Aula 004 noções de hardware

Noções de Hardware

Aula 004

INTRODUÇÃO À CIÊNCIA DA COMPUTAÇÃO

INTRODUÇÃO À CIÊNCIA DA COMPUTAÇÃO

Aula 004

Noções de Hardware

Flávio Augusto de Freitas

NOÇÕES DE HARDWAREHardware

• CPU ou UCP• ALU ou ULA• BIOS• Memória• Unidades de Entrada e Saída (E/S)

NOÇÕES DE HARDWARE

Hardware - CPU ou UCP

A unidade central de processamento ou CPU (Central Processing Unit), também conhecido como processador, é a parte de um sistema de computacional, que realiza as intruções de um programa de computador, para executar a aritmética básica, lógica, e a entradas e saída de dados.A CPU tem papel parecido ao cérebro no computador. O termo vem sendo usado desde o início de 1960.A forma, desenho e implementação mudaram drasticamente desde os primeiros exemplos, porém o eu funcionamento fundamental permanece o mesmo.



As primeiras CPUs personalizadas foram concebidas como parte de um computador maior.No entanto, este método caro de fazer CPUs personalizadas para uma determinada aplicação rumou para o desenvolvimento de processadores produzidos em massa que são feitas para um ou vários propósitos.Esta tendência de padronização em geral começou na época de discretos minicomputadores e mainframes transistores e acelerou rapidamente com a popularização dos circuitos integrados (CI).



Os CI têm permitido processadores cada vez mais complexos para serem concebidos e fabricados em tamanhos da ordem de nanômetros.Tanto a miniaturização como a padronização dos processadores tem aumentado a presença destes dispositivos digitais na vida moderna, muito além da aplicação limitada dedicada a computadores.Os microprocessadores modernos aparecem em tudo, desde automóveis até celulares e brinquedos para crianças.



Em máquinas grandes, CPUs exigiam uma ou mais placas de circuito impresso.Em computadores pessoais e estações de trabalho de pequeno porte, a CPU fica em um único chip de silício chamado de microprocessador.Desde 1970 a classe de microprocessadores de CPUs quase completamente ultrapassado todas as implementações de outra CPU.CPUs modernos são circuitos integrados de grande escala em pequenos pacotes retangulares, com vários pinos de conexão.

CPU: CONEXÕESINTERNAS

UMA CPU QUAD-CORE

DIAGRAMA DE BLOCOSDA CPU INTEL 8088

DIAGRAMA DE BLOCOS DA CPU INTEL 8088

• Registradores de uso geral:• AX: acumulador;• BX: registrador de base, pode ser usado como base

de endereçamento para manipulação de tabelas;• CX: registrador de contagem, além de trabalhar com

dados também é usado para contagens de instruções com “loops” na manipulação de strings;


• Registradores de uso geral:• DX: registrador de dados, pode ser usado como

uma extensão do AX em operações de multiplicação e divisão;

• SP: stack pointer, aponta para o topo da memória do tipo pilha usada pelo 8088;

• BP: base pointer, é usado para endereçamento de memória (registrador de base para a pilha). Pode conter o endereço inicial de uma tabela a ser manipulada pela CPU;


• Registradores de uso geral:• SI: source index, aponta para a origem dos

dados que serão movimentados, usado para indexação de tabelas no endereçamento indireto;• DI: destination index, aponta para o destino

dos dados que serão movimentados, também para indexação no endereçamento indireto.


• Registradores de flags:• ZF: zero flag, indica se o resultado de uma

operação aritmética é igual a zero (1) ou diferente de zero (0). Se numa operação os valores são iguais o ZF = 1;• SF: sign flag, indica se o resultado de uma

operação com sinal é positivo (0), em caso contrário (1);


• Registradores de flags:• TF: trap flag, permite a operação “passo a

passo” para debug;• IF: interrupt flag, indica se as interrupções

estão habilitadas (1) ou não (0);


• Registradores de flags:• DF: direction flag, para operações com

strings, se D = 0 os registradores de índice serão incrementados, caso contrário (D = 1) serão decrementados;• OF: overflow flag, indica um estouro da

capacidade de armazenamento de um registrador.


BIU - Bus Interface UnitO interfaceamento da EU com o bus de dados e bus de endereços do sistema é feito pela BIU, que gera todo o endereçamento de memória (1 mega) e I/O (64K), assim como interfaceia o bus de dados do sistema (8bits) com o bus de dados da EU (16 bits).


BIU - Bus Interface UnitÉ composta por cinco registradores de 16 bits, uma estrutura de armazenamento de dados do tipo fila, para armazenamento de até 4 bytes de instruções e um sistema para gerar o endereçamento de 20 bits (1 MB de endereçamento), a partir de registradores de 16 bits cada.


• Registradores de segmento:• CS: code segment, endereça o segmento

onde devem estar as instruções a serem executadas pela CPU;• SS: stack segment, endereça o segmento

que está reservado ao uso da pilha;


• Registradores de segmento:• DS: data segment, como o nome diz, acessa

o segmento reservado aos dados manipulados pelo 8088;• ES: extra segment, é usado para acessar

outro segmento que conterá dados. Normalmente, é usado para manipulação de tabelas e strings.



Uma CPU é composta basicamente pelos seguintes componentes:• Unidade lógica e aritmética (ULA ou ALU): executa operações

lógicas e aritméticas;• Unidade de controle: decodifica instruções, busca operandos,

controla o ponto de execução e desvios;• Registradores e Memória cache: armazenar dados para o

processamento.



Como é fabricada uma CPU?Os vídeos a seguir dão uma visão global e intuitiva de como são fabricados esses componentes ultra miniaturizados.• Intel: Assistir local ou no YouTube.• AMD: Assistir local ou no YouTube.

http://www.youtube.com/watch?v=rq81-pJBeUk

http://www.youtube.com/watch?v=OPExsv8DmSs&feature=endscreen&NR=1


Hardware - ALU ou ULA

A unidade lógica e aritmética (ULA) ou em inglês Arithmetic Logic Unit (ALU) é um circuito digital que realiza operações lógicas e aritméticas.A ULA é uma peça fundamental da unidade central de processamento (CPU), e até dos mais simples microprocessadores.É na verdade, uma "grande calculadora eletrônica" do tipo desenvolvido durante a II Guerra Mundial, e sua tecnologia já estava disponível quando os primeiros computadores modernos foram construídos.



O matemático John von Neumann propôs o conceito de ULA em 1945, quando escreveu um relatório sobre os fundamentos para um novo computador chamado EDVAC.Pesquisas sobre ULAs ainda são uma parte importante da ciência da computação.



A tecnologia utilizada foi inicialmente relés, herança da telefonia, e posteriormente válvulas, herança da radiofonia.Com o aparecimento dos transistores, e depois dos circuitos integrados, os circuitos da unidade aritmética e lógica passaram a ser implementados com a tecnologia de semicondutores.



A ULA executa as principais operações lógicas e aritméticas do computador.Ela soma, subtrai, divide, determina se um número é positivo ou negativo ou se é zero.Além de executar funções aritméticas, uma ULA deve ser capaz de determinar se uma quantidade é menor ou maior que outra e quando quantidades são iguais.A ULA pode executar funções lógicas com letras e com números.



Operações simplesMuitas ULA podem realizar as seguintes operações:• operações aritméticas com inteiros;• operações lógicas bit a bit AND, NOT, OR, XOR;• operações de deslocamento de bits (deslocamento, rotação por

um número específico de bits para esquerda ou direita, com ou sem sinal); deslocamentos podem ser interpretados como multiplicações ou divisões por 2.



Operações complexasUm engenheiro pode projetar uma ULA para calcular qualquer operação, no entanto isso gera complexidade; o problema é que quanto mais complexa a operação, mais cara é a ULA, mais espaço utiliza do processador e mais dissipa energia.Então, engenheiros sempre calculam um compromisso entre o poder de processamento e a sua complexidade, satisfazendo aos requisitos do processador ou de outro circuito. Imagine um cenário, onde é preciso calcular a raiz quadrada.

ULA

Uma simples ULA de 2-bit que faz AND, OR, XOR, e adição.


Hardware – BIOS

BIOS, em computação Basic Input/Output System (Sistema Básico de Entrada/Saída).O termo é incorretamente conhecido como Basic Integrated Operating System (Sistema Operacional Básico Integrado) ou Built In Operating System (Sistema Operacional Interno).O BIOS é um programa de computador pré-gravado em memória permanente (firmware) executado por um computador quando ligado.Ele é responsável pelo suporte básico de acesso ao hardware, bem como por iniciar a carga do sistema operacional.


Hardware – Memória

Em informática, memória são todos os dispositivos que permitem a um computador guardar dados, temporariamente ou permanentemente.Memória é um termo genérico para designar componentes de um sistema capazes de armazenar dados e programas.


Hardware – Memória

O conceito de computador digital binário com programa armazenado (arquitetura de Von Neumann e subsequentes) é baseado no uso de memória, e não existiria sem a utilização destas.A unidade básica de memória é o digito binário, ou bit. Um bit pode conter 0 ou 1.É a unidade mais simples possível.Um sistema que armazenasse apenas um destes valores não poderia formar a base de um sistema de memória.


Hardware - Unidades de Entrada e Saída (E/S)

Entrada/saída (em inglês: Input/output, sigla I/O) é um termo utilizado quase que exclusivamente no ramo da computação (ou informática), indicando entrada (inserção) de dados por meio de algum código ou programa, para algum outro programa ou hardware, bem como a sua saída (obtenção de dados) ou retorno de dados, como resultado de alguma operação de algum programa, consequentemente resultado de alguma entrada.


Hardware - Unidades de Entrada e Saída (E/S)

São exemplos de unidades de entrada de um computador: disco rígido, microfone, teclado, mouse, tela sensível ao toque, Scanner, Leitor de código de barras, Celular, Pendrive, Máquina fotográfica digital, Webcam, joystick e outros acessórios de jogos.São exemplos de unidades de saída de um computador: monitor, caixas de som, impressora, disco rígido.Algumas unidades são de entrada e saída de dados ou também chamados Dispositivos Híbridos: disco rígido, disco flexível ou disquete, monitor sensível a toques, pendrive, joystick vibratório e impressora.

Flávio Augusto de Freitas

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