Arquitetura de computadores

2 Arquitetura de Computadores

Defini¸c˜ao 1. Um computador ´e uma m´aquina composta de um conjunto de partes

eletrˆonicas e eletromecˆanicas, com capacidade de coletar, armazenar e manipular dados,

al´em de fornecer informa¸c˜oes, tudo isso de forma autom´atica.

Defini¸c˜ao 2. O hardware do computador ´e tudo aquilo que o comp˜oe fisicamente. Constitu

´ı-se em hardware o pr´oprio gabinete do computador e seus perif´ericos.

2.1 Componentes do Computador

2.1.1 Gabinete

Contˆem a fonte, placa m˜ae, dispositivos de armazenamento, placas de expans˜ao,

mem´oria, etc... Existem v´arios modelos de designes e tamanhos variados. Tamb´em exigem

compatibilidade com o tipo de fonte e, em alguns casos, com a placa m˜ae.

Figura 17: Exemplo de gabinete de um computador.

2.1.2 Fonte

Recebe corrente alternada de 110 ou 220 volts vinda do estabilizador e a transforma

em corrente cont´ınua de 5, -5, 12 e -12 volts. O dois tipos de fonte mais conhecidos s˜ao:

AT e ATX.

2.1.2.1 AT

Possui uma chave liga/desliga e a sa´ıda ´e um conjunto de dois conectores semelhantes.

2.1.2.2 ATX

Tamb´em chamada de fonte inteligente, ela n˜ao possui uma chave liga/desliga (seu

desligamento ´e realizado por um pulso enviado atrav´es da placa m˜ae. Possui um ´unico

conector de sa´ıda.

2.1.3 Placa M˜ae

A placa m˜ae (motherboard), ´e possivelmente a parte mais importante do computador.

Ela gerencia toda a transa¸c˜ao de dados entre a CPU e os perif´ericos. Ela define a arquitetura

do seu computador. Componentes da Placa M˜ae: Chipset, BIOS, Barramentos,

Slots.

Figura 18: Exemplo de placa-m˜ae para processadores AMD.

2.1.4 Microprocessador

O termo microprocessador n˜ao ´e o mesmo que CPU. Para os microcomputadores

por´em, pode-se dizer que o microprocessador ´e a sua CPU. Antes da existˆencia dos microcomputadores,

as CPUs dos computadores eram formadas por um grande n´umero de

chips, distribu´ıdos ao longo de uma ou diversas placas. O microprocessador ´e uma CPU

inteira dentro de um ´unico chip. ´E o c´erebro do computador.

Figura 19: Processadores: Pentium III, Pentium 4(Socket 423), Pentium 4(Socket 478),

Athlon.

Desde o advento do processador Intel 8088 (Linha PC-XT) at´e o atual Pentium IV

passando pelos 80286, 80386 e 80486, apresentam sempre uma evolu¸c˜ao exponencial em

rela¸c˜ao ao seu antecessor, medido atualmente em milh˜oes de transistores e paradoxalmente

em m´ıcrons de espessura de trilha. Confira os dados abaixo a respeito dos CI’s Intel.

Tabela 1: Evolu¸c˜ao dos processadores.

Processador Ano de Lan¸camento Transistores

8088 1978 29mil

286 1982 134mil

386DX 1985 275mil

486DX 1989 1,2milh˜oes

Pentium 1993 3,3milh˜oes

Pentium Pro 1995 5,5milh˜oes

Pentium MMX 1996 4,5milh˜oes

Pentium II 1997 7,5milh˜oes

Pentium III 1999 21milh˜oes

Pentium IV 2000 42milh˜oes

Existem dois tipos b´asicos de processador com rela¸c˜ao as instru¸c˜oes que este realiza:

CISC e RISC.

2.1.4.1 CISC (Complex Instruction Set Computer)

O processador cont´em um grande n´umero de instru¸c˜oes. Dessa forma, o microc´odigo

deve utilizar sua pr´oprias instru¸c˜oes. Dissipam mais calor que o RISC.

2.1.4.2 RISC (Reduced Instruction Set Computer)

O processador cont´em um n´emero pequeno de instru¸c˜oes mais simples. Dessa forma,

o pr´oprio software em execu¸c˜ao faz o trabalho pesado. Acontece que o aumento de performance

do chip compensa em muito esse trabalho extra do programa. Atinge maiores

freq¨uˆencias que os CISC.

2.1.4.3 Clock

Toda placa tem um cristal piezoel´etrico (ou um circuito integrado) para a gera¸c˜ao dos

sinais de sincronismo e determina¸c˜ao da velocidade de processamento. O cristal fornece

um pulso de alta precis˜ao cuja freq¨uˆencia depende do processador em uso. Assim como

o processador, outros sinais s˜ao obtidos do clock para os circuitos da motherboard via

divis˜ao de freq¨uˆencia. Exce¸c˜ao feita ao barramento de expans˜ao que tem um cristal de

14,31818 MHz independente para seu funcionamento.

Tabela 2: Exemplos de clock.

Processador Clock Multiplicador

Pentium 133 66MHz 2,0

Pentium 150 60MHz 2,5

Pentium 166 66MHz 2,5

Pentium 200 66MHz 3,0

AMD K5 PR100 66MHz 1,5

AMD K5 PR120 60MHz 2,0

AMD K5 PR133 66MHz 2,0

AMD K5 PR166 66MHz 2,5

Cyrix 6x86MX PR233+ (188 MHz) 75MHz 2,5

Cyrix 6x86MX PR266+ (208 MHz) 83MHz 2,5

2.1.4.4 Clock Speed ou Clock Rate

´E

a velocidade pela `a qual um microprocessador executa instru¸c˜oes. Quanto mais

r´apido o clock, mais instru¸c˜oes uma CPU pode executar por segundo. A velocidade de

clock ´e expressada em megahertz (MHz), 1MHz sendo igual a 1 milh˜ao de ciclos por

segundo.

2.1.5 Mem´orias

As mem´orias dos computadores s˜ao uma parte muito importante no seu funcionamento

e performance. Elas est˜ao intimamente ligadas ao processador, Chipset e placa m˜ae.

Existem v´arios tipos de mem´oria, variando a capacidade de armazenamento, velocidade

e pre¸co.

Figura 20: Exemplos de m´odulos de mem´oria.

2.1.6 Placas de expans˜ao

Permitem que se acrescentem novos recursos ao computador. S˜ao conectadas `a placa

m˜ae atrav´es dos slots. Exemplos: placas de som, placa de v´ıdeo, placa de rede, etc...

2.1.7 Perif´ericos

Unidades de entrada/sa´ıda. Exemplos: teclado, mouse, monitor, impressora, scanner,

etc...

2.1.8 CMOS

O chip denominado CMOS ´e composto por um rel´ogio eletrˆonico e mem´oria 64 bytes

de mem´oria RAM, ´e nesta mem´oria que est˜ao armazenadas as informa¸c˜oes relativas `a

configura¸c˜ao do hardware do micro.

2.1.9 BIOS

O BIOS (Basic Input- Output System) ´e um pequeno programa armazenado em um

chip de mem´oria ROM da placa de CPU. Ele ´e respons´avel por “acordar” o computador.

Assim que um computador ´e ligado o BIOS come¸ca suas atividades, contar e verificar

a mem´oria RAM, inicializar dispositivos, e o principal, dar in´ıcio ao processo de boot.

Boot ´e a opera¸c˜ao de passagem do sistema operacional do disco onde se encontra para a

mem´oria do computador.

2.1.10 CHIPSET

Denomina-se chipset os circuitos de apoio ao computador que gerenciam praticamente

todo o funcionamento da placa-m˜ae (controle de mem´oria cache, DRAM, controle do

buffer de dados, interface com a CPU, etc.). ´E respons´avel pelas informa¸c˜oes necess´arias

ao reconhecimento de hardware (armazenadas na sua mem´oria ROM).

2.2 Arquitetura B´asica de Um Computador

O computador ´e uma m´aquina program´avel capaz de processar informa¸c˜oes com

grande rapidez. A figura abaixo mostra a estrutura b´asica de um computador.

Figura 21: Estrutura b´asica.

2.2.1 Entrada/Saida

As unidades de entrada permitem ao computador acessar informa¸c˜oes do mundo externo.

As informa¸c˜oes s˜ao traduzidas em c´odigos que possam ser entendidos pela Unidade

Central de Processamento. Exemplos de dispositivos de entrada s˜ao: teclado, mouse, tela

touchscreen, leitora de cart˜ao magn´etico, joystick, caneta ´otica, scanner de c´odigo de barras,

driver de disquete, driver de CD-ROM, disco r´ıgido (hard disk ou HD), leitora de fita

magn´etica, leitora de cart˜ao perfurado, sensores, etc.

Figura 22: Exemplos de dispositivos de entrada.

As unidades de sa´ıda convertem impulsos el´etricos, permitindo a sa´ıda de informa¸c˜oes

para meios externos e possibilitando sua visualiza¸c˜ao, armazenamento ou utiliza¸c˜ao por

outro equipamento. Exemplos de dispositivos de sa´ıda s˜ao: impressora, plotadora, monitor

ou v´ıdeo, driver de disquete (31/2 e 51/4 pol), disco r´ıgido (hard disk ou HD),

gravadora de fita magn´etica, emissor de som, controladores, etc.

Figura 23: Exemplos de dispositivos de sa´ıda.

As unidades de entrada e sa´ıda s˜ao os dispositivos que servem tanto para entrada

quanto para a sa´ıda de dados em um computador. Como exemplo temos: unidades de

disco flex´ıvel (floppy disk), discos r´ıgidos, modems, unidades de backup.

Figura 24: Exemplos de dispositivos de entrada e sa´ıda.

2.2.2 Unidade Central de Processamento

A Unidade Central de Processamento, tamb´em conhecida pela sigla inglesa CPU

(Central Processor Unit), ´e o componente vital do sistema de computa¸c˜ao, respons´avel

pela realiza¸c˜ao das opera¸c˜oes de processamento (c´alculos matem´aticos, c´alculos l´ogicos,

etc) e de controle, durante a execu¸c˜ao de um programa. A fun¸c˜ao da CPU consiste em:

1. Buscar uma instru¸c˜ao na mem´oria, uma de cada vez - fase de leitura;

2. Interpretar a instru¸c˜ao - decodificar;

3. Buscar os dados onde estiverem armazenados, para trazˆe-los a CPU;

4. Executar a opera¸c˜ao com os dados;

5. Guardar, se for o caso, o resultado no local definido na instru¸c˜ao;

6. Reinicia o processo, apanhando nova instru¸c˜ao.

Para efetuar tais procedimentos a CPU ´e composta por v´arios componentes:

Unidade Aritm´etica e L´ogica - ALU: Respons´avel por realizar as opera¸c˜oes matem´aticas

com os dados;

Registradores: Utilizados para o armazenamento tempor´ario de dados;

Unidade de Controle - UC: ´E o dispositivo mais complexo da CPU, respons´avel pela

busca de instru¸c˜oes na mem´oria principal e determina¸c˜ao de seus tipos, controla a

a¸c˜ao da ALU, realiza a movimenta¸c˜ao de dados e instru¸c˜oes de e para a CPU;

Rel´ogio: Dispositivo gerador de pulsos cuja dura¸c˜ao ´e chamada de ciclo. A quantidade

de vezes em que este pulso se repete em um segundo define a unidade de medida do

rel´ogio, denominada de freq¨uˆencia. A unidade de medida usual para a freq¨uˆencia

dos rel´ogios da CPU ´e o Hertz (HZ), que significa um ciclo por segundo. Como se

trata de freq¨uˆencias elevadas, abreviam-se os valores usando-se milh˜oes de Hertz,

ou ciclos por segundo - MHz.

Figura 25: Estrutura simplificada de uma CPU.

2.2.3 Mem´oria

2.2.3.1 RAM

A mem´oria principal do computador ´e conhecida por RAM (Random Access Memory).

Na mem´oria principal est˜ao as instru¸c˜oes que est˜ao sendo executadas e os dados

necess´arios a sua execu¸c˜ao. Todo programa que vocˆe executa ´e armazenado na mem´oria

RAM, seja ele um software antiv´ırus, um protetor de tela, impress˜ao, ou o pr´oprio sistema

operacional. A mem´oria principal tamb´em chamada de mem´oria de trabalho ou

mem´oria tempor´aria, ´e uma mem´oria de leitura e escrita (read/write). Suas caracter´ısticas

s˜ao: r´apido acesso (da ordem de nanosegundos em computadores mais modernos), acesso

aleat´orio e volatilidade (em caso de falta de energia el´etrica ou desligamento do computador

h´a perda de informa¸c˜oes).

Em termos de hardware s˜ao pequenos pentes que s˜ao encaixados nos slots de mem´oria

das placas motherboard. Atualmente, temos pentes (os mais comuns) de 32, 64, 128 e

256 MB. A capacidade total de mem´oria depende do pente e do n´umero de slots na

motherboard.

2.2.3.2 CACHE

A mem´oria Cache ´e um tipo de Mem´oria RAM, porem mais r´apido e mais caro. Serve

para acelerar o processamento. O cache reduz sensivelmente a velocidade de acesso m´edio

a mem´oria principal armazenando as mais requisitadas instru¸c˜oes e dados.

2.2.3.3 ROM

O computador possui tamb´em uma mem´oria chamada ROM (Read Only Memory)

onde s˜ao guardadas informa¸c˜oes para iniciar o computador, ativando o sistema operacional.

Esta mem´oria ´e n˜ao vol´atil, e em geral gravada pelo fabricante e com pequena

capacidade de armazenamento. Geralmente, depois de gravada a ROM n˜ao pode ser mais

gravada pelo usu´ario. Ela pode ser encontrada das seguintes formas:

• ROM program´avel (PROM), mem´orias “em branco” que mediante circuitos especiais

porem ser escritas somente uma vez, assim como os CD-R;

• EPROM, program´avel e apag´avel mediante o uso de ultra violeta em uma pequena

janela do chip, podendo ser rescrita;

• EEPROM, program´avel e eletricamente apag´avel, tamb´em podendo ser rescrita,

facilitando a atualiza¸c˜ao de seus programas;

2.2.4 Mem´oria Secund´aria

A mem´oria secund´aria ou mem´oria auxiliar ´e usada para armazenar grandes quantidades

de informa¸c˜oes. Um exemplo comum de mem´oria secund´aria s˜ao os discos r´ıgidos

que s˜ao usados para armazenar grandes volumes de informa¸c˜oes, com exemplo de outros

dispositivos mais conhecidos, podemos citar: o disco flex´ıvel e o Zip Drive..

Figura 6. Discos

2.2.5 Barramento

S˜ao caminhos que permitem o transporte de dados entre os v´arios elementos: CPU,

mem´oria, placas de expans˜ao, sistema de entrada e sa´ıda, etc...