Tic - Aula01

TIC – Tecnologia da Informação e Comunicação Professora: Ana Paula de Morais AULA 01

1. Conceitos Básicos 1.1 Componentes de um sistema de computação Componentes Básicos de um computador Um computador típico possui três componentes básicos: • • •

Unidade Central de Processamento (UCP ou CPU, como é mais conhecida); Memória Principal e Sistema de Entrada e Saída.

A CPU exerce o controle do computador, sendo responsável pela busca (fetching) das instruções (as quais estão em seqüência), pela sua decodificação (ou interpretação) e execução. A busca e a decodificação das instruções são realizadas pela Unidade de Controle, enquanto que a execução fica ao encargo da Unidade Operativa. A unidade operativa, por sua vez, é composta pela Unidade Lógica e Aritmética e por um conjunto de Registradores de uso genérico. A Memória Principal armazena as instruções e os dados a serem processados pela CPU. O Sistema de Entrada e Saída (I/O - Input/Output system, em inglês) têm como função conectar o computador ao meio externo, a fim de torná-lo verdadeiramente útil ao ser humano. Este sistema é composto por um meio físico de conexão chamado barramento (bus) e um conjunto de dispositivos de entrada e saída, chamados periféricos. Os periféricos geralmente são sistemas mistos, do tipo eletromecânicos, que permitem ao ser humano entrar com os dados ou obter ou visualizar os resultados. Exemplos de periféricos são teclado, vídeo, impressora, mouse, unidades de disco flexível (disquetes), unidades de disco rígido (winchester), unidades de fita magnética, modem, placa de som, scanner, vídeo touch-screen, plotter etc. Alguns periféricos permitem somente a entrada de dados (teclado), outros só permitem a saída (vídeo e impressora) e outros permitem tanto a entrada como a saída (unidades de discos magnéticos e unidades de fitas magnéticas). Associado a cada periférico existente num computador, há um circuito específico de controle de interface de E/S (I/O interface processor), cuja função é adaptar os sinais gerados pelo periférico conforme as necessidades do computador. A estrutura descrita nos últimos parágrafos é mostrada na figura 1. As funções possíveis de serem executadas pela CPU estão definidas no seu conjunto de instruções. Um computador típico possui algo entre 50 e 200 instruções distintas. As instruções podem ser divididas em três grupos, conforme sua natureza: • • •

Instruções de transferência de dados; Instruções de processamento de dados e Instruções de controle.

As instruções de transferência de dados apenas movem as informações, sem alterar seu conteúdo. As transferências podem ocorrer dentro da CPU, entre a CPU e a memória principal, entre algum periférico e a CPU ou entre algum periférico e a memória principal. As instruções de processamento de dados transformam as informações utilizando os recursos de hardware disponíveis na unidade operativa da CPU. Neste grupo encontram-se as instruções aritméticas, tais como adição, subtração, multiplicação e incremento, e as instruções lógicas, tais como adição lógica (ou), multiplicação lógica (e), complementação (ou inversão) e ou-exclusivo.

Figura 1 - Diagrama de blocos de um computador com arquitetura convencional. As instruções de controle determinam a seqüência segundo a qual as instruções são executadas, permitindo que o controle seja transferido de uma parte do programa para outra, ou entre diferentes subprogramas. Exemplos de instruções deste tipo são jump (salto), chamada de sub-rotina e retorno de sub-rotina. A unidade de controle é responsável pelo controle do endereço da memória principal no qual estão armazenadas as instruções. Para tanto, existe um registrador especial, denominado contador de programa (program counter - PC), cuja função é armazenar o endereço no qual está armazenada a instrução que está sendo executada. Como normalmente as instruções são armazenadas e carregadas em seqüência, a operação mais comum realizada sobre o conteúdo do PC é o incremento (soma um). Na realidade, o PC é um registrador-contador. Adicionalmente, instruções de controle podem influenciar a seqüência de execução de um programa alterando o conteúdo do PC. Existem ainda outros registradores que facilitam o acesso a instruções e dados. Por exemplo, uma região contínua da memória, denominada pilha (stack), é utilizada enquanto da transferência do controle do sistema (computador) entre subprogramas. O apontador de pilha (stack pointer - SP), é um registrador usado no controle da posição de memória para colocar/retirar dados do topo da pilha. O diagrama de blocos da figura 1 representa o modelo convencional de computador, também conhecido como modelo (ou arquitetura) de von Neumann, por ser descendente direto do computador desenvolvido em 1946 por von Neumann e sua equipe. A maior parte dos computadores ainda hoje apresentam traços desta arquitetura. Suas principais características são: • • • • •

Possuir uma unidade de processamento central, para a execução de operações lógicas e aritméticas; Possuir uma unidade de controle de programa, a qual determina o seqüenciamento das instruções a serem executadas por meio de sinais de controle; Instruções dos programas armazenadas de maneira seqüencial, facilitando sua busca; Existência de registradores dedicados ao armazenamento dos operandos e dos resultados das operações; Unidade de armazenamento central, na qual são guardados programas e dados, de forma compartilhada;

•

Existência de um único barramento do sistema, o qual deve ser usado de forma compartilhada para a transferência de dados e instruções entre os diversos blocos.

Dentre todas as características, as duas últimas resultam em restrições severas para a tentativa de aumento do desempenho de computadores baseados no modelo de von Neumann. O fato de instruções e dados utilizarem o mesmo caminho para serem transferidos da memória principal para a CPU inviabiliza a possibilidade de se explorar o paralelismo de operações para acelerar o processamento. Levando-se em conta que os tempos de execução das instruções que envolvem apenas operações internas à CPU são muito menores do que o tempo necessário para transferências entre memória e CPU, caso fosse possível carregar instruções e dados ao mesmo tempo, o computador como um todo ficaria mais veloz. Porém, com um único barramento e um único bloco de memória, isto é impossível. Este problema é comumente referido como gargalo do modelo de von Neumann.

Representação das informações: Bit, Byte, Caractere, Palavra, Arquivos, Registros Bit, Byte, Caractere e Palavra Tudo na informática só se tornou possível graças a um outro fator além da velocidade de processamento, a capacidade de armazenamento. Isto quer dizer que, quando eu faço algo no computador, eu posso guardá-lo para poder continuar a usá-lo mais tarde. Por exemplo, se eu estou digitando um trabalho no computador e tenho que parar para ir ao médico ou outro compromisso qualquer, desligando a máquina, tudo que eu havia escrito até o momento seria perdido, não fosse a capacidade de armazenar dados dos computadores. O que acontece, é que quando se armazena algo, isto ocupa um certo espaço de armazenamento. Os computadores atuais são máquinas digitais, ou seja, máquinas que processam dados de forma discreta, como números. Esses computadores são diferentes dos computadores analógicos que fazem o processamento baseados em dados medidos por analogia. Por exemplo podemos ter dados relacionados com: velocidade, comprimento, período ou freqüência de uma determinada onda. Exemplos de dispositivos analógicos: termostato, relógio analógico, velocímetro analógico. Os computadores digitais são baseados em números binários. Enquanto nosso sistema de numeração e contagem é baseado na base 10, isto é, usamos os dígitos de 0 à 9, no computador digital a base numérica é o 2, ou seja, o computador só usa internamente os dígitos 0 e 1. Isso porque a representação digital é baseada na ausência, ou presença, de pulsos elétricos.

Figura 2 – Pulso elétrico

Para medir o espaço que algum dado ocupa quando armazenado é que foi inventado o bit, o byte... O BIT é a menor unidade utilizável para representação de informações em um computador, que corresponde a uma única representação Ligado/Desligado, como um interruptor. Como este único bit é insuficiente para representar um caractere, podemos arranjá-los de modo a formarem grandezas maiores, como no seguinte exemplo:

Bits

Base 10

Bit 2

Bit 1

Bit 0

0

0

0

0

0

0

1

1

0

1

0

2

0

1

1

3

1

0

0

4

1

0

1

5

1

1

0

6

1

1

1

7

3

Vejam que com 3 bits conseguimos representar somente 8 símbolos, ou 2 , muito pouco para, por exemplo, representar todo o alfabeto. Por convenção chamamos um conjunto de 8 bits de byte ou caractere. Os bits, são entendidos pelo computador em código binário (formado unicamente por zero e um). Por exemplo, a letra “A” que você digita em seu teclado, ocupa um byte para o computador e é entendida por ele como “11000001”.

Figura 3 - Definição de bit e byte

Conforme os bytes vão se acumulando, eles vão ganhando novos nomes. Mil bytes aproximadamente, são representados pelo nome Kb, um milhão de bytes aproximadamente, são representados pelo nome Megabyte, já um bilhão (aproximadamente) de bytes recebe o nome de Gigabyte e assim vai.

Então, temos a seguinte tabela:

Número de caracteres:

Quanto ocupa:

1 BYTE

1 caractere

8 bits

1 KILOBYTE (Kb)

1.024 caracteres

2

10

bytes = 1024 bytes

1 MEGABYTE (Mb)

1.048.576 caracteres

2

20

bytes = 1024 Kb

1 GIGABYTE (Gb)

1.073.741.824 caracteres

2

30

bytes = 1024 Mb

1TERABYTE (TB)

2**40

240 bytes = 1024 Gb

Um outro termo, além do bit e do byte, também foi criado para representar a capacidade de armazenamento e a transferência de informações entre a memória principal e o processador (no caso dos pc’s, CPU – Central Processor Unit ou Unidade Central de Processamento) e, especialmente relacionado ao processamento de dados pela CPU, trata-se do conceito da palavra. Inicialmente, podemos definir a palavra como sendo um conjunto de bits que representa uma informação útil. Se uma CPU processa instrução por instrução, cada instrução estaria associada a uma

palavra. Se armazena ou recupera número a número, cada um estaria associado a uma palavra, e assim por diante. Este conceito de palavra não é rigorosamente igual para todos os fabricantes, por exemplo, a IBM utiliza um tamanho de 32 bits (4 bytes), a família cyber (da Control Data Corp.) utiliza um tamanho de 60 bits. Processadores da família RISC utilizam um tamanho de 64 bits. Representando dados num computador Como já visto, um conjunto maior de bits pode ser, por exemplo, um conjunto formado por 8 deles que por convenção chamamos de byte. 1 0 1 0 1 0 1 0

8

Com 8 bits agora conseguimos representar 256 (2 ) símbolos. Isto é suficiente para representarmos: • • • • • •

caracteres alfanuméricos maiúsculos caracteres alfanuméricos minúsculos algarismos pontuações +&*( caracteres de controle totalizando 118 símbolos.

= 26 = 26 = 10 = 32 = 24

A tabela ASCII Os bits podem ser organizados em tabelas buscando uma padronização dos caracteres dos computadores. Como exemplo podemos ter a tabela ASCII (American Standard Code for Information Interchange).

Parte de uma tabela ASCII.

8 bits ASCII

caracter

1

0

1

0

0

0

0

1

A

1

0

1

0

0

0

1

0

B

0

1

0

1

0

0

0

0

0

0

1

0

1

0

0

0

1

1

0

1

0

1

0

0

1

0

2

8

A tabela ASCII de 8 bits permite representar 2 = 256 símbolos.

Um novo padrão de representação de dados Unicode já existe e usa uma tabela de 16 bits, ou 16 seja, possui a capacidade de representação de 65 mil símbolos (65.536 = 2 ), quase que todos os caracteres conhecidos. Arquivos e Registros Um arquivo de informações é um conjunto formado por dados de um mesmo tipo ou para uma mesma aplicação. Por exemplo, podemos ter um arquivo de alunos de uma turma. Cada arquivo é constituído por itens individuais de informação, chamados de registros. Assim, um arquivo de 60 alunos possui um total de 60 registros. Medidas de Desempenho de Sistemas de Computação A medida geral de desempenho de um sistema de computação depende fundamentalmente da capacidade e velocidade de seus diferentes componentes, da velocidade com que estes componentes se comunicam entre si e do grau de compatibilidade que possa existir entre eles (por exemplo, se a velocidade da CPU de um sistema é muito maior que a da memória, então este sistema. tem um desempenho inferior ao de um outro em que a CPU e a memória tem velocidades mais próximas). Considerando a existência de tantos fatores que influenciam o desempenho de um sistema de computação, desenvolveram-se diversos meios de medir seu desempenho. O desempenho dos processadores, em geral, é medido em termos da sua velocidade de trabalho; como seu trabalho é executar instruções, criou-se a unidade (sempre questionada por alguns) chamada MIPS – milhões de instruções por segundo, e também a unidade MFLOPS (millions of floating point operations per second) - milhões de operações de ponto flutuante por segundo, que é uma medida típica de estações de trabalho e de supercomputadores, pois estes costumam trabalhar mais com cálculos matemáticas. Já quando se trata de recuperação ou escrita de informações na memória, o tempo de acesso é uma unidade de medida mais apropriada, estando relacionada à velocidade de cada componente e à do canal de interligação entre os dois (CPU e memória). a. Tempo de resposta: É uma medida ligada ao desempenho mais global do sistema. e não de um de um ou outro componente. Trata-se do período de tempo gasto entre o instante em que o usuário iniciou uma solicitação ou interrogação e o instante em que o sistema apresentou ao usuário a sua resposta ou atendeu a sua solicitação. Por exemplo, o intervalo de tempo gasto entre a solicitação de um saldo de conta em um terminal bancário e a apresentação no vídeo da resposta (o saldo da conta). b. Vazão (throughput): É uma outra unidade de medida de desempenho, que define a quantidade de ações ou transações que podem ser realizadas por um sistema na unidade de tempo. Por exemplo, a quantidade de atualizações que podem ser feitas em um sistema de controle do estoque de uma empresa. Quando estamos nos referindo à velocidade com que um determinado dispositivo de entrada ou de saída transfere ou recebe dados da CPU, utilizamos uma unidade que mede a taxa de transferência que o canal de ligação pode suportar, isto é, a quantidade de bits por segundo que podem trafegar pelo referido canal.