Unidade A - CONCEITOS BÁSICOS

Arquitetura física de sistemas computacionais

Antes de conhecermos os componentes que formam a arquitetura dos sistemas computacionais, vamos conhecer a história da informática até chegar ao que conhecemos hoje, para isso, assista ao vídeo disponível em: http://www.youtube.com/watch?v=F3qWg1JBPZg.

Histórico

Máquinas de calcular e computadores vêm sendo inventados e desenvolvidos ao longo da história da humanidade (WEBER, 2004), conforme pode ser visto no breve histórico a seguir:

1. Blaise Pascal

Em 1642 ele desenvolve a primeira máquina calculadora mecânica, a pascaline, que era não programável e utilizada para a realização de somas e subtrações;





2. Charles Babbage

Ele projeta dois computadores que, embora não tenham sido concluídos, resultam em consideráveis avanços científicos na época. Em 1823 ele projeta o “Dispositivo Diferencial” para a resolução automática de tabelas matemáticas. Em 1834 ele projeta o “Dispositivo analítico” com intuito de que realizasse qualquer operação matemática automaticamente, sendo que nela já havia módulos de armazenamento (memória) e uma unidade operadora com a entrada e a saída de dados ocorrendo através de cartões perfurados e com  a possibilidade de alterar a sequência dos comandos executados (programável). (WEBER, 2004).

Os principais avanços tecnológicos da computação podem ser vistos na tabela abaixo:

Data	Inventor: mÁquina	Capacidade	InovaÇÕes tÉcnicas
1642	Pascal: Calculadora	adição, subtração	transferência automática de vai-um: representação em complemento
1671	Leibnitz: Calculadora	adição, subtração, multiplicação, divisão	mecanismo para multiplicação e divisão
1827	Babbage: Difference Engine	avaliação polinomial por diferenças finitas	operação automática com diversos passos
1834	Babbage: Analytical Engine	computador de propósitos gerais	mecanismo automático de controle de sequência (programa)
1941	Zuse: Z3	computador de propósitos gerais	primeiros computadores de propósitos gerais operacionais
1944	Aiken: Harward Mark I	computador de propósitos gerais	primeiros computadores de propósitos gerais operacionais

Figura A.7 - Avanços tecnológicos. Fonte: Weber, 2004

O primeiro computador eletrônico de propósitos gerais foi provavelmente o ENIAC (Eletronic Numerical Integrator and Calculator), construído entre 1943 e 1946 devido à necessidade de construir tabelas balísticas por interesse do sistema militar americano. Era uma máquina de 30 toneladas, contendo 18000 válvulas (WEBER, 2004).

Com o avanço da pesquisa e o consequente desenvolvimento tecnológico ao longo do tempo, a tecnologia e os estilos usados na construção e programação de computadores formaram várias gerações de computadores (WEBER, 2004), conforme tabela abaixo:

GeraÇÃo	Tecnologias	CaracterÍstica de hardware	CaracterÍstica de software	Exemplo
1a (1946-1954)	válvulas, memórias de tubos catódicos	aritmética de ponto fixo	linguagem de máquina, linguagem assembler	IAS, UNIVAC
2a (1955-1964)	transistores, núcleos de ferrite, discos magnéticos	ponto flutuante, registrador índice, processadores E/S	linguagens de alto nível, bibliotecas de rotinas, processamento em lote	IBM7094 CDC1604
3a  (1965-1974)	circuitos integrados (SSI e MSI)	microprogramação, pipeline, memória cache	multiprogramação, multiprocessamento, sistema operacional, memória virtual	IBM S/360; DEC PDP-8
4a(1975-?)	circuitos LSI, memórias semicondutoras			Amdahl 470; Intel 8748

Figura A.8 - Gerações de computadores.

 

Modelo de Von Neumann

Em 1946, von Neumann e sua equipe iniciaram o projeto de um novo computador de programa armazenado: o computador IAS. Ela usava uma memória principal de acesso randômico, o que permitia o acesso a uma palavra inteira em uma palavra inteira em uma única operação. Essa máquina acabou por influenciar os projetos subsequentes de outras máquinas (WEBER, 2004).

Blocos básicos: uma unidade de processamento central, para execução de operações aritméticas e lógicas. uma unidade de controle de programa, para determinar o sequenciamento das instruções a serem executadas e gerar os sinais de controle para as outras unidades. Esses sinais determinam as ações a serem executadas. uma unidade de memória principal. uma unidade de entrada e saída. (WEBER, 2004)

Ele apresentava sua estrutura da seguinte maneira:

Princípios básicos

Cada computador tem um conjunto de operações e convenções para determinar as posições dos dados com os quais a operação será realizada.

As ações a serem executadas em um computador são definidas por instruções, que são compostas por:

• Operação: especifica a operação que será desempenhada.
• Operandos: indicam a posição dos dados com os quais a operação será realizada.

Um programa é formado por uma sequência pré-determinada de instruções. O programa e seus dados ficam armazenados na memória da máquina.

Para que um programa armazenado na memória seja processado, é necessário que suas instruções sejam interpretadas. Isso se deve ao fato de que os programas são formados por instruções de uma linguagem de alto nível, mais convenientes aos programadores (digamos que seja L1), ao contrário da máquina, que trabalha com uma linguagem baseada em instruções de baixo nível (digamos que seja L0). Apesar disso, os programas escritos em L1 têm de executar em um computador programado em L0.

Os métodos para executar um programa L1 em L0 são os seguintes: Tradução: consiste em substituir cada instrução escrita no programa por uma sequência equivalente de instruções em L0. O computador executa o novo programa L0 em vez do programa L1. Interpretação: o programa em L0 considera os programas em L1 como dados de entrada. Ele os executa examinando cada instrução por vez, executando diretamente a sequência equivalente de instruções L0. (TANENBAUM, 2006)

A maioria dos computadores modernos apresenta dois ou mais níveis no processo de conversão entre a linguagem de programas e a do computador.

Níveis:

• Nível lógico digital: composto por portas que possuem uma ou mais entradas digitais (0 ou 1) e que computam como saída alguma função dessas entradas, como E (AND), OU (OR), etc.
• Nível de microarquitetura: composto por um conjunto de registradores (que formam uma memória local) e um circuito denominado ULA (Unidade Lógica e Aritmética) que executa operações lógicas e aritméticas.
• Nível de arquitetura do conjunto de instruções: conhecido como ISA (Instructiun Set Architectue). São as instruções executadas por interpretação pelo microprograma ou pelos circuitos de execução do hardware.
• Nível de máquina de sistema operacional: caracteriza-se por ser um nível híbrido. Parte das instruções em sua linguagem também está no nível ISA, assim como existe um conjunto de novas instruções, que permitem a ele se relacionar com os níveis superiores.
• Nível da linguagem de montagem: baseado na linguagem assembly, que fornece um método para que sejam escritos programas para os níveis 1, 2 e 3 em uma forma que não seja tão desagradável quanto as linguagens de máquina real em si.
• Nível de linguagem orientado a problemas: consiste em linguagens projetadas para ser usadas por programadores de aplicações que tenham um problema a resolver. Essas linguagens costumam ser denominadas linguagens de alto nível (TANENBAUM, 2006).

Componentes dos sistemas computacionais

Os circuitos eletrônicos digitais, que formam os elementos do computador, são construídos com uma pastilha de material semicondutor, chamado silício. Cada pastilha agrupa milhões de transistores.

Com o avanço tecnológico, tem sido possível a construção de pastilhas de silício cada vez menores e com maior densidade, isto é, maior concentração de transistores. O motivo é diminuição das trilhas que compõem a pastilha de silício. A distância entre elas geralmente é dada em micrômetro (μm) que equivale a 10^-6 (0,000001 metros), chegando aos nanômetros (nm) que equivale a 10^-9 (0,000000001 metros).

Quanto menor a distância das trilhas da pastilha de silício, menos corrente é necessária para deslocar elétrons dentro das trilhas, influindo em: Os elétrons chegam ao destino em menos tempo. Maior frequência de operação (clock). Menor consumo elétrico. Menor produção de calor. Tensão de alimentação (“voltagem”) menor. (TORRES, 2001)

Componentes dos sistemas computacionais

Os elementos básicos dos computadores relacionam-se na seguinte estrutura:

Dentre os elementos que compõem um sistema computacional atual podemos destacar:

• Placa-Mãe: é a responsável pela interconexão de todas as peças que formam o sistema computacional. Ela é desenvolvida de modo a tornar possível conectar todos os dispositivos do computador, oferecendo conexões para o processador, para a memória RAM, para o HD, para os dispositivos de entrada e saída, entre outros. Dois de seus chipsets exercem importantes funções:
  • Ponte norte (northbridge): interliga o processador a dispositivos rápidos como memória RAM e placa de vídeo.
  • Ponte sul (southbridge): interliga os demais dispositivos da máquina à ponte norte, que por sua vez faz a ligação com o processador.
• Processador: a CPU (Central Processing Unit) ou UCP (Unidade Central de Processamento) é composta por circuitos integrados passíveis de programação, que manipulam e processam dados. Em seu processamento ele segue instruções (que compõem os programas) que se traduzem em comandos executados por ele com base em seu conjunto de instruções.



O processador entende uma quantidade finita de instruções que são listadas em uma tabela conhecida como conjunto de instruções. Cada processador pode ter um conjunto de instruções diferentes.

• Memória: ela tem a função de armazenar dados e instruções dos programas, sendo estruturada na forma de uma matriz organizada em posições, sendo que cada informação armazenada nela ocupa um endereço específico. Quando se executa um programa, ele é transferido, normalmente, do disco rígido (memória secundária) para a memória RAM (memória principal). O processador busca as instruções dos programas na memória RAM.



A transferência de informações entre a CPU e a memória principal ocorre através de palavras. A unidade palavra indica a unidade de transferência e processamento de um computador. As palavras são múltiplos de 1 byte, sendo que, se um  microprocessador utilizar 32bits serão 4 bytes como tamanho da palavra.

• Barramento: é um caminho para a troca de dados entre circuitos, formado por um conjunto de condutores chamados de trilhas, por onde trafegam os bits. Ele apresenta as seguintes características:
• largura do barramento: número de bits transportados numa operação (ex: 32 bits).
• frequência de operação: velocidade com que os dados são transmitidos (ex: 400 MHz).

Geralmente possui duas linhas:

• Linhas de controle: por onde são transmitidas informações de sinalização, como o tipo de operação que está sendo realizada (leitura, escrita, etc.).
• Linhas de dados: por onde trafegam instruções, operandos e endereços.
• Dispositivos de Entrada e Saída: os dispositivos de I/O (Input/Output) ou dispositivos de E/S (Entrada/Saída) são utilizados para comunicar o computador com o meio externo para receber dados ou responder ao processamento executado (ex: teclado, monitor, impressora, CD, pen drive, etc).

Arquiteturas

Nos primórdios da informática existiam vários fabricantes diferentes e cada um desenvolvia todos os componentes de seus próprios computadores, que eram incompatíveis entre os diferentes fabricantes.

Com o desenvolvimento dos computadores pessoais, surge a plataforma PC, que se trata de uma arquitetura aberta a qual permite o uso de componentes de diversos fabricantes e de diferentes sistemas operacionais. Essa arquitetura é baseada em padrões definidos, a partir dos quais produtores podem desenvolver seus próprios componentes, existindo assim compatibilidade entre os componentes de diferentes fabricantes. Dessa forma, ela favorece o desenvolvimento a partir da concorrência entre fabricantes, criando uma demanda maior, permitindo preços mais baixos.

Também existe a arquitetura fechada, que se trata de uma arquitetura restrita pelo fato de os padrões, para desenvolvimento de componentes, serem proprietários, não permitindo seu uso por outros fabricantes. Com ela, os conflitos de hardware diminuem, fazendo com que o computador apresente melhor desempenho. Geralmente são encontrados em mainframes, servidores e supercomputadores, sendo que a assistência e as peças para substituição são encontradas somente com o próprio fabricante.