Lógica e Organização. Prof. a Greisse Moser Badalotti

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OmputadOres

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Prof.a_{Greisse Moser Badalotti}

Revisão, Diagramação e Produção:

Centro Universitário Leonardo da Vinci – UNIASSELVI

Ficha catalográfica elaborada na fonte pela Biblioteca Dante Alighieri UNIASSELVI – Indaial.

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B132l Badalotti; Greisse Moser

Lógica e organização de computadores/ Greisse Moser Badalotti : UNIASSELVI, 2016. 189 p. : il. ISBN 978-85-7830-967-1 1.Lógica.

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a

presentaçãO

Prezado(a) Acadêmico(a):

Bem-vindo(a) à disciplina Lógica e Organização de Computadores. A história da computação, conceitos da computação, lógica de programação, entre muitos outros temas, farão parte dos seus estudos nesta disciplina.

O estudo desta disciplina é muito importante para ampliar seus conhecimentos acerca da computação e compreender como a mesma funciona.

Com esta disciplina você entenderá a informática de maneira sistêmica. Aproveitamos esse momento para destacar que os exercícios deste caderno não são opcionais, os quais tem por objetivo a fixação de determinado conceito. É aí que reside a importância da realização de todos. Sugerimos fortemente que em caso de dúvida em algum exercício você entre em contato com seu tutor externo ou com a tutoria da Uniasselvi.

Este material foi desenvolvido com o objetivo de disponibilizar a você acadêmico(a), o pontapé inicial da computação.

Desejo a você sucesso nessa nova busca de informações! Bons estudos!

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Você já me conhece das outras disciplinas? Não? É calouro? Enfim, tanto para você que está chegando agora à UNIASSELVI quanto para você que já é veterano, há novidades em nosso material.

Na Educação a Distância, o livro impresso, entregue a todos os acadêmicos desde 2005, é o material base da disciplina. A partir de 2017, nossos livros estão de visual novo, com um formato mais prático, que cabe na bolsa e facilita a leitura.

O conteúdo continua na íntegra, mas a estrutura interna foi aperfeiçoada com nova diagramação no texto, aproveitando ao máximo o espaço da página, o que também contribui para diminuir a extração de árvores para produção de folhas de papel, por exemplo. Assim, a UNIASSELVI, preocupando-se com o impacto de nossas ações sobre o ambiente, apresenta também este livro no formato digital. Assim, você, acadêmico, tem a possibilidade de estudá-lo com versatilidade nas telas do celular, tablet ou computador.

Eu mesmo, UNI, ganhei um novo layout, você me verá frequentemente e surgirei para apresentar dicas de vídeos e outras fontes de conhecimento que complementam o assunto em questão.

Todos esses ajustes foram pensados a partir de relatos que recebemos nas pesquisas institucionais sobre os materiais impressos, para que você, nossa maior prioridade, possa continuar seus estudos com um material de qualidade.

Aproveito o momento para convidá-lo para um bate-papo sobre o Exame Nacional de Desempenho de Estudantes – ENADE.

Bons estudos!

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UNIDADE 1 – HISTÓRICO DA COMPUTAÇÃO ... 1

TÓPICO 1 – BREVE HISTÓRICO ... 3

1 INTRODUÇÃO ... 3 2 HARDWARE ... 3 2.1 DISPOSITIVOS MECÂNICOS ... 4 2.2 DISPOSITIVOS ELETROMECÂNICOS ... 8 2.3 COMPONENTES ELETRÔNICOS ... 10 RESUMO DO TÓPICO 1 ... 12 AUTOATIVIDADE ... 13

TÓPICO 2 – GERAÇÃO DOS COMPUTADORES ... 15

1 INTRODUÇÃO ... 15

2 PRIMEIRA GERAÇÃO: 1945-1956 ... 15

3 SEGUNDA GERAÇÃO: 1956-1963 ... 17

4 TERCEIRA GERAÇÃO: 1965-1970 ... 19

5 QUARTA GERAÇÃO: 1971- ATÉ OS DIAS ATUAIS ... 20

6 UM POUCO DA HISTÓRIA DA APPLE ... 21

7 UM POUCO DE BILL GATES E A MICROSOFT ... 22

8 QUINTA GERAÇÃO ... 23 8.1 JOGOS ... 23 8.2 REDES NEURAIS ... 24 8.3 LINGUAGEM NATURAL ... 24 8.4 SISTEMAS ESPECIALISTAS ... 24 8.5 ROBÓTICA ... 25 RESUMO DO TÓPICO 2 ... 26 AUTOATIVIDADE ... 27

TÓPICO 3 –TIPOS DE COMPUTADORES E SEUS COMPONENTES ... 29

1 INTRODUÇÃO ... 29 2 SUPERCOMPUTADORES ... 29 3 COMPUTADORES MAINFRAME ... 30 4 MINICOMPUTADORES ... 31 5 MICROCOMPUTADORES ... 32 6 COMPUTADORES MÓVEIS ... 33

7 FUNÇÕES PRIMÁRIAS DE UM COMPUTADOR ... 34

7.1 PROCESSAMENTO DE DADOS ... 35

7.2 ARMAZENAMENTO DE DADOS ... 35

7.3 MOVIMENTAÇÃO DOS DADOS ... 35

7.4 CONTROLE ... 36

8 PRINCIPAIS COMPONENTES ESTRUTURAIS DE UM COMPUTADOR ... 36

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8.2.1 Memória principal ... 38

8.2.2 Armazenamento secundário ... 39

8.3 OS DISPOSITIVOS DE ENTRADA/SAÍDA ... 40

8.4 INTERCONEXÃO DE SUBSISTEMAS ... 40

9 MICROPROCESSADORES / MICROCONTROLADORES / SISTEMAS EMBARCADOS. 40 10 ARQUITETURA RISC E CISC ... 42

10.1 CAUSAS PARA UMA ARQUITETURA COMPLEXA ... 42

10.2 RISC POR QUE? ... 43

10.3 PIPELINING ... 45

LEITURA COMPLEMENTAR ... 46

RESUMO DO TÓPICO 3 ... 62

AUTOATIVIDADE ... 63

UNIDADE 2 – CONCEITOS FUNDAMENTAIS DA COMPUTAÇÃO ... 65

TÓPICO 1 – SISTEMAS DE NUMERAÇÃO ... 67

2 SISTEMA DE NUMERAÇÃO ... 67

3 SISTEMA DE NUMERAÇÃO DECIMAL ... 68

4 SISTEMA DE NUMERAÇÃO BINÁRIO ... 69

5 SISTEMA DE NUMERAÇÃO OCTAL ... 70

6 SISTEMA DE NUMERAÇÃO HEXADECIMAL ... 71

7 CONVERSÕES ENTRE SISTEMAS DE NUMERAÇÃO ... 71

8 CONVERSÃO DE DECIMAL PARA BINÁRIO ... 72

9 CONVERSÃO DE DECIMAL PARA OCTAL ... 73

10 CONVERSÃO DE DECIMAL PARA HEXADECIMAL ... 73

11 CONVERSÃO DE BINÁRIO PARA DECIMAL ... 74

12 CONVERSÃO DE OCTAL PARA DECIMAL ... 75

13 CONVERSÃO DE HEXADECIMAL PARA DECIMAL ... 77

14 REGRAS DE FIXAÇÃO ... 78

TÓPICO 2 – BASES COMPUTACIONAIS ... 83

1 INTRODUÇÃO ... 83 2 ARQUITETURA DE COMPUTADORES ... 84 3 SOFTWARE ... 85 3.1 CATEGORIAS DE SOFTWARE ... 85 3.1.1 Softwares básicos ... 85 3.1.2 Softwares utilitários ... 87 3.1.3 Softwares aplicativos ... 87 3.1.4 Ferramentas de desenvolvimento ... 88 4 REDES DE COMPUTADORES ... 89 RESUMO DO TÓPICO 2 ... 96 AUTOATIVIDADE ... 97 TÓPICO 3 – DADOS ... 99 1 INTRODUÇÃO ... 99

2 ENTENDENDO O TIPO ABSTRATO DE DADOS ... 100

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2.4 ENTENDENDO LISTAS LINEARES GERAIS ... 109 2.5 ENTENDENDO ÁRVORES ... 112 2.6 ENTENDENDO GRAFOS ... 114 LEITURA COMPLEMENTAR ... 115 RESUMO DO TÓPICO 3 ... 132 AUTOATIVIDADE ... 133

UNIDADE 3 – LÓGICA DE PROGRAMAÇÃO ... 135

TÓPICO 1 – FUNDAMENTOS DE LÓGICA DE PROGRAMAÇÃO ... 137

2 FUNDAMENTOS DE LÓGICA DE PROGRAMAÇÃO ... 138

3 LÓGICA ... 139

4 LÓGICA DE PROGRAMAÇÃO ... 140

TÓPICO 2 – CONSTANTES E VARIÁVEIS ... 145

2 CONSTANTES ... 145

3 VARIÁVEIS ... 146

4 TIPOS DE DADOS ... 147

5 DECLARANDO CONSTANTES E VARIÁVEIS ... 147

6 COMANDOS BÁSICOS DE UM ALGORITMO ... 149

7 EXPRESSÕES ... 151

TÓPICO 3 – ESTRUTURAS DE CONTROLE ... 155

2 ESTRUTURAS DE CONTROLE SEQUENCIAL ... 155

3 ESTRUTURAS DE CONTROLE CONDICIONAL ... 156

4 ESTRUTURAS DE CONTROLE DE REPETIÇÃO ... 159

4.1 ESTRUTURA DE REPETIÇÃO ENQUANTO-FAÇA ... 159

4.2 ESTRUTURA DE REPETIÇÃO PARA-FAÇA ... 160

4.3 ESTRUTURA DE REPETIÇÃO REPITA_ATÉ ... 161

TÓPICO 4 – TIPOS ESTRUTURADOS ... 165

1 INTRODUÇÃO ... 165 2 REGISTROS ... 165 3 VETORES ... 166 4 MATRIZES ... 168 RESUMO DO TÓPICO 4 ... 171 AUTOATIVIDADE ... 172

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TÓPICO 5 – SUBALGORITMOS E ESCOPO DE IDENTIFICADORES ... 173 1 INTRODUÇÃO ... 173 2 ESCOPO DE IDENTIFICADORES ... 174 LEITURA COMPLEMENTAR ... 179 RESUMO DO TÓPICO 5 ... 184 AUTOATIVIDADE ... 185 REFERÊNCIAS ... 187

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UNIDADE 1

HISTÓRICO DA COMPUTAÇÃO

OBJETIVOS DE APRENDIZAGEM

PLANO DE ESTUDOS

A partir desta unidade, você será capaz de:

• conhecer os principais fatos históricos da computação; • compreender os conceitos fundamentais da computação; • entender a área de informática de maneira sistêmica.

Esta unidade de ensino está dividida em três tópicos, sendo que no final de cada um deles você encontrará atividades que contribuirão para a apropriação dos conteúdos.

TÓPICO 1 – BREVE HISTÓRICO

TÓPICO 2 – GERAÇÃO DOS COMPUTADORES

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TÓPICO 1

UNIDADE 1

BREVE HISTÓRICO

1 INTRODUÇÃO

Embora os recursos tecnológicos disponíveis atualmente possam parecer extremamente novos e atuais, o processo de desenvolvimento da tecnologia percorreu um longo caminho para que pudéssemos nos beneficiar de tais tecnologias.

A informática nos permite revolucionar a forma que vivemos e agimos e conseguimos cada vez mais benefícios com a sua utilização. Os computadores nos auxiliam nas escolas, escritórios, indústrias, hospitais, casas entre outros lugares, tornando-se uma ferramenta indipensável para muitas pessoas.

Se a informática nos auxilia em todos os lugares, por que não entendermos algumas das características da evolução do computador?

Vamos à leitura!

2 HARDWARE

Antes de acompanharmos a evolução do hardware, vamos descrever

hardware. Hardware é a parte física do computador, isto é, tudo o que “pode ser

tocado”, como, gabinete, monitor, teclado, mouse, processadores, memórias, disco rígido etc.

Sabemos que os computadores estão em constante transformação, por isso a importância de conhecermos sua história.

Podemos dividir os acontecimentos de forma cronológica e de acordo com seus componetes básicos. Vejamos a divisão:

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 Dispositivos mecânicos.  Dispositivos eletromecânicos.  Dispositivos eletrônicos.

 Computadores com vávulas, com transistores, com circuitos integrados e com

itegração em larga escala.

Agora vamos entender cada etapa desta evolução.

2.1 DISPOSITIVOS MECÂNICOS

Um computador é uma máquina que trabalha com dados e informações sob a forma de números. O ser humano desde os primórdios da humanidade até a atualidade, buscam constantemente desenvolver ferramentas que auxiliam no processo de contagem.

Os homens das cavernas, contavam com as únicas ferramentas de contagem que conheciam: seus dedos das mãos e pés. Estas foram consideradas as primeiras ferramentas de contagem. Logo o homem percebeu que outros objetos poderiam ser usados para fazer a contagem de números maiores. Algumas das outras ferramentas de contagem que foram utilizadas ao longo do tempo foram as pedras, os nós em cordas, ossos, paus, entre outros. Essas pessoas utilizavam essas ferramentas de contagem para contar suas posses e também para a contagem do tempo, como nossos calendários nos dias de hoje.

É importante distinguir o início dos ábacos, conhecidos como placas de contagem ou calculadora decimal manual. O ábaco é um pedaço de madeira, pedra ou metal com sulcos esculpidos ou linhas pintadas entre os quais pérolas, pedras ou discos de metal são movidos. Tanto o ábaco como a placa de contagem, são auxiliares mecânicos utilizados para contagem, eles não são calculadoras. A pessoa que opera o ábaco executa cálculos em sua cabeça e usa o ábaco como um auxílio físico para manter o controle da contagem.

O mais velho ábaco é o tablet Salamis (originalmente pensado para ser uma placa de jogo), usada pelos babilônios por volta de 300 a.C., descoberto em 1846 na ilha de Salamina.

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O ábaco foi inventado há cerca de 4.000 anos atrás, pelos chineses. Foi a primeira máquina utilizada para contagem e cálculo. É preciso uma grande quantidade de tempo e prática para aprender a dominar o uso de um ábaco.

FIGURA 1 – MODELO DE ÁBACO

FONTE: Monteiro (2014)

No início do século 17, John Napier, um matemático escocês, inventou outra ferramenta de cálculo. Ela tinha tiras marcadas de madeira ou osso, lado a lado, para multiplicar e dividir. Esta ferramenta tornou-se conhecida como "Ossos de Napier".

Em 1642, com 19 anos de idade, um matemático francês chamado Blaise Pascal, inventou a Pascaline. A Pascaline é conhecida como a primeira calculadora mecânica e automática. Pascal inventou a Pascaline para facilitar o trabalho de seu pai como contador de imposto. A máquina às vezes chamada de La Pascaline ou máquina de Pascal, nunca se tornou popular, primeiro porque quebrou muitas vezes e seu inventor era a única pessoa que poderia consertá-la. Em segundo lugar, era lenta, e em terceiro, os funcionários não a utilizavam porque estavam com medo de que poderia substituí-los em seus trabalhos.

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FIGURA 2 – BLASE PASCAL

FONTE: Disponível em: <http://educacao.uol.com.br/biografias/blaise-pascal.htm>. Acesso em: 2 mar. 2016.

Pascal mais tarde tornou-se famoso em matemática e filosofia, mas ele ainda é lembrado por seu papel na história do computador. Em sua homenagem, há uma linguagem de computador chamada Pascal.

Em 1673, o inventor alemão Gottfried Leibniz aperfeiçoou a calculadora Leibniz. Leibniz entrou em uma universidade com 15 anos de idade e recebeu seu diploma de bacharel aos 17 anos. Esta máquina também era uma máquina de calcular, mas muito superior à de Pascal. Essa calculadora fazia mais do que apenas somar e subtrair. A Calculadora Leibniz também poderia multiplicar, dividir e encontrar raízes quadradas.

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Em 1801, Jacquard inventou o tear Jacquard. Era uma máquina de tecelagem que foi controlada por cartões perfurados. Enquanto o tear estava sendo bombeado, cartões com buracos foram ligados em conjunto de um padrão através do qual cordas de fios eram alimentados automaticamente.

Sua invenção assustou outros tecelões porque com este tear o pano era produzido mais rápido e melhor do que com a mão. Por este motivo a casa e tear Jacquard foi incendiada.

Anos depois, variações sobre cartões perfurados de Jacquard foram utilizados em vários tipos de máquinas, incluindo a representação da música em pianos automáticos, bem como o armazenamento de programas para computadores.

FIGURA 4 – TEAR DE JACQUARD

FONTE: Disponível em: <http://addiator.blogspot.com.br/2011/10/jacquards-loom-and-stored-programme.html>. Acesso em: 2 mar. 2016.

No início da década de 1820, o matemático Inglês Charles Babbage, projetou uma máquina de computação chamada de máquina de diferenças. Esta máquina era usada no cálculo e impressão de tabelas de matemática simples. Na década de 1830, ele projetou uma segunda máquina de computação chamada Máquina Analítica. Esta máquina era utilizada no cálculo dos problemas complicados, seguindo um conjunto de instruções.

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Mesmo a máquina analítica sendo totalmente mecânica, possuía os mesmos componentes de um computador atual, tais como: memória, processador e saída para um perfurador de cartões (MONTEIRO, 2014).

FIGURA 5 – MÁQUINA ANALÍTICA

FONTE: Disponível em: <http://history-computer.com/Babbage/AnalyticalEngine.html>. Acesso em: 2 mar. 2016.

2.2 DISPOSITIVOS ELETROMECÂNICOS

A partir da invenção do motor elétrico surgiu uma grande quantidade de máquinas de somar acionadas por motores elétricos baseados nos princípios do funcionamento da máquina de Pascal.

Em 1890, 50 anos após a morte de Charles Babbage, Herman Hollerith inventou uma máquina chamada de máquina de tabulação, usando notas que

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Antes desta invenção, demorava quase oito anos para levantar as informações do censo nos Estados Unidos. A máquina Tabuladora usava cartões perfurados para registrar e classificar dados ou informações. Cada buraco perfurado significava algo. Aproximadamente 65 cartões poderiam ser passados através deste computador em um minuto, e em 1890 foram necessários apenas 2,5 anos para completar o Censo EUA.

Hollerith não parou com este invento. Ele começou uma empresa com o nome de Tabulating Machine Company. Eventualmente, esta empresa mudou seu nome para International Business Machines (IBM) - uma das maiores empresas de informática do mundo.

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2.3 COMPONENTES ELETRÔNICOS

Em 1930, Vannevar Bush lançou o primeiro "computador" eletrônico nos Estados Unidos. Era um dispositivo analógico, isto é, poderia medir quantidades que mudavam de forma contínua, tais como a temperatura e a pressão do ar. Eram utilizados tubos a vácuo para alternar sinais elétricos que executavam cálculos. A máquina de Bush poderia fazer 25 cálculos em poucos minutos. Para mostrar os resultados, uma caneta fixa acima de uma mesa de desenho foi usada para desenhar uma curva em um gráfico.

O Analisador Diferencial pesava 100 toneladas, utilizava 2000 tubos a vácuo, milhares de relés, motores, e cerca de 200 milhas de arame.

FIGURA 7 – MÁQUINA DE BUSH

FONTE: Disponível em: <http://www.kerryr.net/pioneers/gallery/ns_bush5.htm>. Acesso em: 2 mar. 2016.

A próxima grande invenção na história da computação começou em 1937. Naquele ano, Howard Aiken delineou um plano para uma máquina que poderia executar problemas matemáticos envolvendo números muito grandes. Era um dispositivo digital ao invés de analógico.

Em 1944, a IBM pagou engenheiros para construir a máquina de Aiken. Chamado Mark I, foi composto por 78 máquinas de somar e calculadoras de mesa que foram ligadas por quase 500 milhas de fios. Em um segundo, o Mark I poderia adicionar três números de oito dígitos e podia imprimir os seus resultados em cartões perfurados ou em uma máquina de escrever elétrica.

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A máquina tinha alguns inconvenientes como: era enorme – 51 pés de comprimento e 8 pés de altura. Seus 3.000 interruptores elétricos faziam um barulho terrível. O Mark I era caro e complicado para construir. Afinal, ele tinha um milhão de peças e pesava cerca de 5 toneladas.

Um dos principais programadores para o Mark I era uma mulher, Grace Hopper. Hopper encontrou o primeiro "bug" de computador: uma mariposa morta que tinha entrado no Mark II e cujas asas estavam bloqueando a leitura dos buracos na fita de papel. A palavra "bug" foi usada para descrever um defeito, pelo menos desde 1889, mas Hopper é creditada por inventar a palavra "depuração" para descrever o trabalho para eliminar as falhas do programa (DECATUR CITY SCHOOLS, 2008).

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RESUMO DO TÓPICO 1

Maravilha! Conseguimos um avanço fantástico ao cumprirmos mais esta tarefa. Você é a pessoa mais interessada em rever um pouco mais daquilo que discutimos neste tópico.

• Neste tópico pudemos rever o conceito de hardware.

• Vimos também que em função da necessidade de tornar as operações matemáticas cada vez mais rápidas e precisas surgiram os primeiros dispositivos de automação de cálculos, como o ábaco e seus similares. A partir da invenção do ábaco estava plantada a pedra fundamental sobre a qual se desenvolveria todo o restante da história da informática.

• Um dos primeiros projetos de calculadoras de que há registros foi materializado por Blaise Pascal numa calculadora mecânica com capacidade apenas para somar e subtrair.

• A partir desta iniciativa, novos pesquisadores se interessaram pelo assunto e inicia-se uma trajetória para a evolução.

• Charles Babbage com seu fatástico projeto cria a máquina analítica. • Não podemos nos esquecer da primeira programadora da história. • Através das máquinas tabuladoras nasce a IBM.

• E para completar a evolução daquele período, surgiram os primeiros componentes eletrônicos.

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AUTOATIVIDADE

1 Os primeiros ábacos eram feitos com fios verticais paralelos pelos quais o operador podia fazer deslizar sementes secas. Quem foram os inventores do ábaco?

a) Chineses b) Incas c) Romanos d) Índios

2 A calculadora mecânica desenvolvida por Blaise Pascal é considerada um marco no processo de criação e evolução de dispositivos de automação de cálculos. Porém, a calculadora de Pascal, denominada Pascalina, permitia realizar apenas as operações de soma e subtração. Algum tempo depois, outro pesquisador contruiu uma calculadora que efetuava também as operações de divisão e multiplicação. Qual o nome deste pesquisador? 3 Descreva o significado da palavra bug, para a área da computação.

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TÓPICO 2

GERAÇÃO DOS COMPUTADORES

UNIDADE 1

1 INTRODUÇÃO

Em 1946, pequenas vias eletrônicas chamadas circuitos começaram a realizar a contagem que antes era feita por engrenagens e outras peças mecânicas. Com cada nova geração, o circuito tornou-se menor e mais avançado do que a geração anterior. Como resultado da miniaturização, a velocidade, potência e memória dos computadores aumentaram proporcionalmente. Novas descobertas estão sendo constantemente desenvolvidas, as quais afetam a maneira como vivemos, trabalhamos e nos divertirmos.

2 PRIMEIRA GERAÇÃO: 1945-1956

Os computadores da primeira geração eram enormes, lentos, caros e muitas vezes pouco confiáveis. Em 1946, dois americanos, Presper Eckert e John Mauchly construiram o ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer) computador eletrônico que utilizou tubos de vácuo em vez dos interruptores mecânicos. O ENIAC usou milhares de tubos de vácuo, que ocupava muito de espaço e emitia uma grande quantidade de calor. O ENIAC levou à construção de outros tipos de computadores, como do tipo de tubo a vácuo, como o EDVAC (Electronic Discrete Variable Automatic

Computer) e o UNIVAC I (Universal Automatic Computer). O tubo de vácuo foi um

passo extremamente importante no avanço dos computadores. Os tubos de vácuo foram inventados ao mesmo tempo em que a lâmpada foi inventada por Thomas Edison e os tubos trabalhavam de forma semelhante às lâmpadas. O objetivo era de agir como um amplificador e um interruptor. Sem partes móveis, os tubos a vácuo podiam levar sinais fracos e ampliar o sinal. Os tubos a vácuo também podiam parar e iniciar o fluxo de eletricidade instantaneamente (switch). Essas duas propriedades fizeram o computador ENIAC possível. O ENIAC exalava tanto calor que teve que ser arrefecido por condicionadores de ar gigantescos. No entanto, mesmo com estes enormes refrigeradores, os tubos a vácuo ainda superaqueciam regularmente.

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Ao contrário das ferramentas de contagem anteriores, o ENIAC não tinha peças mecânicas e engrenagens. Baseava-se exclusivamente em tubos a vácuo. Cada tubo a vácuo continha um circuito eletrônico, um pequeno caminho que levava a eletricidade. Cada circuito podia ligar e desligar de maneira parecida como uma lâmpada faz.

O ENIAC operava 1000 vezes mais rápido do que Mark I. Ele podia fazer 5000 adições por segundo e 300 multiplicações. Esta máquina custava cerca de 3 milhões de dólares.

No entanto, o ENIAC tinha inúmeros problemas. Os 19.000 tubos a vácuo ocupavam tanto espaço que exigia uma sala medindo aproximadamente 75 m²! Os tubos também produziam uma grande quantidade de calor e estavam sempre queimando. Em média, 50 tubos queimavam a cada dia.

FIGURA 8 – ENIAC

FONTE: Disponível em: <http://www.hnf.de/en/museum/die-erfindung-des-computers/eniac-life-size-model-of-the-first-vacuum-tube-computer.html>. Acesso em: 2 mar. 2016.

Em 1946, um matemático chamado John von Neumann propôs duas alterações no projeto do computador; 1º) as instruções da máquina, deveriam ser armazenadas dentro do computador. 2º) uma vez que os circuitos eletrônicos são

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codificar todas as informações que eles colocassem no computador. Um zero estaria desligado (sem sinal) e um estaria ligado (com sinal). Este código é chamado de código binário e é usado ainda hoje. Mais adiante aprofundaremos o código binário.

Em 1951, Eckert e Mauchly concebeu outro computador chamado de UNIVAC (Universal Automatic Computer). Foi o primeiro computador a ser vendido para as empresas. UNIVAC continha 5.400 tubos a vácuo e utilizava fitas magnéticas para dar instruções ao computador. O UNIVAC foi utilizado para prever a eleição presidencial de Dwight Eisenhower.

FIGURA 9 - UNIVIAC

FONTE: Disponível em: <http://blogs.loc.gov/loc/2008/04/my-first-bloggiversary/univac/>. Acesso em: 2 mar. 2016.

3 SEGUNDA GERAÇÃO: 1956-1963

O computador transistor não durou tanto quanto o computador de tubo a vácuo, mas não era menos importante no avanço da tecnologia dos computadores. Em 1947 três cientistas, John Bardeen, William Shockley e Walter Brattain que

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Houve diferenças óbvias entre o transistor e o tubo a vácuo. O transistor foi mais rápido, mais confiável, menor, e muito mais barato de construir do que um tubo a vácuo. Um transistor substituiu o equivalente a 40 tubos a vácuo. Estes transistores eram feitos de material sólido, alguns dos quais eram de silício, um elemento abundante encontrado na areia da praia, e vidro. Portanto, eles foram muito mais baratos para produzir. Transistores foram inventados para conduzir eletricidade mais rápida e melhor do que os tubos a vácuo. Eles também foram muito menores e exalavam praticamente nenhum calor em comparação com os tubos a vácuo. Seu uso marcou um novo começo para o computador. Sem essa invenção, as viagens espaciais na década de 1960 não teriam sido possíveis. No entanto, uma nova invenção iria avançar ainda mais nossa capacidade de usar computadores.

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4 TERCEIRA GERAÇÃO: 1965-1970

Os transistores foram um grande avanço para os computadores. No entanto, ninguém poderia prever que milhares até milhões de transistores (circuitos) podiam ser compactados em um espaço tão pequeno. Robert Noyce da Fairchild Corporation e Jack Kilby da Texas Instruments descobriram que colocando grande número de transistores em um único chip aumentava imensamente o poder de um único computador e baixava consideravelmente seu custo.

Com a invenção de circuitos integrados, o número de transistores que poderia ser colocado em um único chip dobrava de dois em dois anos, diminuindo o tamanho e o custo dos computadores e ainda aumentando a sua potência.

Estes computadores de terceira geração podiam executar instruções em bilionésimos de segundo. O tamanho destas máquinas caiu para o tamanho de armários de arquivo pequenos. No entanto, o grande avanço na era dos computadores ainda estava por vir.

FIGURA 11 – CIRCUITOS INTEGRADOS

FONTE: Disponível em: <http://buvenes.blogspot.com.br/2012/01/computer-history-and-generations.html>. Acesso em: 2 mar. 2016.

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5 QUARTA GERAÇÃO: 1971- ATÉ OS DIAS ATUAIS

Esta geração pode ser caracterizada pelo o grande avanço de circuitos integrados monolíticos (milhões de transistores colocados sobre uma pastilha de circuito integrado) e a invenção do microprocessador (um único chip que podia fazer todo o processamento de um computador de grande escala).

No entanto, o que realmente provocou o enorme crescimento dos computadores e seu impacto significativo em nossas vidas foi a invenção do microprocessador. Ted Hoff, contratado pela Intel (nova empresa Robert Noyce) inventou um chip quase do tamanho da borracha que fica na ponta do lápis que poderia fazer toda a computação e lógica de trabalho de um computador. O microprocessador foi feito para ser usado em calculadoras, não computadores. Ele conduziu, no entanto, a invenção de computadores pessoais, ou microcomputadores.

Na década de 1970 as pessoas começaram a comprar computadores para uso pessoal. Um dos primeiros computadores pessoais foi o kit de computador Altair 8800. Em 1975, você poderia comprar este kit e colocá-lo em conjunto para fazer o seu próprio computador pessoal. Em 1977, o Apple II foi vendido ao público e, em 1981, a IBM entrou no mercado de PC (computador pessoal).

FIGURA 12 – PRIMEIROS MICROPROCESSADORES

FONTE: Disponível em: <https://delphinemeow.files.wordpress.com/2014/04/ibm-pc.jpg>. Acesso em: 2 mar. 2016.

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6 UM POUCO DA HISTÓRIA DA APPLE

Steven Paul Jobs e Stephen Wozniak eram adolescentes quando o microcomputador foi inventado. Eles cresceram no Vale do Silício, uma área perto de Palo Alto, Califórnia, conhecida por computadores e indústrias eletrônicas. Mais tarde, eles conseguiram emprego lá como engenheiros. Interessados em computadores, eles se juntaram ao Homebrew Computer Club e começaram a trabalhar sério com os computadores.

Em 1976, Wozniak, que tinha interesse em computadores desde a quarta série, decidiu construir um pequeno computador que seria fácil de usar. Seus amigos ficaram impressionados com ele, e Jobs queria vendê-lo. Os dois começaram seus negócios, Apple Computer Inc., com os US$ 1.300 que receberam com a venda de um ônibus Volkswagen e calculadora científica de Wozniak.

O primeiro Apple II, recebeu este nome, em memória aos verões em que Jobs passou colhendo maçãs no Noroeste, foi um enorme sucesso. Desde então, a Apple tem feito muitos computadores, incluindo o Apple II Plus, Apple IIe, Apple II, a Apple IIGS, Macintosh, iMac, iPod e iPhone (DECATUR CITY SCHOOLS, 2008).

FIGURA 13 – STEVE JOBS

FONTE: Disponível em: <http://lounge.obviousmag.org/advibe/2014/05/jobs.html>. Acesso em: 2 mar. 2016.

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7 UM POUCO DE BILL GATES E A MICROSOFT

Em dezembro de 1974, Paul Allen estava em seu caminho para visitar Gates, quando ao longo do caminho ele parou para ver as revistas atuais. O que ele viu mudou Bill Gates para sempre. Na capa da Popular Electronics foi uma imagem do Altair 8080 e a manchete "Kit primeiro microcomputador do mundo para rivalizar Modelos Comerciais." Ambos reconheceram isso como sua grande oportunidade. Os dois sabiam que o mercado de computadores domésticos estava prestes a explodir e que alguém precisaria desenvolver os softwares para as novas máquinas. Dentro de alguns dias, Gates havia chamado a MITS (Micro

Instrumentation and Telemetry Systems), os fabricantes da Altair. Contou à empresa

que ele e Allen tinham desenvolvido um programa básico que podia ser utilizado no Altair. Esta foi uma mentira. Eles ainda não tinham escrito uma linha de código sequer. Eles não tinham nem um Altair nem o chip que funcionava o computador. A empresa MITS não sabia disso e estava muito interessada em ver o programa. Assim, Gates e Allen começaram a trabalhar febrilmente sobre o programa que haviam prometido. O código para o programa foi deixado em sua maioria para Bill Gates, enquanto Paul Allen começou a trabalhar em uma maneira de simular a Altair com as escolas PDP-10. Oito semanas depois, os dois sentiram que seu programa estava pronto. Allen foi para MITS mostrar sua criação. Um dia depois que Allen chegou a MITS, é que foram testar seu programa. Se a simulação do Altair não funcionasse ou se qualquer código de Gates estivesse com defeito, a demonstração provavelmente teria terminado em fracasso. Este não era o caso, e o programa funcionou perfeitamente na primeira vez. Gates estava convencido de que o mercado de software tinha nascido. Dentro de um ano, Bill Gates havia abandonado Harvard e a Microsoft foi criada (DECATUR CITY SCHOOLS, 2008).

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Assista ao filme Piratas do Vale do Silício para saber mais sobre a história das principais empresas que contribuíram para o atual estado da tecnologia da informação.

DICAS

8 QUINTA GERAÇÃO

A quinta geração da computação é chamada de "inteligência artificial", e é o objetivo de cientistas e programadores de computador criarem computadores mais espertos. Todas as linguagens de alto nível como C e C ++, Java, .Net etc., são utilizadas nesta geração.

A inteligência artificial pode ser dividida em cinco categorias distintas: os jogos, robótica, sistemas especialistas, redes neurais e de linguagem natural. Cada uma destas categorias está sendo desenvolvida independente uma da outra. Por exemplo, jogos têm tido grande sucesso ao longo dos últimos 15 anos, enquanto linguagem natural levou mais tempo para o seu pleno e perfeito desenvolvimento (TECHIWAREHOUSE, 2011).

8.1 JOGOS

Um dos maiores avanços da inteligência artificial foi em 1997, quando um computador da IBM derrotou com sucesso o campeão mundial de xadrez em seu próprio jogo. Foi a primeira vez que um computador tinha batido um ser humano.

Em 2011, a IBM introduziu "Watson" para os telespectadores Jeopardy nos Estados Unidos. O evento foi concebido como um teste para a sua mais nova tecnologia artificial que pôde interpretar a linguagem humana, bem como usar a lógica para encontrar as respostas e perguntas comuns e triviais. Sua mais recente incursão em inteligência artificial tinha alguns pequenos erros ao ouvir a interpretação das perguntas, mas ainda assim conseguiu vencer todos os seus adversários no jogo, mesmo o campeão de mais longa duração, Ken Jennings.

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Watson: computador com inteligência artificial que derrotou oponentes humanos em um programa de televisão chamado Jeopardy, o qual possui perguntas e respostas.

NOTA

8.2 REDES NEURAIS

Uma rede neural tenta reproduzir os pensamentos e ligações físicas de cérebros humanos ou animais, e é uma das áreas mais testadas na quinta geração de computação. Este é, de fato, o segredo para Watson da IBM: deram-lhe um cérebro humano que pudesse entender em grande parte a linguagem e fazer pesquisas para responder as perguntas.

Estas redes neurais também estão se tornando importantes em aplicações muito menores, como o recurso de reconhecimento de voz em muitos computadores pessoais atuais e telefones celulares.

8.3 LINGUAGEM NATURAL

Este é muitas vezes considerado um dos "Santos Graal" da inteligência artificial. Atualmente, o tipo de reconhecimento de voz que está disponível para os consumidores cai mais na categoria de "ditado" do que "conversa". Isso porque o computador pode ouvir as palavras e transcrevê-las em texto, mas ele realmente não têm a capacidade de compreender o seu significado ou o seu contexto.

Da mesma forma, a linguagem natural está atualmente limitada a um tom de voz, e dispositivos de computação de inteligência mais artificial e não pode distinguir entre uma frase de voz suave, e uma sentença de raiva.

8.4 SISTEMAS ESPECIALISTAS

Já fomos vítimas do chamado "erro humano", seja no consultório médico, no banco, ou até mesmo enquanto nós estávamos dirigindo o nosso carro para um destes lugares. Cada vez mais, os investigadores estão olhando para a inteligência artificial como uma espécie de caminho à prova de falhas de diagnóstico de pacientes e para fazer as tarefas humanas diárias.

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Esses chamados sistemas especialistas podem ajudar as pessoas a tomar a decisão certa em um ambiente difícil. Sistemas especialistas são capazes de armazenar muito mais informações do que o cérebro humano, bem como tê-las mais facilmente disponíveis.

8.5 ROBÓTICA

Esta pode ser a área mais popular da inteligência artificial entre aqueles que não estão familiarizados com conceitos mais avançados, como "redes neurais" ou "sistemas epecilalistas". Mas estes não são robôs típicos de limpeza. O campo da robótica da inteligência artificial é sobre a criação de robôs que podem experimentar, e reagir a estímulos externos, tal como os seus homólogos humanos.

Isso significa que esses robôs serão capazes de levar uma vida semiautônoma, conscientes de seu entorno e capazes de modificar de forma independente o seu comportamento com base no seu ambiente. É uma das áreas mais promissoras e mais difíceis da inteligência artificial.

Para conhecer um pouco mais da Inteligência Artificial, assista aos filmes: • Uma Odisseia no Espaço;

• O ano em que faremos contato; • Inteligência Artificial;

• Eu, Robô.

DICAS

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RESUMO DO TÓPICO 2

Caro(a) acadêmico(a), neste capítulo você estudou que:

• Existem no total cinco gerações de computador conhecidas até a data. Cada geração tem sido discutida em detalhe, juntamente com o seu período de tempo e características.

• A primeira geração é marcada pelos tubos a vácuo. • A segunda geração é marcada pelo transistor.

• A terceira geração é marcada pelos circuitos integrados. • A quarta geração é marcada pelo microprocessador.

• A quinta geração é marcada pelos estudos da inteligência artificial.

• Uma das empresas mais significativas dos últimos tempos na área da computação é a Apple, fundada por Steve Jobs e Steve Wosniak.

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1 O que diferencia os computadores de primeira geração dos da segunda? 2 Por que a quarta geração ficou conhecida como a geração dos

microprocessadores?

3 Computadores da quinta geração são baseados em: a) ( ) Tubos a vácuo

b) ( ) Circuitos integrados c) ( ) Microprocessadores d) ( ) Inteligência artificial

4 Como vimos, na primeira geração de computadores encontravam-se muitos problemas. Analise as afirmativas abaixo e assinale as sentenças corretas: I. Os computadores desta geração eram enormes;

II. Os computadores desta geração eram caros;

III. Os computadores desta geração transmitiam grande quantidade de calor. a) ( ) As alternativas I e II estão corretas.

b) ( ) As alternativas II e III estão corretas. c) ( ) Apenas a alternativa I está correta. d) ( ) Todas as alternativas estão corretas.

5 Esta invenção foi 1.000 vezes mais rápida do que qualquer máquina construída antes dela. Era tão grande que poderia preencher uma casa. Assinale a opção correta: a) Apple I b) ENIAC c) Windows d) Z3

AUTOATIVIDADE

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TÓPICO 3

TIPOS DE COMPUTADORES E SEUS

COMPONENTES

UNIDADE 1

1 INTRODUÇÃO

Quando as pessoas pensam em computadores, geralmente relacionam a um laptop ou desktop. Os computadores são, na verdade, tudo que nos rodeia, e podem ser divididos em categorias distintas dependendo do seu tamanho e poder de processamento. Algumas definições mudaram ao longo do tempo com os avanços rápidos na tecnologia, temos computadores que cabem na palma de nossas mãos e que têm poder de processamento imenso. Ainda assim, a maior parte das qualificações gerais para cada categoria são as mesmas, juntamente com as diversas subcategorias que podem se encaixar.

Então, quais são essas categorias de tipos de computador? Há cinco principais: supercomputadores, mainframes, minicomputadores, microcomputadores e computadores móveis.

Além disso, computadores possuem componetes essenciais para seu funcionamento. Neste tópico, vamos ver os detalhes de cada um.

2 SUPERCOMPUTADORES

Supercomputador é um termo usado para descrever computadores que têm o poder de processamento mais rápido. Os supercomputadores executam centenas de milhares de processamentos, capazes de quatrilhões de cálculos de computação em apenas alguns nanossegundos. Você provavelmente não vai precisar deste tipo de capacidade para acessar o Facebook. Na verdade, os supercomputadores são usados em ciência computacional para calcular e realizar uma infinidade de tarefas complexas. Modelagem de estruturas moleculares, previsão do tempo, e no campo da mecânica quântica, entre outros.

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FIGURA 15 – SUPERCOMPUTADORES

FONTE: Disponível em: <http://www.peimag.com/top-10-most-powerful-supercomputers-in-the-world/>. Acesso em: 2 mar. 2016.

3 COMPUTADORES MAINFRAME

Como os supercomputadores, os computadores mainframe são enormes, elevando-se máquinas com lotes de poder de processamento. Mainframes são usados principalmente por empresas, agências governamentais e bancos e organizações que precisam de uma maneira de armazenar grandes quantidades de informação, tais como a Receita Federal do Brasil. A capacidade de processamento de computadores de grande porte é medida em MIPS, ou milhões de instruções por segundo. Supercomputadores, por outro lado, são medidos em FLOPS, ou operações de ponto flutuante por segundo.

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FIGURA 16 – MAINFRAME

FONTE: Disponível em: <https://tegrupo7.wordpress.com/>. Acesso em: 2 mar 2016.

4 MINICOMPUTADORES

Um minicomputador é uma máquina de multiprocessamento que trabalha com cerca de 200 usuários ao mesmo tempo. É como um computador mainframe menos poderoso, e possui o tamanho parecido com de uma geladeira. Um servidor pode ser um exemplo de um minicomputador, mas nem todos os servidores são minicomputadores. Apesar do seu nome, um minicomputador não é um computador pessoal como a máquina desktop que você pode ter em casa ou no trabalho. Eles são muito maiores do que isso.

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5 MICROCOMPUTADORES

Microcomputadores são os que as pessoas estão mais familiarizadas na sua vida diária, não profissional, mas é claro que isso não significa que eles são exclusivos para a casa. Microcomputadores são pequenos computadores que rodam em microprocessadores em suas unidades de processamento central. Eles são muito mais baratos do que os supercomputadores, computadores de grande porte e até mesmo minicomputadores, porque eles foram feitos para usos diários que são mais práticos do que profissional. A gama de capacidades para microcomputadores é vasta. Um editor de filme poderia usar um microcomputador para executar muitos programas de edição intensivos de uma só vez, enquanto que um aluno pode usar um microcomputador para digitar um texto.

A maioria das pessoas usa o que chamamos de computadores pessoais, e até mesmo dentro desta definição existem diversas variações. Estas incluem: • Computadores desktop: também conhecidos por computadores de mesa, são

populares, pois os usuários podem personalizá-los, substituir peças e corrigi-los com muito mais facilidade do que seria um laptop. É também mais conveniente por ser capaz de se conectar a periféricos como telas, teclados e mouses. Neste sentido, computadores de mesa podem ser usados no escritório para tarefas profissionais, ou em casa. Computadores de mesa podem ser especializados para jogos, bem como, equipados com placas gráficas e mais memória RAM. • Consoles de video game: algumas pessoas não pensam consoles de videogame

como computadores, mas eles são. Eles têm muitos dos mesmos componentes de hardware como computadores, mas geralmente são menos avançados, razão pela qual eles são capazes de custar muito menos do que um computador de jogos de alto nível.

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FIGURA 17 – MICROCOMPUTADORES

FONTE: A autora.

6 COMPUTADORES MÓVEIS

Estes são exatamente computadores pequenos e móveis. Você pode argumentar que um computador de mesa é móvel, mas computadores móveis são os que se destinam a serem transportados e levados de um lugar para outro. Se um computador desktop é um microcomputador, em seguida, um laptop é um computador móvel. Há muitos tipos diferentes de computadores móveis, a seguir está uma lista de dispositivos que poderiam ser classificados como computadores móveis.

• Laptops: computadores portáteis destinados a serem transportados de um lugar para outro. Todos os seus componentes estão contidos dentro de um painel, que funciona também como teclado, e podem ser dobrados. Devido ao seu tamanho e conveniência, estes são alguns dos computadores mais populares para o uso diário.

• Netbooks: laptops muito menores.

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• Console de jogos portátil: Dispositivos como o Game Boy, Game Boy Color,

Game Boy Advance, Sega Nomad, PlayStation Portable (PSP) e PlayStation Vita são

consoles de jogos portáteis. Assim como consoles regulares, estes são pequenos computadores que permitem que as pessoas joguem jogos em movimento. • Calculadoras: são computadores que executam tarefas mais básicas dos

computadores - cálculos! Existem muitos tipos diferentes de calculadoras, calculadoras básicas, calculadoras gráficas, calculadoras científicas, calculadoras programáveis e calculadoras utilizadas para outros fins financeiros e de contabilidade.

• Players portáteis: também conhecidos como leitores de MP3, MP4, MP5. Um iPod, por exemplo, é um computador móvel também.

• Celulares e smartphones: smartphones como o iPhone e o Samsung Galaxy, entre outros, são exemplos de poderosos smartphones que também são computadores móveis.

FIGURA 18 – COMPUTADORES MÓVEIS

FONTE: A autora.

7 FUNÇÕES PRIMÁRIAS DE UM COMPUTADOR

Todos os computadores, desde os primeiros mainframes até os desktops,

laptops e PCs de hoje, executam as mesmas operações gerais sobre os dados. O

que muda ao longo do tempo é o dado manipulado, como ele é tratado, quanto é movido, e quanto sua forma é rápida e eficiente.

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As funções básicas que um computador pode executar são: • Processamento de dados;

• Armazenamentode de dados; • Movimentação dos dados, e • Controle.

7.1 PROCESSAMENTO DE DADOS

Quando você pensa sobre um computador e o que ele faz, você naturalmente pensa: “sua função é calcular”. E esta é realmente uma parte de seu trabalho. O computador gasta grande quantidade de seu tempo realizando operações matemáticas, e traduzindo os dados de uma forma para outra.

7.2 ARMAZENAMENTO DE DADOS

O sistema de computador armazena diferentes tipos de dados de diferentes maneiras, dependendo do que os dados são e a quantidade de espaço de armazenamento que eles exigem, e quão rapidamente eles precisam ser acessados. Estes dados são armazenados em memórias.

A memória principal do sistema do computador, também chamada de armazenamento primário, contém dados que você ou o computador estão trabalhando naquele instante. Esta é a "memória a curto prazo" do computador, e é projetada para ser capaz de alimentar dados para o processador de alta velocidade de modo que o processador não atrase demais enquanto espera por isso. No entanto, essa memória de curto prazo desaparece quando o computador está desligado.

Armazenamento a longo prazo, também chamado de armazenamento secundário, consiste em discos rígidos, cartões de memória, pendrives, HDs externos, nos quais os dados são armazenados permanentemente na forma de arquivos, prontos para você abrir quando precisar deles.

7.3 MOVIMENTAÇÃO DOS DADOS

O computador também controla a movimentação dos dados de um lugar para outro. Ele lê os dados que você digita no teclado, move na memória e, eventualmente, exibe na tela. Esse movimento é chamado de entrada/saída ou E/S e é a forma como o computador conversa com dispositivos que estão conectados a ele.

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Movendo dados entre máquinas também é uma parte importante da computação. O computador usa componentes de rede, modems e cabos para permitir que ele se comunique com outras máquinas.

7.4 CONTROLE

O sistema de computador deve controlar as três funções acima citadas. Dentro do computador, uma unidade de controle dirige e coordena a operação de todos os outros componentes do computador, proporcionando sinais de temporização e de controle e execução das instruções de um programa.

8 PRINCIPAIS COMPONENTES ESTRUTURAIS DE UM

COMPUTADOR

Os principais elementos de um computador são: • Unidade Central de Processamento (CPU);

• Memória principal (armazenamento primário); • Armazenamento Secundário;

• Dispositivos de entrada/saída; • Interconexão de subsistemas.

FIGURA 19 – SISTEMA DE HARDWARE DE UM MICROPROCESSADOR

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8.1 CPU

A Unidade Central de Processamento (CPU) é o componente central do PC. Este componente é o responsável vital para o funcionamento de cada coisa no PC. Os princípios subjacentes a todos os processadores de computador são os mesmos. Fundamentalmente, todas eles têm sinais na forma de 0s e 1s (sinais binários), manipulados de acordo com um conjunto de instruções, e produzem uma saída na forma de 0s e 1s.

A CPU possui três unidades principais:

• Lógica e aritmética (ULA): realiza operações aritméticas e lógicas. Por exemplo, pode adicionar em conjunto dois números binários da memória ou de alguns dos registros da CPU.

• Unidade de Controle: controla a ação dos outros componentes do computador, para que as instruções sejam executadas na sequência correta.

• Registos: armazenamento temporário dentro da CPU.

FIGURA 20 – CPU

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8.2 ARMAZENAMENTO DE DADOS / MEMÓRIA

O processador é o cérebro do computador. Todos componentes fundamentais para o computador têm lugar no processador. Outros componentes contribuem para o cálculo, mas o processador é onde a ação fundamental tem lugar.

No computador possuímos dois tipos fundamentais de memória:

A memória principal usada para armazenar informações para acesso imediato pela CPU. Também chamamos a memória principal de armazenamento primário. Algumas funções da memória são:

• Estreitamente ligadas ao processador.

• Os conteúdos são mudados rapidamente e facilmente.

• Detém os programas e dados que o processador está trabalhando ativamente. • Interage com os milhões de processamento por segundo.

Armazenamento secundário: dispositivos fornecem armazenamento permanente de grandes quantidades de dados. O armazenamento secundário também é chamado de memória secundária, memória externa, armazenamento de

backup ou armazenamento auxiliar.

Este pode consistir de armazenamento de disco rígido, pendrive, HD externo. Algumas de suas características são:

• Ligado à memória principal através de um controlador. • O conteúdo é facilmente alterado.

• Utilizado para a armazenagem a longo prazo de programas e de dados.

8.2.1 Memória principal

A memória principal é onde os programas e os dados são mantidos quando o processador está ativo. Quando os programas e os dados tornam-se ativos, eles são copiados da memória secundária para a memória principal, onde o processador pode interagir com eles. Uma cópia permanece na memória secundária.

A memória principal pode ser visualizada como um conjunto de ranhuras marcadas chamadas locais de memória ou células de memória. Cada posição da memória guarda uma palavra de dados e é designada um endereço único. Os endereços são palavras binárias que são interpretadas como números começando do número 0 e indo para cada local de memória sucessiva. Locais de memória podem ser usados para armazenar os dados, tais como caracteres e números, e instruções de programa.

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A CPU pode acessar diretamente os dados armazenados na memória principal. Quando uma posição de memória é lida o conteúdo da localização da memória permanece inalterado (uma cópia exata do conteúdo da localização é feita para o processamento pela CPU). Quando uma nova informação é colocada em uma posição da memória, os dados existentes são substituídos pelos novos dados. Os dados são armazenados em binário (1 e 0).

Os tipos de memória principais são: • Memória de acesso aleatório (RAM); • Memória só leitura (ROM).

A memória de acesso aleatório (RAM) é uma área no sistema do computador que armazena dados temporariamente antes ou depois de ser processado. A RAM pode ser escrita e lida. Por exemplo, quando você entra em um documento, os caracteres digitados geralmente não são processados imediatamente. Eles são mantidos na RAM até que você diga ao computador para realizar um processo como impressão. Mas RAM é volátil, ou seja, quando o computador é desligado todos os dados armazenados na memória RAM são destruídos. O termo acesso aleatório refere-se à capacidade de acesso a qualquer posição e em qualquer momento.

Memória só de leitura (ROM) armazena dados e é fixa e não pode ser alterada. Ela é usada para armazenar dados de referência e programas que serão necessários para a aplicação do computador. Por exemplo, quando um computador é ligado, um conjunto de instruções armazenadas na ROM chamado BIOS ROM (Basic Input

Output System) diz ao computador como acessar seus drives de disco como o sistema

operacional. Então, o computador pode copiar esses arquivos para a RAM.

8.2.2 Armazenamento secundário

A maioria dos sistemas de computador têm dispositivos de armazenamento secundário que são utilizados para proporcionar uma capacidade adicional de armazenamento de dados. O armazenamento secundário fornece armazenamento permanente para os programas e dados que não estejam sendo utilizados.

Os dados na memória secundária não são diretamente acessados pela CPU, mas podem ser transferidos para a memória principal antes de serem processados. O armazenamento secundário é consideravelmente menos caro do que a memória principal, mas requer tempo de acesso significativamente mais longo. Exemplos de armazenamento secundário incluem discos rígidos, CD-ROM, pendrive. Na história da computação o disco rígido sempre apresentou uma capacidade de armazenamento muito superior a da memória principal, contudo, a velocidade de processamento do disco rígido é muito menor.

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Mas você deve estar se perguntando por que ter dois tipos de armazenamento. A razão para ter dois tipos de armazenamento é dividir as tarefas, enquanto: • a memória primária é: rápida, com baixa capacidade e possui conexão direta ao

processador;

• a memória secundária: é lenta, barata, com grande capacidade e não conecta diretamente com o processador.

8.3 OS DISPOSITIVOS DE ENTRADA/SAÍDA

Dispositivos de entrada/saída fornecem uma interface entre o computador e o usuário. Devendo existir, pelo menos, um dispositivo de entrada (por exemplo teclado, mouse) e, pelo menos, um dispositivo de saída (por exemplo, impressora, tela). Os dispositivos de entrada e saída, como teclados e impressoras, em conjunto com os dispositivos de armazenamento externos, são referidos como periféricos.

8.4 INTERCONEXÃO DE SUBSISTEMAS

O sistema de computador requer interligações entre os vários componentes. Quando estes caminhos de dados transportam mais do que um bit simultaneamente a partir de um número de componentes diferentes, é referido como um barramento de dados.

Conforme Forouzan e Mosharraf (2011), para essa comunicação há três tipos de barramentos distintos:

• Barramento de dados: responsável pela transmissão dos dados entre as unidades; • Barramento de endereços: responsável por conduzir endereços, indicando a

origem ou destino dos dados a serem transmitidos;

• Barramento de controle: responsável por realizar a sincronização dos demais barramentos, habilitando ou desabilitando o fluxo de dados.

9 MICROPROCESSADORES / MICROCONTROLADORES /

SISTEMAS EMBARCADOS

Um microprocessador é uma Unidade Central de Processamento (CPU) em um único chip. O microprocessador contém a aritmética, lógica e circuitos de controle necessários para interpretar e executar instruções de um sistema de

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computador. Um microprocessador por si só não é um computador, quando combinado com outros componentes que proporcionam o armazenamento de dados e programas, frequentemente com uma única base de semicondutores, para formar um chip, o microprocessador torna-se o coração de um computador.

Um microcontrolador é um sistema de computador completo, numa única pastilha de circuito integrado, otimizado para aplicações de controle. Ele consiste em um microprocessador, memórias (RAM, Random Access Memory e ROM, Read

Only Memory), portas, entrada/saída, e, possivelmente, outras características, tais

como temporizadores. Sendo o controlador completo em um único chip permite o desenho de hardware para ser simples e muito barato. Os microcontroladores são cada vez mais utilizados, em produtos variados, como aplicações industriais, eletrodomésticos e brinquedos.

Sistemas de computadores se dividem em duas categorias distintas: • Os computadores de uso geral;

• Sistemas Embarcados.

O primeiro e mais óbvio, é o computador de uso geral (isto é, os PCs). Os programas de aplicação determinam a funcionalidade do sistema de computador. Para que o computador possa cumprir um novo papel, tudo o que é necessário é um novo aplicativo ser carregado.

Em contraste com computadores de uso geral temos o sistema embarcado. Sistemas embarcados são sistemas que são dedicados para executar funções específicas, com o hardware e software que estão sendo utilizados diretamente para o aplicativo. Eles diferem dos sistemas de computador convencionais na medida em que não são necessários para ser de uso geral. Sua operação em tempo real também é frequentemente muito importante para sistemas embarcados. Alguns exemplos de sistemas embarcados são fornos de microondas, CD players, câmeras de vídeo, controles remotos, jogos de vídeo, impressoras a laser, máquinas de fax, fotocopiadoras, controle automotivo, controle de temperatura nos edifícios, aeronaves e veículos espaciais, sintetizadores de música, controladores de tráfego-luz e caixas registradoras.

Todos estes sistemas têm um microprocessador, uma memória e os dispositivos de entrada e saída. Cada um deles é executado através de software específico para controlar a sua aplicação.

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Os processadores utilizados em PCs compõem apenas uma pequena percentagem do número total de processadores vendidos. A maioria dos processadores feitos são utilizados em aplicações incorporadas. Aplicações embarcadas geralmente exigem que o processador (e/ou sistema) tenham alta integração (isto é, ser muito compacto), baixo consumo de energia, resposta rápida e alto desempenho. Sistemas embarcados não têm a capacidade de executar software diferente, como é possível em um computador de uso geral.

10 ARQUITETURA RISC E CISC

Arquiteturas de computadores, em geral, têm evoluído progressivamente com maior complexidade, como maiores conjuntos de instruções, mais modos de endereçamento, muito mais poder computacional das instruções individuais, mais registros especializados, e assim por diante. Máquinas recentes que abrangem tais tendências são denominadas de computador com conjunto de intruções complexas (Complex Instruction Set Computer - CISC). No entanto, pode-se chegar a um ponto em que a adição de um complexo de instruções a um conjunto de instruções afeta a eficiência e o custo do processador. Os efeitos de tal instrução devem ser avaliados antes de ser adicionada ao conjunto de instruções.

O senso comum nos diz que as instruções inúteis (ou pouco utilizadas) não devem ser adicionadas ao conjunto de instruções. Este conceito básico de não adicionar instruções inúteis para o conjunto de instruções invocou um interesse crescente em uma abordagem inovadora para a arquitetura de computador, o computador com conjunto reduzido de instruções (Reduced Instruction Set Computer - RISC). A filosofia da arquitetura RISC diz para adicionar o mínimo de instruções para que façam o mínimo possível de operações, na qual resultam em um grande ganho de desempenho. Sistemas RISC foram definidos e desenhados por diferentes grupos em uma variedade de formas. A primeira máquina RISC foi construída em 1982 pela IBM. As características comuns compartilhadas pela maioria destes projetos são um conjunto limitado de instruções e simples, um grande número de registros, um compilador para maximizar a utilização de registos e, assim, minimizar os acessos à memória principal e a ênfase na otimização do pipelining. Mais adiante você entenderá o que é pipelining.

10.1 CAUSAS PARA UMA ARQUITETURA COMPLEXA

Existem várias razões para a tendência em direção progressiva para a complexidade. Estas incluem suporte para linguagens de alto nível, a migração de funções de software em hardware e compatibilidade. Cada um desses fatores é explicado a seguir:

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• Suporte para linguagens de alto nível: ao longo dos anos o ambiente de programação mudou de programação em linguagem assembly (baixo nível) para a programação em linguagens de alto nível, de modo que os fabricantes começaram a fornecer instruções mais poderosas para apoiar a implementação eficaz dos programas de linguagem de alto nível.

• Migração de funções de software em hardware: a única instrução realizada no

hardware terá um desempenho melhor do que um realizado por uma sequência

de várias instruções mais simples devido ao maior número de acessos à memória e a disparidade entre as velocidades de CPU e memória. Para aumentar a velocidade de processamento dos computadores, observa-se o fenômeno da migração de funções de software para o firmware e de firmware para hardware. (Firmware é uma sequência de microinstruções.) Esta migração de funções do domínio de software para o domínio de hardware irá naturalmente aumentar o tamanho do conjunto de instruções, o que resulta no aumento da complexidade global do computador.

• Compatibilidade: a compatibilidade é frequentemente utilizada pelos fabricantes como uma estratégia de marketing, a fim de projetar seus computadores como sendo melhor do que outros modelos existentes. Como resultado desta estratégia de marketing, por vezes, os fabricantes aumentam o número de instruções e o seu poder aumenta, independentemente da utilização real deste conjunto de instruções complexas. Compatibilidade é uma maneira de melhorar um projeto adicionando novos e geralmente mais complexos recursos (isto é, um novo computador deve ter todas as capacidades funcionais de seus antecessores e algo mais). Como resultado, o novo conjunto de instruções é um superconjunto de um antigo.

10.2 RISC POR QUE?

Projetistas de computadores têm diferentes pontos de vista, mas os dois critérios seguintes são universalmente aceitos para todos os sistemas:

1. Maximizar a velocidade de operação ou minimizar o tempo de execução; 2. Minimizar o custo de desenvolvimento e preço de venda.

Uma maneira de realizar o primeiro objetivo é melhorar a tecnologia dos componentes, conseguindo assim o funcionamento de frequências mais elevadas. O aumento da velocidade pode ser conseguido através da minimização do número médio de ciclos do relógio por instrução e/ou execução de várias instruções, simultaneamente. Para realizar ambos os objetivos, os designers originais do RISC focaram no aspecto da criação de um circuito integrado combinando-se milhões

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de transistores em um único chip, este circuito chama-se Very Large Scale Integration – VLSI. Como um resultado de menos instruções, modos de endereçamento e formatos de instrução, obteve-se um pequeno e simples circuito para a unidade de controle. Esta redução relativa do tamanho e da complexidade provocada por chips VLSI produz alguns resultados desejáveis para CISC, que são discutidos a seguir.

A principal finalidade da tecnologia VLSI é realizar o processamento em um só chip, permitindo reduzir de forma significativa o maior atraso de transmissão de um sinal a partir de um chip para outro. Arquiteturas com maior complexidade (maior conjunto de instruções, mais modos de endereçamento, formatos de instrução variáveis, e assim por diante) precisam ter um meio complexo de buscar, decodificar e executar a lógica. Se o processador está microprogramado, esta lógica é colocada em microprogramas complexos, resultando em um maior armazenamento de microcódigo. Como resultado, se um CISC é desenvolvido utilizando a tecnologia VLSI, uma parte substancial da área pode ser consumida na realização do armazenamento de microcódigo. A quantidade de área que determinada unidade de controle de uma arquitetura CISC pode variar é de 40% a 60%, enquanto que apenas cerca de 10% da área do chip é consumida no caso de uma arquitetura RISC. Esta área restante numa arquitetura RISC pode ser utilizada para outros componentes, tais como caches e arquivos de registro maiores pelos quais o desempenho do processador pode ser melhorado. Com a tecnologia VLSI isso é melhorado, o RISC é sempre um passo à frente em relação à CISC. Por exemplo, se um CISC é realizado em um único chip, então RISC pode ter algo a mais (ou seja, mais registros, cache etc.), e quando CISC tem bastante registros e cache no chip, RISC irá ter mais do que uma unidade de processamento, e assim por diante.

Diversas vantagens estão envolvidas quando se discute RISC como velocidade de computação, confiabilidade e suporte à linguagem de alto nível. Quanto à velocidade de computação, o projeto RISC é adequado à abordagem

pipelining. Um pipelining permite várias instruções serem processadas ao mesmo

tempo. O processo de uma instrução é dividido em uma série de fases, tal como busca de instrução, decodificação de instrução, busca de operação e execução. Enquanto uma instrução está na fase de esforço, outra instrução está em fase de descodificação, e assim por diante.

VLSI relaciona-se com o fato de a unidade de controle RISC ser implementada no hardware.

Por causa do progresso na tecnologia VLSI, muitos microprocessadores comerciais têm o seu próprio cache no chip. Esse cache é tipicamente menor do que o cache onboard, e serve como o primeiro nível de caches. O cache onboard, que fica ao lado do chip do processador, serve como o segundo nível de caches. Geralmente, estes dois níveis de caches melhoram o desempenho quando comparados com um nível de cache. Além disso, o cache em cada nível pode realmente ser organizado como uma hierarquia de caches. Por exemplo, o processador Intel P6 contém dois