Fundamentos E Arquitetura De Computadores, Notas de estudo de Informática

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FUNDAMENTOS E

ARQUITETURA DE

COMPUTADORES

Professor Me. Aparecido Vilela Junior

GRADUAÇÃO

ANÁLISE DE SISTEMAS

MARINGÁ-PR

ISBN 978-85-8084-351-

Reitor: Wilson de Matos Silva Vice-Reitor: Wilson de Matos Silva Filho Pró-Reitor de Administração: Wilson de Matos Silva Filho Presidente da Mantenedora: Cláudio Ferdinandi NEAD - Núcleo de Educação a Distância Diretoria do NEAD: Willian Victor Kendrick de Matos Silva Coordenação Pedagógica: Gislene Miotto Catolino Raymundo Coordenação de Marketing: Bruno Jorge Coordenação Comercial : Helder Machado Coordenação de Tecnologia: Fabrício Ricardo Lazilha Coordenação de Curso: Danillo Xavier Saes Supervisora do Núcleo de Produção de Materiais: Nalva Aparecida da Rosa Moura Capa e Editoração: Daniel Fuverki Hey, Fernando Henrique Mendes, Luiz Fernando Rokubuiti e Renata Sguissardi Supervisão de Materiais: Nádila de Almeida Toledo Revisão Textual e Normas: Cristiane de Oliveira Alves, Gabriela Fonseca Tofanelo, Janaína Bicudo Kikuchi, Jaquelina Kutsunugi e Maria Fernanda Canova Vasconcelos. Ficha catalográfica elaborada pela Biblioteca Central - CESUMAR CENTRO UNIVERSITÁRIO DE MARINGÁ. Núcleo de Educação a distância: C397 Fundamentos e arquitetura de computadores / Aparecido Vilela Junior. Maringá - PR, 2012. 153 p. “Graduação em Análise de Sistemas - EaD”.

1. Computador. 2. Circuitos lógicos. 3.Software. 4.EaD. I. Título. ISBN 978-85-8084-351-4 CDD - 22 ed. 004. CIP - NBR 12899 - AACR/ “As imagens utilizadas neste livro foram obtidas a partir dos sites PHOTOS.COM e SHUTTERSTOCK.COM ”. Av. Guedner, 1610 - Jd. Aclimação - (44) 3027-6360 - CEP 87050-390 - Maringá - Paraná - www.cesumar.br NEAD - Núcleo de Educação a Distância - bl. 4 sl. 1 e 2 - (44) 3027-6363 - ead@cesumar.br - www.ead.cesumar.br

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APRESENTAÇÃO DO REITOR

Viver e trabalhar em uma sociedade global é um grande desafio para todos os cidadãos. A busca por tecnologia, informação, conhecimento de qualidade, novas habilidades para liderança e solução de problemas com eficiência tornou-se uma questão de sobrevivência no mundo do trabalho. Cada um de nós tem uma grande responsabilidade: as escolhas que fizermos por nós e pelos nossos fará grande diferença no futuro. Com essa visão, o Cesumar – Centro Universitário de Maringá – assume o compromisso de democratizar o conhecimento por meio de alta tecnologia e contribuir para o futuro dos brasileiros. No cumprimento de sua missão – “promover a educação de qualidade nas diferentes áreas do conhecimento, formando profissionais cidadãos que contribuam para o desenvolvimento de uma sociedade justa e solidária” –, o Cesumar busca a integração do ensino-pesquisa- extensão com as demandas institucionais e sociais; a realização de uma prática acadêmica que contribua para o desenvolvimento da consciência social e política e, por fim, a democratização do conhecimento acadêmico com a articulação e a integração com a sociedade. Diante disso, o Cesumar almeja ser reconhecido como uma instituição universitária de referência regional e nacional pela qualidade e compromisso do corpo docente; aquisição de competências institucionais para o desenvolvimento de linhas de pesquisa; consolidação da extensão universitária; qualidade da oferta dos ensinos presencial e a distância; bem- estar e satisfação da comunidade interna; qualidade da gestão acadêmica e administrativa; compromisso social de inclusão; processos de cooperação e parceria com o mundo do trabalho, como também pelo compromisso e relacionamento permanente com os egressos, incentivando a educação continuada. Professor Wilson de Matos Silva Reitor

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APRESENTAÇÃO

Livro: FUNDAMENTOS E ARQUITETURA DE COMPUTADORES Professor Me. Aparecido Vilela Junior Olá, amigo(a) aluno(a). Este é o livro de Fundamentos e Arquitetura de Computadores, que foi desenvolvido especialmente para você de forma a instruí-lo sobre o universo da Tecnologia de Informática em relação a sua arquitetura. Meu nome é Aparecido Vilela Junior e fui o autor deste livro. Vou contar um pouco do meu DNA profissional a você! Cursei a Universidade Estadual de Maringá (UEM), tendo me graduado no ano de 1991, ano em que iniciei a minha carreira profissional na área de TI, chegando até o cargo de Coordenador de Gestão e Sócio de uma empresa de Desenvolvimento. Cursei três Pós-Graduações até que em 2007 finalizei o Mestrado em Ciências da Computação, também na Universidade Estadual de Maringá. Docente a mais de 18 anos e no CESUMAR desde 2010, onde atuo nos cursos presenciais tendo como uma das matérias Fundamentos e Arquitetura de Computadores. Como não estamos estudando a minha vida pessoal, vamos passar ao Livro. Nosso livro está dividido em CINCO UNIDADES e antes de entrarmos nas unidades em si, quero exemplificar a importância que a Fundamentação e Arquitetura de Computadores tem em relação a TI, afinal este livro tem o objetivo de fornecer as bases necessárias para que você possa entender as matérias que serão estudadas e que servirão de alicerce para o exercício de sua futura profissão. Olhando ao nosso redor, certamente notaremos a presença de diversos equipamentos eletrônicos, porém não teremos a visão mais aprofundada dos componentes/recursos e como ela utiliza-os. Devido a todo avanço tecnológico, hoje é impossível imaginar as nossas vidas sem esses recursos que fazem parte do nosso cotidiano. Até a confecção e leitura deste livro faz parte desse avanço, onde utilizamos para isso softwares específicos capazes de permitir que isso se realize.

8 FUNDAMENTOS E ARQUITETURA DE COMPUTADORES |Educação a Distância O primeiro questionamento que fazemos quando nos vemos diante de tanta tecnologia é qual computador/periférico/software adquirir? E essa pergunta também ecoa no ambiente empresarial, qual máquina devo utilizar? As respostas a essas perguntas estão neste livro. Existe uma grande lacuna entre o que é conveniente para as pessoas e o que conveniente para computadores. As pessoas querem fazer X, mas os computadores só podem fazer Y, o que dá origem ao problema. O objetivo deste livro é explicar como esse problema pode ser resolvido. A Unidade I do livro abordará a História do Computador, as características pertencentes a cada uma dentro da sua Evolução. Na Unidade II, iremos tratar do que o computador entende, ou seja, números. Abordaremos as formas de representação que o computador trabalha, os bits, bytes e hexadecimais. Será também abordada a configuração e construção de circuitos lógicos. Na Unidade III, a abordagem será sobre as Interfaces que o computador possui (Paralela/ Serial e USB), as formas de Entrada e Saída dos dados e também citar alguns dispositivos de Armazenamento Secundário. Na Unidade IV, iremos abordar o computador internamente, ou seja, a CPU, os processadores, memórias e demais componentes que auxiliam a essa máquina fantástica. A unidade V tratará dos softwares responsáveis pelo funcionamento do computador: os Sistemas Operacionais. Também será abordado nesta unidade os tipos de software e aplicações. Agora que foram apresentadas as unidades que serão estudadas, reafirmo que conhecer o Fundamento e a Arquitetura dos Computadores é essencial para as tomadas de decisão na vida pessoal e principalmente profissional. Este é o objetivo deste livro! Vamos as nossas unidades!

UNIDADE III

UNIDADE IV

UNIDADE V

• GERAÇÕES DE COMPUTADORES HISTÓRIA DO COMPUTADOR
• HISTÓRIA DOS COMPUTADORES
• TIPOS DE COMPUTADORES
• DE ELÉTRONS A BITS REPRESENTAÇÃO DE DADOS E CIRCUITOS LÓGICOS
• BIT
• BYTE
• NOTAÇÃO POSICIONAL – BASE DECIMAL
• CONVERSÃO DE DECIMAL PARA BINÁRIO
• CONVERSÃO HEXADECIMAL PARA BINÁRIO
• CONVERSÃO BINÁRIO PARA HEXADECIMAL
• CIRCUITOS LÓGICOS
• TABELA-VERDADE
• OPERAÇÃO OR (‘OU’) COM PORTA OR
• PORTA OR
• OPERAÇÃO AND (‘E’) COM PORTA AND
• PORTA AND
• OPERAÇÃO NOT (‘NÃO’) OU INVERSÃO
• COMPONENTES DE UM COMPUTADOR – ENTRADA E SAÍDA COMPONENTES DE UM COMPUTADOR
• BARRAMENTO
• INTERRUPÇÕES
• POLLING
• INTERFACES
• DISPOSITIVOS DE E/S
• EQUIPAMENTOS DE TELECOMUNICAÇÕES
• ARMAZENAMENTO SECUNDÁRIO
• ORGANIZAÇÃO DO PROCESSADOR POR DENTRO DO COMPUTADOR
• POR DENTRO DO COMPUTADOR
• COMPONENTES DA MEMÓRIA
• ROM
• PROCESSADORES RISC
• PROCESSADORES CISC
• PROCESSADORES COM DOIS OU MAIS NÚCLEOS
• SOFTWARE – SISTEMAS OPERACIONAIS E APLICATIVOS SOFTWARE – SISTEMAS OPERACIONAIS E APLICATIVOS
• MS-DOS
• SOFTWARES APLICATIVOS
• CLASSIFICAÇÃO DOS SOFTWARES APLICATIVOS
• SOFTWARE DE DOMÍNIO PÚBLICO
• CATEGORIAS DE SOFTWARES
• MONTAGEM E COMPILAÇÃO
• CONCLUSÃO
• REFERÊNCIAS

UNIDADE I HISTÓRIA DO COMPUTADOR

Professor Me. Aparecido Vilela Junior

Objetivos de Aprendizagem

• Apresentar conceitos dos Computadores e componentes.
• Diferenciar os computadores.
• Descrever o Histórico das Gerações de Computadores.

Plano de Estudo

A seguir, apresentam-se os tópicos que você estudará nesta unidade:

**- Gerações de Computadores

• A história dos Computadores
• Tipos de Computadores**

16 FUNDAMENTOS E ARQUITETURA DE COMPUTADORES |Educação a Distância Os projetistas buscam fazer com que as instruções primitivas sejam o mais simples possível, coerentes com os requisitos de utilização e desempenho idealizados pelo computador, de modo a reduzir a complexidade e o custo da eletrônica necessária.

GERAÇÕES DE COMPUTADORES

Os computadores inicialmente eram poderosas máquinas (até no tamanho), utilizadas como máquinas de calcular. Durante a evolução do computador digital moderno, foram projetadas e construídas centenas de diferentes tipos de computadores. Os computadores em sua grande parte já foram esquecidos há muito tempo, mas alguns causaram um impacto significativo sobre ideias modernas. É sobre essa evolução que trataremos abaixo. Geração Zero – Computadores Mecânicos (1642-1945) A primeira pessoa a construir uma máquina de calcular operacional foi o cientista Blaise Pascal, em honra de quem a linguagem Pascal foi batizada. Projetado para ajudar seu pai (coletor de impostos do governo francês), era inteiramente mecânico, usava engrenagens e funcionava com uma manivela operada à mão, podendo efetuar apenas operações de adição e subtração. Durante 150 anos nada de muito importante aconteceu, até que um professor de matemática da Universidade Cambridge, Charles Babbage (inventou também o velocímetro), projetou e construiu a máquina diferencial. Projetada para calcular tabelas de números úteis para a navegação naval, a característica mais interessante da máquina diferencial era seu método de saída: ela perfurava seus resultados sobre uma chapa de gravação de cobre com uma punção de aço, prenunciando futuros meios de escrita única como cartões perfurados e CD-ROMS. Mais tarde também criou a máquina analítica , que possui quatro componentes: a armazenagem

FUNDAMENTOS E ARQUITETURA DE COMPUTADORES | Educação a Distância^17 (memória), o moinho (unidade de cálculo) a seção de entrada (leitora de cartões perfurados) e a seção de saída (saída perfurada e impressa). Tendo como seus grandes avanços a leitura de cartões perfurados e a execução das instruções ali contidas. Figura: Máquina diferencial de Babage Fonte: http://www.biografiasyvidas.com/biografia/b/fotos/babbage_2.jpg A era da eletrônica inicia a partir de Howard Aiken em 1944, que descobriu o trabalho de Babbage e decidiu construir com relés o computador de uso geral, a Mark I. A entrada e saída utilizavam fita de papel perfurada. Quando Aiken conclui o sucessor dessa máquina, a Mark II, os computadores de relés já estavam obsoletos. A era eletrônica tinha começado. A Primeira Geração – Válvulas (1945-1955) O estímulo para o computador eletrônico foi a Segunda Guerra Mundial. Durante a fase inicial da guerra, as instruções de comando eram enviadas aos submarinos alemães por rádio, que eram interceptadas, mas não decifradas, pois as mensagens eram codificadas utilizando um dispositivo denominado ENIGMA. Para decifrar uma mensagem dessas era preciso uma quantidade enorme de cálculos.

FUNDAMENTOS E ARQUITETURA DE COMPUTADORES | Educação a Distância^19 John Von Newmann, matemático húngaro naturalizado norte-americano, propôs, nos anos 40 do século XX, um padrão de arquitetura de computadores que ainda hoje é seguido, sendo hoje em dia altamente pesquisada uma alternativa a esse padrão. Ainda não se tem de fato uma ideia que seja melhor que a desse cientista. A máquina proposta por Von Neumann conta com os seguintes componentes: uma Memória, uma Unidade Aritmética e Lógica (ULA), uma Unidade Central de Processamento (UCP), composta por diversos Registradores, e uma Unidade de Controle (UC), cuja função é a mesma da tabela de controle da máquina de Turing Universal: buscar um programa na memória, instrução por instrução, e executá-lo sobre os dados. Fonte:http://t0.gstatic.com/images?q=tbn:ANd9GcT5JVTYfTZfu8w66jU6qjduy2BBVqghTky0OyOoQWF6Eyw0qjXkfA A memória armazena dados e instruções de programas. A CPU é encarregada de buscar as instruções e dados da memória, executar as instruções e então armazenar os valores resultantes de volta na memória. Os dispositivos de entrada (tais como teclado, mouse e microfone) e dispositivos de saída (tais como a tela, alto-falantes e impressora) possibilitam a interação com o usuário, permitindo que as pessoas forneçam entradas e exibindo dados, instruções e os resultados das computações. Enquanto tudo isso estava acontecendo, a IBM era uma pequena empresa dedicada ao negócio

20 FUNDAMENTOS E ARQUITETURA DE COMPUTADORES |Educação a Distância de produzir perfuradoras de cartões e máquinas mecânicas de classificação de cartões. Em 1958, a IBM iniciou a produção de sua última máquina de válvulas. A Segunda Geração – Transistores (1955-1965) O transistor foi inventado no Bell Labs em 1948, por John Bardeen, Walter Brattain e William Shockley, pelo qual receberam o Prêmio Nobel de Física em 1956. Em 10 anos o transistor revolucionou os computadores e, ao final da década de 50, os computadores de válvulas estavam obsoletos. O nome transistor foi derivado de sua “função”, que era ser um resistor de transferência, que em inglês, é escrito como transfer resistor. O transistor foi descoberto durante alguns estudos de superfícies em torno de um diodo de ponto de contato. O mais incrível nessa descoberta é o fato de que esta (a descoberta) foi acidental, uma vez que os laboratórios estavam procurando um dispositivo de estado sólido equivalentes à válvula eletrônica. Os transistores eram muito menores do que as válvulas a vácuo e tinham numerosas outras vantagens: não exigiam tempo de pré-aquecimento, consumiam menos energia, geravam muito menos calor e eram mais rápidos e confiáveis. Outro desenvolvimento importante que surgiu nessa geração foi a mudança da linguagem de máquina para as linguagens assembly , também chamadas de linguagens simbólicas. Depois do desenvolvimento das linguagens simbólicas, vieram as linguagens de alto nível como, por exemplo, FORTRAN (1954) e COBOL (1959). Os computadores eram usados principalmente por negócios, universidades e organizações governamentais. Não havia chegado ao público em geral. A parte real da evolução estava prestes a iniciar.