Aula 01b - Conceitos de Hardware e Software.pdf

Pensamento Computacional

1. Conceitos de Hardware e
Software
Por Sediane Carmem Lunardi Hernandes
1

2. 1. Hardware
Unidades funcionais
2 Memória
Principal
Dispositivos
de E/ S
Processador / UCP
Unidade Lógica
e Aritmética
Registradores
Unidade de
Controle UCP (Unindade Central de Processamento) = CPU (Central Processing Unit)

3. 1.1 Processador
É o cérebro do computador e é nele que as informações são
processadas
Controla e executa instruções presente na memória
principal, através de operações básicas como somar, subtrair,
comparar e movimentar dados
Composto por:
◦Unidade de Controle (UC):
Acessa sequencialmente as instruções do programa, decodificando-as, e
coordena o fluxo de dados de entrada e saída da unidade lógica e
aritmética, registradores, armazenamento primário e até armazenamento
secundário e vários dispositivos de saída
Ou seja, gerencia as atividades de todos os componentes do computador,
como a gravação de dados em disco ou a busca de instruções na
memória
◦Unidade Lógica e Aritmética (ULA):
Realiza cálculos matemáticos e faz comparações lógicas
◦Registradores
São áreas de armazenamento de alta velocidade utilizadas para o
armazenamento temporário de instruções e dados imediatamente antes,
durante e depois da execução pelo processador (CPU)
3

4. 1.1 Processador (cont.)
Registradores de destaque:
◦Contador de instruções (Program Counter – PC)
Contem endereço da próxima instrução que o processador
deve buscar e executar
Toda vez que o processador busca uma nova instrução, este
registrador é atualizado com o endereço de memória da
próxima instrução a ser executada
◦Apontador de Pilha (Stack Pointer – SP)
Contém o endereço de memória do topo da pilha (estrutura
de dados onde o sistema mantém informações sobre
programas que estavam sendo executados e tiveram que ser
interrompidos)
◦Registrador de Status (Program Status Word - PSW)
Armazenam informações sobre a execução das instruções
Estouro de pilha (Overflow)
Sinal
Zero

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5. 1.1 Processador (cont.)
A execução de qualquer instrução
envolve (Ciclo de fetch-decode-execute):
1)Busca da instrução
2)Decodificação da instrução
3)Execução da instrução




5
Busca instrução na
memória
Executa instrução no
processador
Decodifica instrução da
memória

6. 1.1 Processador (cont.)
Completar a fase de busca, decodificação e
execução da instrução  Ciclo de máquina
◦Computador executa uma instrução durante um
ciclo de máquina
Tempo em que ocorre ciclo de máquina
Nanossegundos (1 bilionésimo de segundo)
Picossegundos (1 trilionésimo de segundo)
Também, pode ser medido pelo número de instruções
executadas em um segundo
MIPS = milhões de instruções por segundo
Entretanto, CPU produz sério de pulsos
eletrônicos a uma taxa predeterminada
(velocidade de relógio)
◦Afeta o tempo do ciclo de máquina

6

7. 1.1 Processador (cont.)
Pulsos eletrônicos são gerados pelo clock
◦O clock é um dispositivo localizado na UCP que gera
pulsos elétricos síncronos em um determinado
intervalo de tempo (sinal de clock)
◦A quantidade de vezes que este pulso se repete em
um segundo define a frequência do clock
A frequência do clock (velocidade de relógio)
de um processador é muitas vezes medida em
◦Megahertz (MHz – milhões de ciclos por segundo,
ou seja, em um segundo são buscadas, decodificadas
e executadas milhões de instruções)
◦Gigahertz (GHz – bilhões de ciclos por segundo)
7

8. Curiosidade
Intel 8080 (1982): velocidade de relógio
de 2MHz
Pentium 4 (2002): velocidade de relógio
de 3.2 GHz


8
Quanto mais rápida a velocidade
de relógio do processador, mais
calor é gerado, e esse calor deve
ser dissipado para evitar
corromper dados e instruções que
o computador está tentando
processar
2006  Dell ,Apple, Toshiba, Lenovo (recall de baterias)

9. 1.1 Processador (cont.)
Exemplificando:
◦Processador de 500 MHz – 500.000 KHz –
500.000.000 Hz
Quinhentos milhões de ciclos de máquina por segundo,
ou seja, 500 milhões de instruções são executadas
(buscadas e decodificadas) a cada ciclo de clock
(velocidade de relógio)
◦Processador de 2.5 GHz – 2.500 MHz –
2.500.000 KHz – 2.500.000.000 Hz
Dois bilhões e 500 milhões de ciclos de máquina por
segundo, ou seja, dois bilhões e 500 milhões de
instruções sendo buscadas, decodificadas e executadas
por ciclo de clock
◦E um processador de 2.26 GHz?

9

10. 1.1 Processador (cont.)
Qual processador apresenta maior
velocidade de processamento?
◦900 MHz ou
◦1.0 GHz?
Resposta:
◦900 MHz – 900.000 KHz – 900.000.000 Hz, ou
seja, 900 milhões de instruções sendo executadas
a cada ciclo de clock (velocidade de relógio)
◦1.0 GHz – 1.000 MHz – 1.000.000 KHz –
1.000.000.000 Hz, ou seja, 1 bilhão de instruções
sendo executadas em um único clico de clock
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11. 1.1 Processador (cont.)
Exercite
◦Quantos ciclos de máquina por segundo
apresentam os seguintes processadores?
a) Processador de 2.5 GHz
______________________________
b) Processador de 3.0 GHz
______________________________
c) Processador de 3.2 GHz
______________________________

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12. 1.2 Memória principal
Local onde são
armazenados dados e
instruções
Composta por células,
sendo que cada célula é
composta por um
número determinado de
bits
A maioria dos
computadores utiliza
células de 8 bits (1 byte)
Acesso ao conteúdo de
uma célula (leitura ou
gravação) é realizado
através da especificação
do endereço da célula
Classifica-se em: RAM,
ROM e Cache


12 célula = 8 bits
e
n
d
e
r
e
ç
o
s
0
2 -1
16
2
1
instrução ou dado Memória com 64Kbytes

13. 1.2 Memória principal (cont.)
RAM (Random Access Memory – Memória de
Acesso Aleatório)
◦localiza-se fisicamente perto da CPU, mas não no
próprio chip da CPU
◦é a área de trabalho do computador
◦é volátil, porque todo o seu conteúdo é perdido ao
se desligar o computador

◦Variedades:
SRAM (Static Random Access Memory): usada em caches e em
registradores
DRAM (Dynamic Random Access Memory): utilizada em uma
memória principal
DDR RAM: forma aperfeiçoada de DRAM que dobra a taxa na
qual os dados podem ser movidos para fora e para dentro da
memória principal

13

14. 1.2 Memória principal (cont.)
ROM (Read Only Memory - Memória apenas
para leitura)
◦é menor do que a RAM e seu conteúdo já vem
gravado de fábrica
não pode ser alterado pelo usuário
◦na ROM estão gravadas algumas informações
básicas que são executadas sempre que o
computador é ligado (instruções que dizem ao
computador como iniciar quando a energia é
ligada)
é não-volátil, porque o seu conteúdo é preservado
mesmo quando o computador for desligado

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15. 1.2 Memória principal (cont.)
Memória Cache
◦Memória volátil de alta velocidade com pequena
capacidade de armazenamento
◦Armazena pequena parte do conteúdo da
memória principal
◦Toda vez que processador faz referência a dado
armazenado na memória é verificado primeiro se
ele se encontra na cache
Cache hit
Processador encontra dado na cache
Cache miss
Processador não encontra dado na cache
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16. 1.3 Memória secundária
Meio permanente de
armazenamento de
programas e dados
18 maior
capacidade de
armazenamento
maior custo e
velocidade
de acesso
Memória Secundária
Memória Cache
Memória Principal
Registradores

17. 1.4 Dispositivos de entrada e saída
Utilizados para comunicação entre o
hardware e o mundo externo
Categorias
◦Memória secundária
Discos
Fitas magnéticas
◦Interface usuário-máquina
Teclados
Monitores
Impressoras
Plotters

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18. 1.5 Barramento
Meio físico de comunicação entre as unidades
funcionais do computador
Dados, endereços e sinais de controle trafegam
entre processadores, memórias e dispositivos de
Entrada e Saída (E/S)
Barramento possui:
◦Linhas de controle
Trafegam informações de sinalização (o tipo de operação que
esta sendo realizada)
◦Linhas de dados
Trafegam informações como instruções e operandos que são
transferidos entre as unidades funcionais
◦Linhas de endereço
Trafegam endereços
20

19. 1. 6 Pipelining
Técnica que permite ao processador
executar múltiplas instruções
paralelamente em estágio diferentes
Semelhante a uma linha de montagem
◦Enquanto uma instrução se encontra na fase
de execução, uma outra instrução pode estar
na fase de busca simultaneamente
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20. 1.6 Pipelining (cont.)
Pipeline em quatro estágios

24 Unidade de
busca da
instrução
P1 P4P3P2
Analisador
da
instrução
Unidade de
busca dos
dados
Unidade de
execução da
instrução
Instr.1Instr.2Instr.3Instr.4Instr.5Instr.6Instr.7
Instr.1Instr.2Instr.3Instr.4Instr.5Instr.6
Instr.1Instr.2Instr.3Instr.4Instr.5
Instr.1Instr.2Instr.3Instr.4
P1
P2
P3
P4
tempo

21. 2. Software
Para que o hardware tenha utilidade
prática é necessário um conjunto de
programas que realizem a interface entre
as necessidades do usuário e as
capacidades do hardware
Tipos de software:
1.Software básico
2.Software aplicativo

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22. 2.1 Software básico
São programas que definem o padrão do
equipamento, sendo necessários para o
funcionamento do computador, ou seja,
são necessários para o funcionamento
correto do equipamento. São eles:
a)Sistema Operacional
b)Utilitários
c)Ambiente operacional
d)Linguagens de programação
e)Tradutores

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23. a) Sistema Operacional
O Sistema Operacional (SO) é essencial
para o funcionamento de um computador.
Sem ele, grande parte dos recursos do
sistema não estaria disponível, ou se
apresentaria de uma forma complexa para
utilização pelos usuários. O SO nada mais
faz do que controlar e coordenar todas as
operações básicas do sistema de
computação (E/S, memória, processos).
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24. b) Utilitários
São programas que ampliam os recursos
do sistema facilitando o uso e auxiliando a
manutenção de programas
Podem ser vistos como softwares de
apoio à solução de problemas de disco,
memória, entre outros
◦Compactadores e descompactadores de
arquivos, programas anti-virus, são exemplos

28

25. c) Ambiente Operacional
Adicionam recursos ao SO para permitir
uma interface gráfica com o usuário. É
um SO com recursos gráficos
◦Exemplo: Windows 7

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26. d) Linguagens de Programação
É um conjunto de símbolos, os quais
fazem parte de um vocabulário e regras
(gramática) que especificam como
transmitir informações entre os desejos
do usuário e o computador
São divididas em:
◦linguagem de máquina;
◦linguagem de baixo nível;
◦linguagem de alto nível.

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27. d) Linguagens de Programação
Linguagem de máquina: é baseada em
código binário, isto é, em 0s e 1s. É a
linguagem de programação que o
processador realmente consegue entender. É
uma linguagem muito mais voltada para a
máquina do que para o usuário. Por exemplo,
a soma do conteúdo de um registrador 1
com o conteúdo de um registrador 2
colocando o resultado no registrador 1, o
que resultaria em 0001 0001 0010 em
linguagem de máquina.

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28. d) Linguagens de Programação
Linguagem de baixo nível: é uma
simplificação da linguagem de máquina.
Faz uso de códigos mnemônicos (conjunto
de símbolos) associados a instruções
escritas em linguagem de máquina.
Utilizando o mesmo exemplo dado acima,
a linguagem de máquina 0001 0001 0010
ficaria ADD R1 R2.

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29. d) Linguagens de Programação
Linguagem de alto nível: é uma
linguagem que não exige conhecimento
do código de máquina. Utiliza combinação
de um conjunto de símbolos de acordo
com certas regras de sintaxe (escrita)
para expressar uma sequência de
operações de máquina.
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30. d) Linguagens de Programação
34
Linguagem de
máquina
Linguagem de
baixo nível
Linguagem de alto
nível
0010 0001 1110 LOAD R1, val1
0010 0010 1111 LOAD R2, val2 val 2 = val1 + val2
0001 0001 0010 ADD R1, R2
0011 0001 1111 STORE R1, val2

31. e) Tradutores
Leem código escrito em alguma linguagem de
programação e a transformam para linguagem de
máquina.
Existem 3 tipos de tradutores:
◦Montador: lê código escrito em linguagem de baixo nível
e transforma em linguagem de máquina.
◦Interpretador: lê código escrito em linguagem de alto
nível e transforma em linguagem de máquina.
◦Compilador: lê código escrito em linguagem de alto nível
e transforma em linguagem de máquina.

A diferença entre o compilador e o interpretador é
que o interpretador interpreta cada comando e
executa. O compilador analisa todo o programa, gera
um arquivo intermediário em linguagem de máquina e
depois executa.

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32. 2.2 Software aplicativo
São os programas voltados para a solução de
problemas do usuário e que se valem das
facilidades oferecidas pelo software básico.
Podem ser de:
◦Uso geral: são programas que podem ser
utilizados em vários tipos de aplicações. Ex:
editores de texto, gráficos, planilhas, SGBD, etc.
◦Uso específico: se destinam exclusivamente a
um único tipo de aplicação. Ex: folha de
pagamento, crediário, imposto de renda, entre
outras.

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33. 3. Arquiteturas RISC e CISC
Linguagem de máquina
(0s e 1s) é a linguagem
de programação que o
computador realmente
entende
Cada processador possui
o seu próprio conjunto
de instruções definido
pelo fabricante
Programa em linguagem
de máquina é executado
diretamente pelo
processador
37 Utiltários
Circuitos Eletrônicos
Microprogramação
Linguagem de Máquina
A
r
q
u
i
t
e
t
u
r
a
R
I
S
C
Sistema Operacional
Aplicativos

34. 3.1 Arquiteturas RISC (Reduced
Instruction Set Computer)
Processador com arquitetura RISC possui
poucas instruções de máquina (simples e
executadas diretamente pelo hardware)
Instruções executadas rapidamente
Exemplo de processadores
◦SPARC(Sun)
◦RS-6000 (IBM)
◦PA-RISC(HP)
◦Alpha AXP (Compaq)
◦Rx000(MIPS)
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35. 3.2 Arquiteturas CISC (Complex
Instruction Set Computers )
Instruções complexas interpretadas por
microprogramas
Número pequeno de registradores
Qualquer instrução pode referenciar a
memória principal
Implementação do pipelining é mais difícil
Exemplos de processadores
◦VAX (DEC)
◦Pentium (Intel)
◦68xxx (Motorola)
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36. Curiosidade
Processadores com mais de um núcleo
◦Contam com dois ou mais núcleos distintos no
mesmo circuito integrado, como se houvesse dois
(ou mais) processadores dentro de um chip
dispositivo pode lidar com dois processos por vez (ou
mais), um para cada núcleo, melhorando o desempenho
do computador como um todo
◦Vantagem:
podem realizar duas ou mais tarefas ao mesmo;
um núcleo pode trabalhar com uma velocidade menor
que o outro, reduzindo a emissão de calor;
ambos podem compartilhar memória cache;
entre outros.
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37. Exercícios
1. Observe atentamente o anúncio abaixo e indique
qual é o processador envolvido e qual a velocidade de
relógio do ciclo busca-decodificação -execução
a)Vende-se computador: Intel® Celeron®
Processor 500 MHz, 128K Cache, 66 MHz
FSB (velocidade do barramento que liga
CPU e memória)
Processador: ____ Velocidade do Ciclo: ____
a)Vende-se computador: Intel® Celeron® D
Processor 2.26 GHz (256K Cache, 533 MHz
FSB)
Processador: ____ Velocidade do Ciclo: ____

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38. Exercícios
2. Indique qual é a capacidade do disco rígido, da
memória RAM e a velocidade de processamento dos
computadores abaixo:
I.Notebook Sony Vaio Fit SVF15213CBW com
Intel® Core™ i5-3337U, 1.8 GHz, 4GB, 750GB,
Gravador de DVD, Bluetooth, LED 15.5" e
Windows 8 + Headphone Sony ZX300
HD: _______ RAM: _____
Velocidade de processamento: _________
1)Notebook Touch Sony Vaio Fit com Intel®
Core™ i5, 2.7GHz, 6GB, 1TB, Gravador de
DVD, Bluetooth, LED 14" e Windows 8 + Pasta
para Notebook até 13“
HD: _______ RAM: _____
Velocidade de processamento: _________

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39. Exercícios
2. Escolha, dentre os dois anúncios abaixo, o
computador que fornecerá o melhor desempenho
global
a)vende-se computador Positivo Premium PCTV
K2620 3D com Intel® Celeron G530, 2.4GHz,
6GB (memória RAM), 500GB (disco rígido),
Gravador de DVD, Leitor de Cartões, HDMI,
LCD 18.5"
b) vende-se computador Positivo Premium K3210
3D com Intel® Pentium G620 2.60 GHz, 2GB
(memória RAM), 500GB (disco rígido),
Gravador de DVD, Leitor de Cartões, HDMI,
LCD 18,5"

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40. Exercícios
3. Escolha, a partir dos anúncios abaixo, o
notebook que possui o melhor desempenho
global:
a)Notebook Positivo Unique S1991 3D
com Intel® Dual Core™, 1.1GHz, 2GB,
250GB, Gravador de DVD, Leitor de
Cartões, Webcam, LED 14"
b)Notebook Positivo Unique TV
S2065i/2560 com Intel® Dual Core,
1.1GHz, 4GB, 500GB, Gravador de
DVD, Leitor de Cartões, HDMI, TV
Digital, LED 14"
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41. Atividade Prática Supervisionada 1
Parte I
Responda:
1.Quais componentes formam a Unidade Central de
Processamento? Qual a responsabilidade de cada
um desses componentes?
2.Qual é a função da memória principal e no que ela
se distingue da memória secundária. Dê exemplos
de dispositivos de memória secundária.
3.Cite as diferenças existentes da memória RAM com
relação a memória ROM.
4.O que é linguagem de máquina?
5.Diferencie compilador/montador/interpretador.
6.O que é e quais são as funções de um sistema
operacional. Dê exemplos de sistemas conhecidos.



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42. Atividade Prática Supervisionada 1
Parte II
Pesquise:
1.Joãozinho trabalha em uma empresa de
Marketing e Propaganda e precisa de um
computador para trabalhar com imagens, vídeos
e textos. Maria trabalha como secretária desta
empresa. Ajude-os a comprar o computador
idea l. Pesquise nas lojas de informática da sua
cidade quais computadores são apropriados
para cada tipo de trabalho. Apresente três
orçamentos e justifique o porquê de sua
escolha.


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43. Atividade Prática Supervisionada 1
2. Procure as configurações de velocidade
de processamento, memória, chip gráfico e
chip de áudio dos seguintes computadores
de jogos:
◦Sony PlayStation 2
◦Microsoft XBOX
◦Nintendo
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44. Atividade Prática Supervisionada 1
Parte III
E…mãos na massa:
1.Faça um robô computador e apresente para
seus colegas. O robô deve conter todas as
partes de um computador (memória,
processador, dispositivos de entrada e saída)
e deverá ser apresentado para os colegas de
turma.


48

45. 49
Exemplos de robôs 2
o.
Semestre de 2013

46. 50

47. Bibliografia
•SILBERSCHATZ, Abraham, GALVIN, Peter,
GAGNE, Greg. Fundamentos de
Sistemas Operacionais. 8ª. Ed. Rio de
Janeiro : LTC, 2010.
•MACHADO, Francis B.; MAIA, Luiz Paulo.
Arquitetura de Sistemas
Operacionais. 3ª ed. Rio de Janeiro :
LTC, 2002.
51