Arquitetura de Computadores

Arquitetura de Computadores

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Evolução do computador. Ábaco

A primeira calculadora que se tem notícias é o ábaco, de origem chinesa, do século V a.C. (antes de Cristo) capaz de efetuar operações algébricas elementares.

Calculadoras mecânicas

Anteriormente à década de 40 já existiam calculadoras mecânicas, dentre elas, podese destacar: a calculadora de Charles Babbage

Primeira geração - ENIAC

Foi na década de 40 que surgiram as primeiras válvulas eletrônicas, o exército americano necessitava de um equipamento para efetuar cálculos de balística, foi quando se iniciaram os estudos neste sentido.

Cada válvula era capaz de representar um bit de informação (somente aceita dois estados, ligada ou desligada). Os bytes eram compostos por oito válvulas.

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Como não se tinha muita confiança nos resultados, devido à constante queima de válvulas, cada cálculo era efetuado por três circuitos diferentes e os resultados comparados, se dois deles coincidissem, aquele era considerado o resultado certo.

Portanto, por exemplo, para 2 KB de memória seriam necessárias 16.384 válvulas e para três circuitos 16.384 x 3 = 49.152 válvulas. Os computadores eram verdadeiros monstros eletrônicos que ocupavam muito espaço e consumiam muita energia.

O ENIAC (Eletronic Numerical Integrator and Computer), construído em 1948 tinha 19.0 válvulas e consumia cerca de 200 quilowatts, um absurdo para a época.

Comemora-se na Universidade da Pensylvania os cinqüenta anos do

ENIAC, e para tal foi montado o ENIAC num chip, com as mesmas funções do original.

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CHIP ENIAC desenvolvido para as comemorações dos 50 anos do ENIAC

tamanho: 7.4m x 5.29mm;
174.569 transistores;

Segunda Geração

Foi em 1947 que surgiu o primeiro transistor, produzido pela Bell Telephone Laboratories. Esta descoberta revolucionou a eletrônica, os circuitos passaram a consumir muitíssimo menos energia , a ocupar menos espaço, isto a um custo bem satisfatório. Os transistores eram e são muito mais confiáveis que as válvulas. São feitos de cristal de silício, o elemento mais abundante na Terra.

Em 1954 a Texas Instruments iniciou a produção comercial de transistores.

Da mesma forma os transistores, nos circuitos digitais foram utilizados para representar os dois estados: ligado/desligado, ou seja, zero/um.

Nos anos 60 e 70 devido ao emprego do transistor nos circuitos, se deu a explosão, o boom do uso de computadores. Ocupavam menos espaço e tinham um custo satisfatório.

Em 1968 chegou o primeiro computador da UNICAMP, um IBM 1130, com 16KB de memória e um disco de 1 MB, foi um acontecimento, ele trabalhava com cartões perfurados. Rodava programas em ASSEMBLER, Fortran, e PL1.

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Para dar partida, se utilizava da console e cartões perfurados especialmente codificados, denominados “ cold start ”, funções executadas hoje pela ROM e o BIOS.

Terceira geração

Nos anos 60, iniciou-se o encapsulamento de mais de um transistor num mesmo receptáculo, surgiu assim o Circuito Integrado - CI, os primeiros contavam com cerca de 8 a 10 transistores por capsula ( chip ).

Quarta geração

Em novembro de 1971, a Intel introduziu o primeiro microprocessador comercial, o 4004, inventado por três engenheiros de Intel. Primitivo aos padrões de hoje, ele continha somente 2.300 transistores e executava cerca de 60.0 cálculos por segundo. Nos dias de hoje, vinte e sete anos depois, um microprocessador é o produto mais complexo produzido em massa, com mais de 5.5 milhões de transistores, executando centenas de milhões de cálculos por segundo.

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Operando a 4.7 MHz, evoluíram para 8 MHz, 10 MHz e até 12 MHz. Os slots conhecidos como slots ISA (Industry Standard Architeture). Os microcomputadores da linha PC XT produzidos a partir de 1981durante os anos oitenta. Tinham suas Placas Mãe baseadas em diversos microprocessadores, 8088 da Intel, os NEC V20 e os 8086 Intel. Tais placas, inicialmente eram para 8 bits e as placas operavam a 8 MHz.

Os PC XTs evoluíram um pouco e surgiram os PC AT 286, um pouco mais robustos, já possuíam uma bateria que mantinha num chip, uma pequena RAM, as informações do hardware do computador e os dados do relógio calendário, mesmo quando este estivesse desligado, o CMOS. As Placas Mãe para 286 já operavam com slots duplos, para placas ISA 16 bits, porém ainda operando a 8 MHz .

PC 386

A novidade, em 1990, nos PCs 386 DX era possuírem bancos de memória de 32 bits e chips VLSI ( Very Large Scale Integration ). Usavam memórias em módulos do tipo SIPP ( Single In-Line Package ) que foram rapidamente substituídas. As placas lançadas em 1992, já utilizavam módulos SIMM, (Single Inline Memory Modules) - módulo de memória RAM com fileira única de contatos alinhados - módulo de expansão de memória (1 Mb, 4 Mb, 8 Mb, etc.); pequena placa na qual são montados os chips de memória. Os módulos de 30 pinos ou vias trabalham simultaneamente com até 8 bits.

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Com os 386 atingindo velocidades de 20 MHz, as memórias já se tornavam lentas e para compensar esta deficiência, as placas começaram a ser produzidas com o recurso de memória cache externa, equipadas com até 32kB.

PC 486

As primeiras placas dos 486, já nos anos 93 e 94, dispunham de barramento VLS (VESA Local Bus ), que operavam com 32 bits, podendo transferis até 132 MB/s, bem superior aos 8 MB/s do barramento ISA. ( VESA - Vídeo Eletronics Standards Association).As placas fabricadas até 1993 que utilizavam módulos, de 8 bits e 30 pinos, necessitavam de grupos de quatro para perfazer os 32 bits requeridos pelas CPUs 486.Outras placas já utilizavam blocos de 72 pinos.

Pentium

As placas para CPUs Pentium apresentam barramento de 64 bits e utilizam módulos de memória de 32 bits, esses módulos são utilizados dois a dois para formarem os 64 bits requeridos. Por razões técnicas, a grande dissipação do chip das CPUs, as mesmas tem contar com um microventilador acoplado para resfriálas. Como implementações, essas placas dispõem de soquete do tipo ZIF ( Zero Insertion Force ) para o chip da CPU, barramento do tipo PCI (Periferal Component Intercinnect ) operando com 32 bits, memória cache SRAM até 512 kB em módulos do tipo COAST.

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COAST (Cache on a Stick), semelhantes aos módulos de memória RAM tipo SIMM.

Outras implementações são as placas de interface incorporadas nas Placas Mãe.

São elas: duas interfaces IDE, uma interface para drives, duas interfaces seriais e uma interface paralela. Certos fabricantes ainda fornecem placas com interfaces de som e SVGA incorporadas.

Socket 7

O Socket 7 é o mais popular dentre os soquetes atuais, contém 321 pinos, opera com voltagens 2.5v e 3.3v. Aceita chips de processadores Pentium desde 75 MHz até 200 MHz K5, K6, 6x86, 6x86MX, and Pentium MMX. As placas Socket 7 geralmente incorporam reguladores de voltagem para possibilitar demandas abaixo de 3.3V.

Slot 1

A Intel mudou totalmente o contexto ao lançar o uso do soquete Slot1, e alojando os processadores da linha Pentium I em placas. A vantagem foi poder colocar na mesma placa, contíguo ao chip da CPU, os módulos de memória cache.

Isto veio a possibilitar transferências de dados a altas velocidades entre a cache e a CPU. O Slot1 tem 242 pinos e opera com voltagens entre 2.8 e 3.3v.

Diferenças entre microprocessadores da linha Pentium

A primeira questão, e muito importante é a velocidade, ou seja a freqüência do clock interno. De certa forma, entre chips de uma mesma linha, quanto maior o clock melhor, porém outros fatores influem na velocidade do sistema como um todo. Podemos citar, o chip set, o tamanho da memória cache e quanto de memória RAM.

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Quinta geração

Pentium P55C ou MMX

A evolução das aplicações de multimídia, envolvendo gráficos, imagens e sons tornou uma necessidade a implementação de instruções que facilitassem sua execução. Assim, a Intel adicionou ao Pentium, 57 novas instruções voltadas para este tipo de processamento, são as chamadas instruções MMX, ou seja Multimedia Extentions. São instruções que englobam várias instruções comuns, e são executadas por hardware, facilitando os produtores de software na criação de seus programas já se valendo destas novas instruções. Tais instruções propiciam um bom ganho em velocidade de processamento. O P55C apresenta uma cache interna de 32 kB, o dobro das dos Pentiums P54C. Isto pode se traduzir por uma melhoria de performance da ordem de 10% nos processamentos ditos normais, não envolvendo as funções MMX.

Pentium I

Engloba o poder de processamento de 32 bits do Pentium PRO, uma melhor performance nos programas de 16 bits e as facilidades do Pentium MMX, operando com clock interno de 266 MHz e até 300 MHz.

Seu encapsulamento com uma cache externa ou cache 2, que contígua ao processador, facilita o gerenciamento da memória e melhora seu desempenho.

Pentium I Celeron

Semelhante ao Pentium I, uma opção mais barata, também operando com um clock externo de 6 MHz e um clock interno de 300 MHz, porém sem a cache 2 e as vantagens advindas da mesma.

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Clock e desempenho

O CLOCK é o número de ciclos digitais executados a cada segundo. Um ciclo por segundo é denominado Hertz (Hz). Por exemplo, a energia elétrica da CPFL oscila a 60 HZ, ou seja, a 60 ciclos por segundo. Os clocks dos microcomputadores oscilam em milhões de Hertz, mega Hertz ou MHz. Num Pentium, por exemplo, são cerca de 300MHz, 300 milhões de ciclos por segundo, 300 milhões de instruções de um ciclo. Novas tecnologias estão possibilitando a execução de mais de uma instrução por ciclo. Assim sendo, o desempenho de um microcomputador está bastante relacionado à velocidade do seu clock, mas outras variáveis são relevantes, como: tamanho da memória, tamanho do Cache, barramentos utilizados, e o clock externo. O clock acima descrito, denominado clock interno define a velocidade com que as instruções são executadas pela CPU, ao passo que o clock externo é a velocidade com que os dados trafegam entre a CPU e as memórias e dispositivos externos. O clock externo da maioria dos micros é de 6 MHz, bastante baixa em relação ao clock interno. O circuito gerador de clock opera a 6 MHz, a freqüência do clock externo. E para suprir o clock interno se utiliza multiplicadores para compatibilizar as freqüências.

6 MHz200 MHz3x
6 MHz26 MHz4x
100 MHz300 MHz3x

Clock externoClock internoMultiplicador 6 MHz16 MHz2.5 x 6 MHz233 MHz3.5 x 6 MHz300 MHz4.5 x

A maiorias das placas dispõe de conjuntos chaves especiais para a configuração deste fator de multiplicação.

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Voltagem

A preocupação com a voltagem somente diz respeito aos que pretendem fazer um UPGRADE em seus equipamentos, As tensões variam entre 2.1 volts e 3.5 volts. Antes de comprar uma nova CPU, é bom que se dê uma olhada no manual da sua placa de CPU para verificar compatibilidades e configurações.

Assim como o fator de multiplicação dos clocks, a voltagem pode ser configurada por meio de chaves.

Cache primária ou cache nível 1

Com a evolução da velocidade dos microprocessadores em relação à das memórias externas, já no tempo dos 486 foi detectada a necessidade de se implementar algo para resolver o problema. A solução foi instalar uma pequena quantidade de RAM de alta velocidade no chip do microprocessador, acelerando assim o desempenho das memórias externas. A esta memória deu-se o nome de CACHE. A cache de um 486 era de 8kB, a de um Pentium MMX é de 32 kB. O ganho de velocidade não é proporcional ao aumento da memória cache.

Cache secundária

Além da memória cache interna implementada nos Chips dos microprocessadores como os da linha 386, 486 e Pentium da Intel, a maioria das placas possui memória cache, que é denominada “cache externa”, formada por chips do tipo SRAM síncrona. O uso de caches externas facilita o desempenho dos microprocessadores.

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Placas de CPU Padrão AT

A disseminação dos micros fez com que fossem definidos padrões de tamanhos e disposição de componentes em placas de CPU, as quais passaram a ser conhecidas como: BABY AT ou mesmo AT, utilizadas pelos 486 e Pentiums.

Padrão ATX

Atualmente, em função dos novos microprocessadores surgiram as placas padrão ATX, usadas para Pentium I.

Furos de fixação

A fixação das placas é feita através de espaçadores plásticos e parafusos metálicos. Sempre é bom verificar se não está encostando em nada.

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Soquetes para memórias

Memórias

As memórias dos computadores são uma parte muito importante no seu funcionamento e performance. Elas estão intimamente ligadas ao processador, chipset, placa mãe e cache. Principais fatores de sua importância:

• Performance: o quanto de memória que se utiliza afeta dramaticamente a performance de um sistema inteiro;

• Integridade: memórias ruins podem gerar problemas misteriosos;

• Expansão: a maioria dos softwares demandam mais e mais memórias e o

fato de poder troca-las por outras de maior capacidade é bastante considerável.

RAM : memória do tipo escreve - lê :

Uma RAM ( Random Access Memory ), memória de acesso aleatório.

Aleatório significa que o acesso é direto, por exemplo para trazer informação da memória numero 7.934.233 não é necessário primeiro ler tudo que tem nas primeiras 7 milhões de posições anteriores, senão que vá instantaneamente à posição indicada como se esta fosse a primeira. Nas operações de leitura e escrita, cada posição de memória é endereçável , isto é, cada vez que uma posição de memória precisa ser preenchida, apagada ou lida, o respectivo endereço deve ser fornecido na “entrada de endereços da memória”. Eletricamente as memórias RAM são memórias voláteis, (quando se desliga, perdem toda a informação).

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Existem placas de memórias organizadas segundo diferentes comprimentos de palavra. Esta organização é normalmente simbolizada através de um sinal X . Por exemplo uma RAM de 1M x 32 é uma memória que tem 32 bits para entrada e saída de dados, que em paralelo atuam sobre uma das 1M palavras armazenadas, palavra esta escolhida pela entrada de endereços. Assim sendo, os programas necessariamente devem estar gravados em discos, fitas, etc. A CPU usa a memória RAM para armazenar e executar programas contidos nos discos, para ler e gravar dados que estão sendo processados sua principal propriedade é sua velocidade.

Identificação de módulos memória com paridade:

Quase sempre é possível se reconhecer visualmente módulos de memória com paridade, nos módulos de 72 pinos, os pinos responsáveis pela paridade são os pinos de número 35, 36 ,37 e 38, aqueles situados perto da ranhura central do módulo. Ao se inspecionar estes pinos, pode-se constatar se existe conexão entre eles e o resto do módulo, se houver será um módulo com paridade. É necessário que se verifique conexões aos pinos em ambos os lados dos módulos.

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