1 2 – Revisão de Hardware 2.1 – Hardware O hardware é

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2 – Revisão de Hardware
2.1 – Hardware
O hardware é a parte física do computador, como o processador, memória, placamãe, entre outras.
Figura 2.1 – Sistema Computacional – Hardware
2.1.1 – Processador
O Processador ou CPU (Central Unit Processor – Unidade Central de
Processamento) é o principal responsável pelo funcionamento do computador. A
função do processador é executar os programas que estão na memória principal.
Figura 2.2 – Processador
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O processador é constituído por unidade de controle, unidade lógica e
aritmética e registradores. A unidade de controle (UC) é a responsável por todas
as atividades do computador, é ela quem faz o gerenciamento dos dispositivos. A
unidade lógica e aritmética (ULA) é a responsável pelas operações lógicas, como
fazer as comparações, verdadeiro ou falso, etc. e por fazer as operações
matemáticas.
Os registradores têm a função de armazenar dados temporariamente,
funciona como uma memória interna do processador, de alta velocidade, mas com
baixa capacidade de armazenamento. O número de registradores varia de acordo
com cada processador. Alguns registradores podem ser manipulados diretamente,
enquanto alguns têm como função armazenar informações relativas ao sistema
operacional, entre eles:
-
Contador de Instruções (CI) ou Program Counter (PC) – esse registrador tem
como função básica armazenar o endereço da próxima instrução a ser
executada pelo processador. Quando essa instrução for executada, esse
registrador é atualizado com o endereço da nova instrução.
-
Apontador de Pilha (AP) ou Stack Pointer (SP) – armazena o endereço de
memória do topo da pilha onde o sistema mantém informações sobre os
programas que estavam em execução e foram interrompidos
-
Registrador de status ou Program Status Word(PSW) – armazena informações
sobre o status da execução das instruções para possíveis detecções de
problemas.
2.1.1.1 – Pipeline
Pipeline é uma técnica que consiste em dividir o processador em vários
estágios, sendo cada estágio responsável por apenas uma parte da instrução a
ser executada como a busca de um dado na memória principal ou a cálculo de
uma operação de soma.
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Assim, era possível ter vários processos dividindo o processador, sendo
que cada processo estaria em um estágio diferente dentro do pipeline, gerando
um ganho de desempenho considerável.
Complementando, pipelining é uma técnica que permite ao processador
executar múltiplas tarefas paralelamente em estágios diferentes, também
chamados de paralelização de processos. Neste conceito, uma tarefa é divida em
várias subtarefas e são executadas pelo processador sequencialmente. É uma
técnica muito utilizada para aumentar o desempenho de sistemas computacionais.
Figura 2.3 - Pipeline
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2.1.2 – Memória Principal
A memória principal, também conhecida como memória primária ou
memória RAM, é onde ficam armazenados os programas para serem executados.
Nenhum programa pode ser executado sem que esteja na memória principal.
Figura 2.4 – Memória Principal ou Memória RAM
A memória é composta por módulos de acesso que são chamados de
células, sendo cada célula composta por um determinado número de bits ou bytes.
O acesso a cada célula da memória é feito através de um endereço, que é
representado em hexadecimal e cada endereço de memória é único.
Para especificar o endereço de memória utiliza-se um registrador chamado
Registrador de Endereço de Memória (Memory Access Register - MAR). Outro
registrador usado em operações com a memória e o Registrador de Dados da
Memória (Memory Buffer Register – MBR), que é usado pra guardar o conteúdo
de uma célula.
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O número de células endereçadas da memória principal é limitado pelo
tamanho do Registrador de Endereço de Memória. Se a memória possuir n bits, a
memória poderá endereçar 2n células, começando no endereço 0 até o
endereço (2n – 1).
A memória pode ser classificada de acordo com a sua volatilidade, sendo
as do tipo RAM (Random Access Memory) voláteis, e as do tipo ROM (Read Only
Memory) e EPROM (Erasable Programmable ROM) não voláteis.
Abaixo uma demonstração passo a passo de como seriam as operações de
leitura e gravação na memória principal.
Operação de Leitura
Operação de Gravação
1 – O processador solicita no registrador 1
–
O
processador
armazena
no
de endereço de memória o endereço da registrador de endereço de memória o
célula a ser lida
endereço da célula a ser gravada
2 – Então, o processador manda um 2
–
O
processador
armazena
no
sinal para a memória solicitando a registrador de dados o que será gravado
leitura de uma célula.
na célula anteriormente endereçada
3 – O conteúdo da célula é então lido e 3 – Então, o processador manda um
transferido para o Registrador de Dados sinal
da Memória
para
a
memória
principal
solicitando uma operação de gravação
4 – O conteúdo do registrador é então 4 – Os dados contidos no registrador de
transferido para um registrador interno dados da memória são transferidos para
do processador
a memória principal
2.2.3 – Memória Cache
A memória cache é volátil e de alta velocidade, porém com capacidade de
armazenamento bastante reduzido se comparado com a memória principal, devido
aos altos custos de produção deste tipo de memória. O tempo de acesso aos
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dados na memória cache é menor se comparado à memória principal. A idéia de
utilizar a memória cache é para diminuir a diferença de tempo entre a velocidade
do processador e a velocidade da memória.
Figura 2.5 – Memória cache
A memória cache armazena uma pequena parte do que esta na memória
principal. Quando o processador necessita de algum dado, antes de verificar se
este está na memória principal ele verifica antes na memória cache e caso
encontre, não há a necessidade de verificar a memória principal, o que torna o
processo mais rápido, esse processo é chamado de cache hit. Caso o dado não
esteja na cache, o processador então verificar a memória e já transfere uma parte
desse bloco para a memória cache, esse processo é conhecido como cache
miss.
2.2.4 – Memória Secundária
A memória secundária é uma memória não-volátil e é usada para
armazenamento permanente de dados e programas. A velocidade de acesso a
memória secundária é lenta se comparada à memória RAM, mas a capacidade de
armazenamento é infinitamente maior. Exemplos de memória secundária são o
HD, fitas magnéticas, flash drives, etc.
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Figura 2.6 – Exemplos de dispositivos de memória secundária
O desempenho entre os tipos de memórias apresentados é inversamente
proporcional à capacidade de armazenamento da mesma, ou seja, quanto mais
rápida for a memória, menor será o a capacidade de armazenamento e vice-versa.
Abaixo um esquema que mostra essa relação.
Figura 2.7 – Relação Memória – Velocidade de Acesso x Capacidade de Armazenamento
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2.2.5 – Dispositivos de Entrada/Saída
Os dispositivos de entrada/saída são divididos em duas categorias: os que
fazem as operações de leitura/gravação de dados, como a memória secundária e
os que fazem a interface homem-máquina, como o monitor de vídeo, teclado,
mouse e etc.
Figura 2.8 – Dispositivos de Entrada/Saída
2.2.6 – Barramento
O barramento ou bus é o meio físico de comunicação entre os
componentes do computador. Um barramento possui linhas de controle e linhas
de dados. Nas linhas de controle trafegam informações de sinalização, como o
tipo de operação que esta sendo realizada, como um pedido de leitura da
memória, por exemplo. Nas linhas de dados, trafegam informações como
instruções, endereço, etc.
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Os barramentos são classificados em três tipos: barramentos processadormemória, barramentos de entrada/saída e barramentos de backplane. Os
barramentos processador-memória, como o Hyper Transport da AMD e o Front
Side Bus da Intel, são pequenos e de alta velocidade, em virtude do trafego de
informações entre o processador e a memória. Os barramentos de Entrada/Saída
são maiores e mais lentos que os barramentos processador-memória, mas
permitem a conexão com diversos dispositivos. Os barramentos de entrada e
saída estão conectados diretamente ao barramento processador-memória.
Os barramentos de backplane são utilizados em sistemas de alto
desempenho, onde, os barramentos de entrada/saída não se comunicam
diretamente com o barramento processador memória, quem faz essa ligação é o
barramento de backplane. Isso faz com que haja menos adaptadores no
barramento processador-memória.
Figura 2.9 - Barramento
2.2.7 – Arquitetura RISC e CISC
A linguagem de máquina é a única que o processador realmente entende e
consegue executar. Um programa escrito em linguagem de máquina pode ser
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diretamente executado pelo processador. Cada processador tem uma arquitetura
específica, mas um programa escrito em linguagem de máquina para um
determinado processador pode ser executado somente naquele processador.
Em uma arquitetura RISC (Reduced Instruction Set Computer) o
processador possui poucas instruções e essas instruções são executadas
diretamente pelo hardware, enquanto que em uma arquitetura CISC (Complex
Instruction Set Computer) o processador possui muitas instruções no seu núcleo e
essas instruções são executadas por microprogramas que são executadas pelo
hardware.
Figura 2.10 - Processador que usa arquitetura CISC
Figura 2.11 - Processador que usa arquitetura RISC