Guia Completo de Arquitetura de Computadores e Sistemas Numéricos

Sistemas Numéricos e Bases

Sistema Base Algarismos:

• Binário (Base 2): 0, 1
• Octal (Base 8): 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7
• Decimal (Base 10): 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9
• Hexadecimal (Base 16): 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, A, B, C, D, E, F

Conversões entre Bases Numéricas

Decimal para Qualquer Número: Divida pelo valor da base desejada. Por exemplo, para hexadecimal, divida por 16; para octal, divida por 8, e assim sucessivamente. O resultado será lido de trás para frente, escrevendo também de trás para frente (não esquecendo de indicar a base no final).

Qualquer Número para Decimal: Utilize a tabela de potências da base correspondente (ex: octal - base 8, hexadecimal - base 16, binário - base 2).

Binário para Decimal: Utilize a tabela de potências de 2 (2⁰, 2¹, 2², 2³, 2⁴, e assim sucessivamente) e some os resultados.

Binário para Octal: Separe os dígitos binários em grupos de 3, começando da direita para a esquerda. Para cada grupo, utilize a tabela de potências de 2 (2⁰, 2¹, 2²) e some os resultados.

Binário para Hexadecimal: Separe os dígitos binários em grupos de 4, começando da direita para a esquerda. Para cada grupo, utilize a tabela de potências de 2 (2⁰, 2¹, 2², 2³) e some os resultados.

Hexadecimal para Binário: Separe cada dígito hexadecimal e transforme-o para binário, utilizando a divisão ou a tabela de conversão, garantindo que cada resultado binário tenha 4 bits. Se não tiver os quatro bits, complete com zeros à esquerda.

Hexadecimal para Octal: Separe cada dígito hexadecimal e transforme-o para binário, garantindo 4 bits para cada. Se não tiver os quatro bits, complete com zeros à esquerda. Em seguida, pegue o resultado binário e separe-o em grupos de 3 bits, convertendo cada grupo para octal usando a tabela de potências de 2.

Hexadecimal para Decimal: Separe cada dígito hexadecimal e transforme-o para binário, garantindo 4 bits para cada. Se não tiver os quatro bits, complete com zeros à esquerda. Em seguida, pegue o resultado binário completo e utilize a tabela de potências de 2 (2⁰, 2¹, 2², 2³, 2⁴, e assim sucessivamente), somando todos os resultados para obter o valor decimal.

Adição em Diferentes Bases

• Adição Binária: 0 → 1
• Adição Octal: 0 → 1 → 2 → 3 → 4 → 5 → 6 → 7
• Adição Hexadecimal: 0 → 1 → 2 → 3 → 4 → 5 → 6 → 7 → 8 → 9 → A → B → C → D → E → F

Componentes e Arquitetura de Computadores

Circuitos Integrados

Todos os processadores modernos estão encapsulados em um único circuito integrado (CHIP). Cada chip processador tem um conjunto de pinos, por meio dos quais ele se comunica com o exterior: Endereço, Dados, Controle.

Conclusão sobre Circuitos Integrados

Através da eletrônica digital é possível implementar circuitos para a solução de problemas do cotidiano. Um processador é formado por um conjunto de circuitos, que armazenam e processam informações no formato binário.

Perguntas e Respostas Fundamentais

1. Em sua opinião, qual é a diferença entre CPU e processador?

   Não há diferença, trata-se do mesmo componente do computador. CPU (Central Processing Unit).

2. Cite os dispositivos de armazenamento que você conhece:

   Disco rígido, pendrive, CD, DVD, memória principal, memória cache.

3. Cite os dispositivos de entrada que você conhece:

   Teclado, mouse, leitoras ópticas, leitoras de cartões magnéticos, câmeras de vídeo, microfones, sensores, etc.

4. Cite os dispositivos de saída que você conhece:

   Impressoras, monitores de vídeo, plotters, atuadores, chaves, etc.

História da Computação

Fase Zero (até 1945)

• John Napier (1550-1617): Inventou a "Tábua de Napier", similar a uma tabela de multiplicações. A tábua reduzia multiplicações e divisões a adições e subtrações. Precursora da régua de cálculo.
• Blaise Pascal (1623-1662): Filósofo e matemático francês, conhecido como o inventor da primeira calculadora que fazia somas e subtrações.
• Charles Babbage (1792-1871): O brilhante matemático inglês é conhecido como o "Pai do Computador". Babbage projetou o "Calculador Analítico", muito próximo da concepção de um computador atual.
• Ada Augusta Lovelace (1815-1852): Filha do poeta Lord Byron, era matemática amadora entusiasta. Ada tornou-se a primeira programadora, escrevendo séries de instruções para a máquina analítica. Ada inventou o conceito de sub-rotina, descobriu o valor das repetições - os laços (loops) e sonhava com o desvio condicional (se).
• George Boole (1815-1864): O matemático inglês publicou em 1854 os princípios da lógica booleana, onde as variáveis assumem apenas valores 0 e 1 (verdadeiro e falso).
• Dr. Herman Hollerith (1860-1929): Por volta de 1890, foi responsável por uma grande mudança na maneira de se processar os dados dos censos da época: desenvolveu uma máquina de perfurar cartões e máquinas de tabular e ordenar.
• Z1: Primeiro computador eletromecânico construído em 1936 pelo alemão Konrad Zuse (1910-1995).
• Mark I: 1944.

Primeira Fase (1945-1955)

• Contexto: Segunda Guerra Mundial.
• ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer): Primeiro computador digital de propósito geral. Possuía 18 mil válvulas, 10 mil capacitores, 70 mil resistores, pesava 30 toneladas e consumia 140KW. Realizava 5 mil adições por segundo.
• EDVAC (Electronic Discrete Variable Automatic Computer).
• IAS (Princeton Institute for Advanced Studies).
• Usuários: Universidades e Órgãos militares.
• UNIVAC I (Universal Automatic Computer): Primeira máquina para aplicações comerciais (Censo de 1950).
• Tecnologia: Válvula.
• Programação: Através de fios.

Segunda Fase (1956-1965)

• Tecnologia: Transistor e memórias magnéticas.
• Primeiras Linguagens de Programação: Assembly, Fortran.
• Primeiros Sistemas Operacionais.
• Dispositivos de E/S: Cartões perfurados, fitas magnéticas, console do operador.
• Processamento: BATCH.
• Unidade de Fita Magnética.

Terceira Fase (1966-1980)

• Tecnologia: Circuitos Integrados (CI); microprocessadores.
• Computadores Notáveis: IBM /360 (mainframes), DEC PDP-8 (minicomputadores).
• Características: Multiprogramação.
• Dispositivos de E/S: Terminal de vídeo, teclado, disco magnético.
• Interação: On-line.
• Sistemas Operacionais: Surge o UNIX.
• Primeiros Microcomputadores: Apple 8 bits, sistema operacional CPM.

Quarta Fase (1981-1990)

• Tecnologia: Integração em larga escala (LSI) e integração em muito larga escala (VLSI).
• Surgimento: PCs (Personal Computers).
• Sistemas Operacionais: Surgimento do DOS (Disk Operating System).
• Estações de Trabalho: Workstations multitarefas.
• Redes: Redes distribuídas (WANs): TCP/IP; Redes Locais (LANs).
• Computadores Notáveis: Original IBM PC.

Quinta Fase (1991-...)

• Tecnologia: VLSI e ULSI.
• Arquiteturas: Arquiteturas paralelas.
• Processamento: Distribuído.
• Sistemas Operacionais: Consolidação dos Sistemas Operacionais de interface gráfica.
• Integração: Computação-Telecomunicações.

Barramentos de Comunicação

Largura de Barramento

Quantidade de linhas existentes: 8 bits, 16 bits, 32 bits, 64 bits, etc.

• Barramento de Endereços: Determina a quantidade máxima de memória endereçável.
• Barramento de Dados: Determina a quantidade de bits transmitidos a cada operação.

Atividade em Sala

O antigo processador 8086 tem um barramento de dados de 16 bits e barramento de endereço de 20 bits. Assinale V (Verdadeiro) ou F (Falso):

• (V) A cada operação de leitura são trazidos 2 bytes de dados.
• (F) A cada operação de leitura são trazidos 20 bits de dados.
• (V) O tamanho máximo da memória endereçável é de 1 MB.
• (F) O tamanho máximo da memória endereçável é de 64 KB.

Conclusão sobre Barramentos

A estrutura básica de um computador compreende:

• UCP, Memória, Dispositivos de E/S e barramento.
• A UCP realiza sempre a mesma tarefa: o ciclo de instrução.
• A velocidade de processamento não depende exclusivamente da velocidade do processador.
• A largura do barramento é fator determinante do desempenho de um computador.

Memória do Computador

A memória é a parte do computador onde os programas e os dados são armazenados. Sem uma memória na qual os processadores possam ler ou escrever informações, o conceito de computador digital com programa armazenado não pode ser implementado.

Unidades de Medida de Memória

• Bit: (Binary digIT): armazena um valor 0 ou 1.
• Byte: conjunto de 8 bits.
• Kilobyte (KB): representa 1.024 bytes (2¹⁰ bytes).
• Megabyte (MB): representa 1.024 Kilobytes (1.024 x 1.024 bytes), ou seja, aproximadamente 1 milhão de bytes.
• Gigabyte (GB): representa 1.024 Megabytes (1.024 x 1.024 x 1.024 bytes), ou aproximadamente 1 bilhão de bytes.
• Terabyte (TB): representa 1.024 Gigabytes (1.024 x 1.024 x 1.024 x 1.024 bytes), ou aproximadamente 1 trilhão de bytes.
• Petabyte (PB): representa 1.024 Terabytes (2⁵⁰ bytes).

Métodos de Acesso à Memória

• Sequencial
• Direto
• Aleatório
• Associativo

Tecnologias de Memória

• Magnética
• Óptica
• Semicondutores

Características Físicas da Memória

• Volátil
• Não volátil
• Apagável
• Não apagável

Níveis de Hierarquia de Memória

• Memória em 2 Níveis: Processador, Memória Principal, Memória Secundária.
• Memória em 3 Níveis: Cache 1, Memória Principal, Memória Secundária.
• Memória em 4 Níveis: Cache 1, Cache 2, Memória Principal, Memória Secundária.

Técnicas de Entrada e Saída (E/S)

• E/S Programada: Efetuada sob controle direto e contínuo do programa que requisitou a operação de E/S.
• E/S Dirigida por Interrupção: O programa envia um comando de E/S e então continua a execução de instruções até que ocorra uma interrupção gerada pelo hardware de E/S, que sinaliza o término da operação de E/S requerida.
• Acesso Direto à Memória (DMA - Direct Memory Access): A E/S é controlada por um processador especializado de E/S, que se encarrega de transferir os blocos de dados diretamente de/para a memória.

Uso do Barramento para E/S

• Árbitro: Preferência para os dispositivos de E/S.

Interfaces de E/S

As interfaces de entrada e saída são conhecidas por diversos nomes, dependendo do fabricante:

• Adaptador de Periférico
• Controladora de E/S
• Processador de Periférico
• Canal de E/S

Processo de Comunicação de E/S

1. Inicialmente, a UCP interroga o dispositivo, enviando o endereço do dispositivo e um sinal dizendo se quer mandar ou receber dados através da interface.
2. O periférico, reconhecendo seu endereço, responde quando está pronto para receber (ou enviar) os dados.
3. A UCP então transfere (ou recebe) os dados através da interface.
4. O dispositivo responde confirmando que recebeu (ou transferiu) os dados ou que não recebeu os dados, neste caso solicitando retransmissão.

Tipos de Comunicação

Comunicação em Paralelo

Exemplos: Unidades de disco, CD-ROM, DVD, ou mesmo impressoras.

Comunicação Serial

Exemplos: Teclado, mouse.

Transmissão Síncrona

Tempo entre caracteres constante.

Transmissão Assíncrona

Tempo entre caracteres variável.

Conclusão sobre Organização do Computador

A organização de um computador determina a maneira como seus componentes se interligam. A implementação dessa organização pode ser feita utilizando-se diversas tecnologias: isso é chamado de arquitetura do computador. Os quatro elementos principais da organização são UCP, Memória, Dispositivos de E/S e barramento.

Questões e Conceitos Adicionais

1. A ULA e a UC são componentes do processador. Explique o que são e qual a sua função.

   ULA = Unidade Lógica e Aritmética. Sua principal função é executar as operações lógicas e aritméticas.

   UC = Unidade de Controle. É o dispositivo dentro do computador responsável por controlar as operações de todos os componentes do computador, fornecendo sinais de temporização e de controle.

2. Quais as etapas do ciclo de instruções?
   • Busca: a instrução a ser executada é buscada na memória principal.
   • Decodificação: o tipo de operação que será realizada é identificada e os operandos da instrução são lidos dos registradores.
   • Execução: as instruções aritméticas são executadas pelas unidades funcionais.
   • Acesso à Memória: as instruções que gravam ou leem valores da memória são executadas.
   • Escrita: os valores das operações são atualizados nos registradores do processador.
3. Defina largura do barramento.

   Stallings (2005) define a largura de um barramento como a quantidade total de linhas que ele possui. Assim, se um barramento possui largura de 32 linhas, então ele possui capacidade de transmitir 32 bits simultaneamente.

4. a. Num barramento USB podem ser conectados 127 equipamentos.

   b. A velocidade de transmissão do barramento USB 2.0 é de 480 Mb/s. (Verdadeiro: 60MB/s = 480Mb/s. Observar que uma medida está em MegaBytes e a outra em Megabits).

A cache possui maior velocidade e custo que a memória principal.

O computador pode possuir múltiplos níveis de cache.

O monitor que é baseado no uso de polímeros contendo substâncias orgânicas que brilham ao receber um impulso elétrico é o OLED.

A memória do computador considerada mais veloz e mais cara é a memória cache.

Questões de Múltipla Escolha (Gabarito)

Questão 1: Qual é a representação negativa do número 96₁₀, no padrão de 8 bits, utilizando-se o método de Complemento de Dois?

Resposta Gabarito: 10100000

Comentário do Gabarito: Para obter o complemento de dois de um número binário é necessário: 1º Obter o complemento de um, trocando todos os 0s por 1s e os 1s por 0s; e, 2º Somar 1 ao resultado do complemento de um.

Questão 4: Qual destes barramentos utiliza a comunicação serial ao invés da comunicação em paralelo?

Resposta Gabarito: PCI Express.

Comentário do Gabarito: Das cinco alternativas informadas, o PCI Express é o único que foi desenvolvido com a tecnologia de comunicação serial. Os demais utilizam comunicação em paralelo.

Questão 5: Qual das características abaixo não corresponde ao barramento USB 2.0?

Resposta Gabarito: Utiliza comunicação em paralelo.

Comentário do Gabarito: Assim como o PCI Express, o USB 2.0 também utiliza a comunicação serial. Portanto, a alternativa E está incorreta.

Padrões de Conexão: USB e FireWire

USB (Universal Serial Bus)

É um tipo de conexão "plug and play" que permite a conexão de periféricos sem a necessidade de desligar o computador.

Antigamente, instalar periféricos em um computador obrigava o usuário a abrir a máquina, o que para a maioria das pessoas era uma tarefa quase impossível pela quantidade de conexões internas, que muitas vezes eram feitas através de testes perigosos para o computador, sem falar que na maioria das vezes seria preciso configurar jumpers e interrupções IRQs, tarefa difícil até para profissionais da área.

O surgimento do padrão PnP (Plug and Play) diminuiu toda a complicação existente na configuração desses dispositivos. O objetivo do padrão PnP foi tornar o usuário sem experiência capaz de instalar um novo periférico e usá-lo imediatamente sem mais delongas. Mas esse padrão ainda era suscetível a falhas, o que causava dificuldades para alguns usuários.

FireWire (IEEE 1394)

O FireWire (também conhecido como i.Link, IEEE 1394 ou High Performance Serial Bus/HPSB) é uma interface serial para computadores pessoais e aparelhos digitais de áudio e vídeo que oferece comunicações de alta velocidade e serviços de dados em tempo real. O FireWire pode ser considerado uma tecnologia sucessora da quase obsoleta interface paralela SCSI.

O FireWire é uma tecnologia de entrada/saída de dados em alta velocidade para conexão de dispositivos digitais, desde camcorders e câmeras digitais até computadores portáteis e desktops. Amplamente adotada por fabricantes de periféricos digitais como Sony, Canon, JVC e Kodak, o FireWire tornou-se um padrão estabelecido na indústria tanto por consumidores como por profissionais.