáveis/multitarefa �Os sistemas multiprogramáveis, que substituíram os monoprogramáveis, são mais complexos e eficientes, pois permitem a partilha dos recursos existentes. �As vantagens da utilização de sistemas multiprogramáveis são o aumento da produtividade dos utilizadores e a redução de custos associados à partilha dos diversos recursos do sistema. �A partir do número de utilizadores que interagem com o sistema, pode-se classificar os sistemas multiprogramáveis como monoutilizador e multiutilizador. �Os sistemas multitarefa, como também são chamados, caracterizam-se por permitir que o utilizador, em simultâneo, edite um texto, imprima um ficheiro, copie um ficheiro pela rede e utilize uma folha de cálculo, etc.

Classificação dos Sistemas Operativos �Sistemas multiprogramáveis/multitarefa Tempo C C C B B A A A Sistema Operativo C C E D D D Sistema Operativo I/O CPU Livre Tempo Sistema multiprogramável Sistema monoprogramável Fig. Organização da memória em sistemas multiprogramáveis/multitarefa I/O CPU 1 1 1 2 Tempo A, B, C, D, E processos/ programas em execução

Gestão de memória �A memória tem um papel crítico no desempenho de qualquer sistema computacional. Recebe e transfere dados entre os dispositivos de I/O (mundo externo) e o processador. �A gestão de memória levanta alguns problemas, nomeadamente: �O módulo de memória (convencional) não pode aceder a mais que uma palavra durante um ciclo de acesso; �A latência de memória, isto é, o tempo decorrido entre a requisição de um item pelo processador e o efectivo recebimento deste dado. Este problema deve-se, essencialmente, a dois factores: Factor tecnológico – disparidade entre a velocidade de processamento e a velocidade de acesso à memória; � Factor estrutural – em sistemas com mais de uma CPU, a concorrência de acesso à memória pode atrasar a recepção do item. �

Memória virtual �O conceito de memória virtual baseia-se no desvincular do endereçamento feito pelo programa dos endereços físicos da memória principal. Assim, os programas e as suas estruturas de dados deixam de estar limitados ao tamanho da memória física disponível. Memória total Memória física (real) Memória virtual (arquivo de troca) O espaço de endereçamento, consiste no conjunto de endereços da memória principal. O espaço virtual é o conjunto de endereços gerados pelo processador. Os endereços virtuais precisam de ser traduzidos em termos de endereços físicos durante a execução dos programas.

Memória virtual �Nos sistemas com memória virtual existe um (ou vários) CI, denominado MMU (Memory Management Unit), que efectua o mapeamento dos endereços virtuais em endereços físicos. �Paginação – Na paginação, a informação é mantida para segmentos de tamanho fixo das memórias primária e secundária. As páginas de memória secundária são transportadas para frames de páginas da memória principal. O endereço virtual é composto pelo endereço da página, descodificado no mapa de endereços, e o deslocamento dentro da página. �Segmentação – A segmentação é a técnica de gestão de memória onde os programas são divididos logicamente em subrotinas e estruturas de dados e colocados em blocos de informações na memória. Os blocos têm tamanhos variáveis e são chamados segmentos. Cada bloco tem o seu próprio espaço de endereçamento.

Descrição de uma tarefa �Todos os computadores modernos podem fazer diversas coisas ao mesmo tempo, enquanto estiver a executar um programa, pode também ler de um disco e imprimir numa impressora. �Uma tarefa é um programa em execução, sendo constituído do código executável, dos dados referentes ao código, da pilha de execução, registos e de toda a informação necessária para correr o programa.

Fase de execução de uma tarefa �Existem 3 fases de execução de uma tarefa �Running – a executar usando o processador neste instante �Ready – Pronto, ou seja, em condições de executar, mas bloqueado temporariamente para dar a vez a outra tarefa ou processo �Bloqueado – Impedido de rodar até que ocorra um determinado evento externo ao processo

Aplicações e processos