Fundamentos da Informática: CPU, Memória e Redes

Introdução à Informática: A Unidade Central de Processamento

O Que Acontece Dentro do Computador

Prof. Me. Vitor Sobral
CCTA / UFCG

Objetivos

• Explicar como os dados são representados;
• Explicar o funcionamento e a interação da CPU com a memória;
• Descrever como as instruções são executadas;
• Descrever os componentes da placa-mãe (motherboard) da máquina;
• Relacionar as abordagens relativas à velocidade de processamento.

Representação de Dados

Os computadores entendem duas coisas: ligado e desligado.

Dados são representados na forma binária:

• Sistema numérico binário (base 2).
• Contém somente 2 dígitos: 0 e 1.
• Corresponde a dois estados: ligado e desligado.

BIT (Binary Digit)

• Abreviação 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.

BYTE

• Um grupo de 8 bits.
• Cada byte tem 256 (2⁸) valores possíveis.
• Para texto, armazena um caractere (letra, dígito ou caractere especial).
• Dispositivos de memória e armazenagem são medidos em número de bytes.

PALAVRA (Word)

• O número de bits que a CPU processa como uma unidade.
• Tipicamente, um número inteiro de bytes.
• Quanto maior a palavra, mais potente é o computador.
• Computadores pessoais tipicamente têm 32 ou 64 bits de extensão de palavras.

Capacidades de Armazenamento

• KILOBYTE (KB): 1024 (2¹⁰) bytes. Capacidade de memória dos computadores pessoais mais antigos.
• MEGABYTE (MB): Aproximadamente, um milhão (2²⁰) de bytes. Usado para memória de computadores pessoais e dispositivos de armazenamento portáteis (disquetes, CD-ROMs).
• GIGABYTE (GB): Aproximadamente, um bilhão (2³⁰) de bytes. Usado em dispositivos de armazenamento (discos rígidos) e memória de mainframes e servidores de rede.
• TERABYTE (TB): Aproximadamente, um trilhão (2⁴⁰) de bytes. Usado em dispositivos de armazenamento para sistemas muito grandes.

Unidade Central de Processamento (CPU)

• Conjunto complexo de circuitos eletrônicos.
• Executa instruções de programa armazenadas.
• É composta por duas partes principais:
  • Unidade de Controle (UC);
  • Unidade Aritmética e Lógica (ULA).

Unidade de Controle (UC)

• Direciona o sistema do computador a executar instruções de programa armazenadas.
• Deve comunicar-se com a memória e com a ULA.
• Envia dados e instruções do armazenamento secundário para a memória, quando necessário.

Unidade Aritmética e Lógica (ULA)

• Executa as operações aritméticas e lógicas.
• Operações aritméticas: Adição, subtração, multiplicação, divisão.
• Operações lógicas: Compara números, letras ou caracteres especiais; testa uma de três condições: igualdade (=), menoridade (<) e maioridade (>).

Armazenamento de Dados e a CPU

Existem dois tipos de armazenamento:

• Armazenamento Primário (Memória):
  • Armazena dados temporariamente.
  • A CPU referencia-a tanto para obtenção de instruções de programa quanto de dados.
• Armazenamento Secundário:
  • Armazenamento de longo prazo.
  • Armazenado em mídia externa, por exemplo: um disco.

A Interação entre CPU e Memória

A CPU não pode processar dados diretamente do disco ou de um dispositivo de entrada. Primeiramente, eles devem residir na memória. Então, a Unidade de Controle recupera dados do disco e transfere-os para a memória.

A Unidade de Controle envia itens à CPU e depois os envia novamente à memória após serem processados.

Dados e instruções permanecem na memória até serem enviados a um dispositivo de saída ou armazenamento, ou até o programa ser fechado.

Armazenamento Temporário de Alta Velocidade: Registradores

• Localizações de armazenamento situadas dentro da CPU.
• Funcionam sob direção da Unidade de Controle:
  • Recebem, guardam e transferem instruções ou dados;
  • Controlam onde a próxima instrução a ser executada ou os dados necessários serão armazenados.

Memória Principal (Armazenamento Primário)

• Frequentemente expressa como Memória de Acesso Aleatório (RAM).
• Não faz parte da CPU e retém dados e instruções para serem processados.
• Armazena informações somente enquanto o programa está em operação.

Componentes de Hardware e Tipos de Memória

Placa-Mãe (Motherboard)

• Placa de circuitos plana que contém os circuitos do computador.
• A CPU (microprocessador) é o componente mais importante, considerada o cérebro do computador.

Memória de Acesso Aleatório – RAM

• Dados podem ser acessados aleatoriamente (o endereço de memória 10 pode ser acessado tão rapidamente quanto o endereço 10.000.000).
• Tipos:
  • RAM Estática – Static RAM (SRAM)
  • RAM Dinâmica – Dynamic RAM (DRAM)

Memória Somente de Leitura – ROM

• Contém programas e dados registrados permanentemente na memória pela fábrica.
• Não pode ser alterada pelo usuário.
• Não Volátil: o conteúdo não desaparecerá quando houver queda de energia.
• Chips de ROM programáveis (PROM): Algumas instruções no chip podem ser alteradas.

Memória Flash

• Memória de Acesso Aleatório não volátil.
• Usada em telefones celulares, câmeras digitais e computadores manuais (handheld).
• Os chips de memória flash assemelham-se a cartões de crédito.
• Menores do que uma unidade de disco e requerem menos energia.

Barramentos, Portas e Cache

Barramentos de Expansão e Portas Comuns

• Barramento Industry Standard Architecture (ISA): Usado para dispositivos lentos, como o mouse.
• Porta Universal Serial Bus (USB): Permite converter muitos dispositivos em série para a porta USB.
• Barramento IEEE 1394: Barramento de alta velocidade que conecta equipamentos de vídeo.

Memória Cache

• Área de armazenamento temporário de alta velocidade que guarda os dados e as instruções usados com mais frequência e mais recentemente.
• O microprocessador procura primeiramente na cache os dados de que necessita. Estes são transferidos da cache mais rapidamente do que da memória. Caso não estejam na cache, a Unidade de Controle recupera-os da memória.
• Quanto maior a “presença de dados” na cache (hit rate), mais rápido é o desempenho do sistema.

Cache de Processador

• Cache Interna (Nível 1): Embutida no microprocessador. Acesso mais rápido, porém custo mais elevado.
• Cache Externa (Nível 2): Em um chip separado (incorporada ao processador em alguns microprocessadores atuais).

Comunicação de Dados e Redes

Evolução da Comunicação de Dados

Sistemas computadorizados que transmitem dados por meio de linhas de comunicação, como, por exemplo, linhas telefônicas ou cabos.

Evolutivamente:

• Processamento centralizado de dados, nos primórdios.
• O processamento distribuído de dados iniciou-se no fim da década de 1960.
• As redes de computadores pessoais iniciaram-se na década de 1980.

Processamento Centralizado de Dados

• Coloca todo o hardware, software e processamento em um único local.
• Muito inconveniente e ineficiente:
  • A entrada de dados precisava ser transportada fisicamente para o computador.
  • O material processado precisava ser entregue aos usuários.

Processamento Distribuído de Dados

• Usa computadores que estão a uma certa distância do computador central.
• Computadores locais precisavam acessar computadores centrais.
• Parte do processamento era feita em computadores locais, a outra parte em computadores centrais.

Redes de Computadores

Usam equipamentos de comunicação para conectar dois ou mais computadores e seus respectivos recursos.

• Sistemas de processamento distribuído de dados são redes.
• Rede Local (LAN - Local Area Network): Projetada para compartilhar dados e recursos entre diversos usuários em um escritório ou prédio.
• Rede de Área Metropolitana (MAN - Metropolitan Area Network): Interliga várias redes geograficamente próximas (dezenas de quilômetros) num circuito urbano.
• Rede de Longa Distância (WAN - Wide Area Network): É uma rede de computadores que abrange uma grande área geográfica: um país ou continente.

Transmissão de Dados

• Transmissão Símplex: Envia dados em uma única direção apenas. Ex: transmissão de rádio.
• Transmissão Semidúplex (Half-Duplex): Envia dados em ambas as direções, mas somente em um sentido por vez. Ex: rádio telefonia (walkie-talkie).
• Transmissão Dúplex Completo (Full-Duplex): Permite transmissão em ambas as direções ao mesmo tempo. Ex: conversa telefônica. Usada para comunicação de dados de alta velocidade.

Mídias de Comunicação

São meios físicos de transporte de dados. Seus principais tipos:

• Pares de fios (Cabo Trançado);
• Fibra Óptica;
• Transmissão por Satélite.

Mídias: Pares de Fios (Cabo Trançado)

• São os pares trançados, havendo dois fios trançados um ao redor do outro para reduzir a interferência elétrica.
• Baratos e já instalados (para sistemas telefônicos).
• Suscetíveis a interferências elétricas e ruídos que provocam distorção do sinal.

Mídias: Fibra Óptica

• Usa a luz em vez de eletricidade para enviar dados.
• Imune a interferências elétricas.
• Materiais baratos, porém, sua instalação tem um custo mais elevado.

Mídias: Por Satélite

• O satélite age como uma estação de retransmissão.
• A estação terrestre envia e recebe sinais do satélite.
• Um transponder recebe e amplifica o sinal e retransmite os dados.
• Útil quando os sinais devem percorrer milhares de quilômetros.

Referências

CAPRON, H. L.; JOHNSON, J. A. Introdução à Informática. Person Education, 2004.

http://www.widesoft.com.br/us/virtual/indice.htm